DE4039303A1 - Verfahren und vorrichtung zur prozessueberwachung von laserstrahl-materialbearbeitungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozeßüberwa­ chung und/oder zur Qualitätskontrolle von Laserstrahl- Materialbearbeitungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Hochleistungslaser, vornehmlich CO₂-, Nd : YAG- und Excimerlaser eignen sich zur industriellen Materialbear­ beitung. Darunter wird Schweißen, Schneiden, Umschmelzen, Beschichten und Materialabtragen verstanden. Die Intensi­ tät der Laserstrahlung, die Streckenenergie und die Wärmeleitfähigkeit des Materials bestimmen die maximal auftretende Temperatur in der Bearbeitungszone. Beim Überschreiten der Siedetemperatur verdampfen die Materialatome, bei metallischen Materialien die Metall­ atome, und strömen in Richtung der optischen Achse des Arbeitslaserstrahls ab. Durch diese Verdampfung entsteht zum einen ein Dampfkanal und zum anderen eine Materialdampfwolke über der Bearbeitungszone.

Es hat sich gezeigt, daß eine Erwärmung des Werkstückes im Prozeß eine verstärkte Materialatomverdampfung hervor­ ruft. An dieser Verdampfungs- oder Plasmawolke wird ein Teil der einfallenden Strahlung absorbiert und gestreut, wodurch Verluste in der Strahlübertragung auf das zu bearbeitende Material entstehen.

Gleichzeitig erhöht die in der Verdampfungs- oder Plasmawolke absorbierte Strahlung die kinetische Energie der Dampfteilchen. Bei ausreichend großer Energie werden die Materialatome ionisiert. Eine derartige Verdampfungs­ wolke wird als Plasmawolke bezeichnet. Die Überschreitung spezieller Laserstrahlintensitäten führt zu einer verstärkten Ionisation der Wolke und damit zur Abschir­ mung des Laserstrahls vom Werkstück. Durch ein Prozeßgas kann der Ionisationsgrad der Verdampfungswolke beeinflußt werden. Durch eine erhöhte Rekombinationsrate wird die Absorption in der Wolke verringert, wodurch sich die Energieübertragung verbessert.

Die Tiefe des Dampfkanals entspricht näherungsweise der Eindringtiefe und der Kanaldurchmesser dem Arbeitsfleck­ durchmesser des einfallenden Laserstrahls. Eine Vergröße­ rung des Dampfkanals führt zu einer verstärkten Materialatomverdampfung an der vergrößerten Wand des Kanals. Dadurch wird die Dichte der Materialdampfwolke erhöht. Außerdem wird durch die Relativbewegung zwischen einfallender Strahlung und dem Werkstück der Dampfkanal durch die Schmelze hindurchgezogen. In Folge der Schmelz­ badbewegung, Werkstoffinhomogenitäten, Plasmainstabilitä­ ten oder Prozeßgas-Druckschwankungen wird die Geometrie der Kanal während des Bearbeitungsprozesses verändert.

Um die Bearbeitungsergebnisse von Laserstrahl-Materialbe­ arbeitungen zu erfassen und dadurch eine Qualitätskon­ trolle für eine industrielle Materialbearbeitung zu schaffen, wurde bereits ein Utraschallverfahren entwickelt, bei dem ein Detektor aus einem Ultraschall­ sender und einem Ultraschallempfänger in kurzem Abstand hinter einem Laserstrahl-Bearbeitungskopf geführt wird. Schwierigkeiten entstehen bei der Übertragung des Ultraschallsignals zwischen dem Detektor und dem zu bearbeitenden Material der Totzeit zwischen der Bearbeitungsstelle und dem Detektor sowie bei der Nachführung des Detektors. In den meisten Fällen wäre hier eine Zusatzachse vorzusehen.

Weiterhin ist aus der DE-OS 37 05 182 bekannt, eine Qualitätskontrolle auf der Basis von Geräuschemissionen vorzunehmen, die von einer Plasmawolke abgestrahlt werden. Hierbei kann Luft- und Körperschall gemessen werden. Probleme entstehen vor allem bei einer geeigneten akustischen Aufnahmevorrichtung für die Schallemission sowie durch Schwingungen, die durch den Vorschub auf das Material übertragen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Prozeßüberwachung und/oder zur Qualitätskontrolle von Laserstrahl-Materialbearbeitungen zu schaffen, welches für das Bearbeitungsergebnis relevante Einflußgrößen direkt erfaßt.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß eine Korrelation zwischen der Absorption und Streuung, also des Durchstrahlungsverlustes des Arbeitslaserstrahls durch die Verdampfungs- oder Plasmawolke und dem Bearbeitungsergebnis besteht. Dieser Zusammenhang stellt sich folgendermaßen dar.

Ist die Dichte der Verdampfungs- oder Plasmawolke reduziert, wird mehr Energie auf das Werkstück übertragen, und der Dampfkanal vergrößert sich. Es werden an der vergrößerten Kanalwand mehr Atome verdampft, somit steigt die Dichte der Verdampfungs- oder Plasmawolke wieder an, wodurch die Kanaltiefe und demzufolge auch die Dichte der Verdampfungs- oder Plasmawolke wieder abnimmt. Erreicht die Leistungsdichte des Laserstrahls einen kritischen Wert, wird durch die Verdampfungs- oder Plasmawolke soviel Strahlung absorbiert, daß eine Ionisation der Wolke einsetzt, die die Strahlung vor dem Werkstück abschirmt und im Extremfall eine Unterbrechung des Bearbeitungsprozesses zur Folge haben kann.

Die als Kriterium für das Bearbeitungsergebnis dienende Absorption und Streuung des Arbeitslaserstrahls durch die Verdampfungs- oder Plasmawolke kann direkt erfaßt werden, indem zusätzlich ein Meßlaserstrahl durch die Verdampfungs- oder Plasmawolke geführt wird, der die gleiche oder annähernd gleiche Wellenlänge wie der Arbeitslaserstrahl besitzt. Dieser Meßlaserstrahl unterliegt dann zwangsläufig der gleichen Absorption und Streuung wie der Arbeitslaserstrahl. Um die Verdampfungs­ oder Plasmawolke nicht noch zusätzlich zu erwärmen, besitzt er aber eine geringere Leistungsdichte als der Arbeitslaserstrahl. Dies ist für Meßzwecke ausreichend, denn der Meßlaserstrahl wird nicht zu Materialbearbei­ tungsaufgaben eingesetzt. In seiner Strahlungsrichtung weicht er von der des Arbeitslaserstrahls ab, damit ein Detektor die Strahlung des Meßlaserstrahls unbeeinflußt von der direkten Strahlung des Arbeitslaserstrahls aufnehmen kann.

Der Meßlaserstrahl kann entweder durch eine separate Laserquelle erzeugt oder aus dem Arbeitslaserstrahl optisch ausgekoppelt werden.

Mit einer separaten Laserquelle läßt sich der Meßlaser­ strahl besonders einfach auf die Verdampfungs- oder Plasmawolke ausrichten, indem die Laserquelle entsprechend ausgerichtet wird. Mittel zur Strahlungsführung sind nicht erforderlich.

Wird der Meßlaserstrahl aus dem Arbeitslaserstrahl optisch ausgekoppelt, so ist zwangsläufig dieselbe Wellenlänge wie beim Arbeitslaserstrahl vorgegeben. Damit wird der Meßlaserstrahl exakt denselben Durchstrahlungs­ verlusten unterworfen wie der Arbeitslaserstrahl.

Vorzugsweise wird der Meßlaserstrahl beim Durchstrahlen der Verdampfungs- oder Plasmawolke orthogonal zum Arbeitslaserstrahl und/oder parallel zur bearbeiteten Materialoberfläche ausgerichtet.

Auf diese Weise wird eine hohe Entkopplung des Meßlaser­ strahls vom Arbeitslaserstrahl erreicht. Außerdem gelingt es, den Meßlaserstrahl besonders dicht über der Materialoberfläche verlaufen zu lassen, wodurch das Zentrum der Verdampfungs- oder Plasmawolke gezielt angepeilt werden kann.

Die Intensität des Meßlaserstrahls kann nach Durchtritt durch die Verdampfungs- oder Plasmawolke zeitlich und/oder räumlich gemessen werden.

Hierdurch sind die Voraussetzungen geschaffen, räumliche oder zeitliche Phänomene der Verdampfungs- bzw. Plasma­ wolke, insbesondere die Durchstrahlungsverluste wie Absorption und Streuung zu erfassen, so den Prozeß zu kontrollieren und gegebenenfalls die Prozeßstellgrößen, vornehmlich die Laserleistung und die Vorschubgeschwin­ digkeit zu regeln.

Eine Weiterbildung sieht vor, daß die Intensität der Abstrahlung oder Streustrahlung der Verdampfungs- oder Plasmawolke außerhalb des Strahlenganges von Arbeitslaserstrahl und Meßlaserstrahl gemessen wird und gemeinsam mit der Intensität des Meßlaserstrahls nach Durchtritt durch die Verdampfungs- oder Plasmawolke, vorzugsweise durch Differenzbildung, ausgewertet wird.

Mit dieser Maßnahme wird erreicht, daß ein resultierendes Signal, z. B. ein Differenzsignal entsteht, das weitgehend unabhängig von dem spektralen Strahlungsemissionsverhal­ ten der Verdampfungs- bzw. Plasmawolke die Abschwächung der Meßlaserstrahlung durch die Verdampfungs- bzw. Plasmawolke wiedergibt.

Außerdem besteht die Möglichkeit, daß die Intensität des Meßlaserstrahls und/oder des Arbeitslaserstrahls vor Durchtritt durch die Verdampfungs- oder Plasmawolke gemessen wird und gemeinsam mit der Intensität des Meßlaserstrahls nach Durchtritt durch die Verdampfungs­ oder Plasmawolke, vorzugsweise durch Differenzbildung, ausgewertet wird.

Hierdurch lassen sich Leistungsschwankungen des Arbeits­ laserstrahls und/oder Meßlaserstrahls erfassen und deren Auswirkungen auf die Meßergebnisse kompensieren.

Ferner kann auch zusätzlich die Intensität der Abstrah­ lung oder Streustrahlung der Verdampfungs- oder Plasmawolke außerhalb des Strahlenganges von Arbeitslaserstrahl und Meßlaserstrahl mit ausgewertet werden.

Durch die Kombination dieser Maßnahmen lassen sich praktisch alle wesentlichen Störquellen, welche Auswir­ kungen auf die Meßergebnisse nehmen können, ausblenden und so die Genauigkeit des Meßverfahrens steigern.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Intensität des Meßlaserstrahls nach Durchtritt durch die Verdampfungs- oder Plasmawolke spektral selektiv gemessen wird.

Wenn diese Alternative realisiert wird, kann auf die Erfassung und Auswertung der Intensität der Abstrahlung oder Streustrahlung der Verdampfungs- oder Plasmawolke außerhalb des Strahlenganges von Arbeitslaserstrahl und Meßlaserstrahl verzichtet werden, da diese Abstrahlung überwiegend in einem anderen Spektralbereich liegt. Der Kompensationsaufwand läßt sich hiermit verringern.

In Weiterbildung der Erfindung können über den gemessenen Durchstrahlungsverlustwert oder Durchstrahlungswert der Verdampfungs- oder Plasmawolke Qualitätsparameter des Bearbeitungsergebnisses errechnet oder ermittelt werden.

Diese stehen bei Beendigung des Bearbeitungsprozesses fest und machen eine zusätzliche Prüfung überflüssig. Außerdem liegen die Qualitätsparameter mit hoher Genauig­ keit vor, wie sie mit einer zerstörungsfreien Materialprü­ fung nicht oder nur mit großem Aufwand erreicht werden können.

Eine praktische Ausgestaltung sieht vor, daß über den gemessenen Durchstrahlungsverlustwert oder Durchstrah­ lungswert der Verdampfungs- oder Plasmawolke Regelparameter gewonnen werden, mittels denen Prozeßstellgrößen, wie die Leistung des Arbeitslaserstrahls, die Vorschubbewegung des Arbeitslaserstrahls oder des Werkstückes, die zugeführte Menge und/oder Zusammensetzung eines Prozeßgases jeweils einzeln oder in unterschiedlicher Kombination im Sinne eines konstanten Bearbeitungsergebnisses verändert werden.

Da die Prozeßparameter kurzzeitigen Schwankungen unter­ worfen sind, ist eine schnelle Reaktion erforderlich, um die Schwankungen auszugleichen. Dies läßt sich mit den angegebenen Maßnahmen erreichen. Der Materialbearbei­ tungsprozeß wird so geregelt, daß die Durchstrahlungsver­ luste der Meßlaserstrahlung durch die Verdampfungs- bzw. Plasmawolke konstant sind. Eine weitere Regelmöglichkeit ergibt sich mit gepulster Laserstrahlung, bei der das zeitliche Verhalten der einzelnen Pulse, vorzugsweise die Pulsleistung, geregelt wird, um gute Bearbei­ tungsergebnisse bzw. eine hohe Energieeinkopplung in das Werkstück zu erzielen.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Prozeßüberwachung von Laserstrahl-Materialbearbeitungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12.

Diesbezüglich liegt ihr die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Prozeßüberwachung von Laserstrahl-Materi­ albearbeitungen zu schaffen, welche für das Bearbeitungs­ ergebnis relevante Einflußgrößen direkt erfaßt.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 12 durch die im kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfaßt die Meßanordnung genau die physikalischen Eigenschaften der Verdampfungs- oder Plasmawolke, die auch den Arbeitslaserstrahl beeinflussen. Die für das Bearbeitungsergebnis relevanten Einflußgrößen können so im Gegensatz zum Stand der Technik unmittelbar, statt auf Umwegen über z. B. Ultraschall erfaßt werden. Dadurch ergibt sich eine sehr enge Koppelung zwischen den Einflußgrößen und dem Bearbeitungsergebnis.

Der gemessene Durchstrahlungswert oder sein Gegenstück, der Durchstrahlungsverlustwert spiegeln das Bearbeitungs­ ergebnis sehr genau wieder und lassen vor allem Änderun­ gen des Bearbeitungsergebnisses nahezu verzögerungsfrei erkennen. Eine Vorrichtung der erfindungsgemäßen Art eignet sich daher auch zur Prozeßregelung und besitzt den Vorteil, daß der normale Bearbeitungsvorgang nicht beein­ trächtigt wird. Ihr einfaches und zuverlässiges Funktionsprinzip gestattet eine Realisierung mit einem wesentlich geringeren Kostenaufwand als beim Stand der Technik.

Die Meßanordnung kann entweder eine separate Laserquelle zur Erzeugung des Meßlaserstrahls oder eine im Strahlen­ gang des Arbeitslaserstrahls angeordnete optische Weiche zur Auskopplung des Meßlaserstrahls sowie optische Strahlführungsmittel aus z. B. optischen Fasern, Linsen oder Spiegeln umfassen.

Eine separate Laserquelle kann in einfacher Weise mechanisch so eingerichtet werden, daß der Meßlaserstrahl auf die Verdampfungs- oder Plasmawolke fällt. Mittel zur Strahlungsführung, die neben einem apparativen Aufwand auch optische Verluste aufweisen, sind nicht erforderlich.

Das optische Auskoppeln des Meßlaserstrahls aus dem Arbeitslaserstrahl geht mit dem Vorteil einher, daß zwangsläufig dieselbe Wellenlänge wie beim Arbeitsla­ serstrahl vorliegt. Dementsprechend ist der Meßlaser­ strahl exakt denselben Durchstrahlungsverlusten unterwor­ fen wie der Arbeitslaserstrahl. Außerdem wirken Leistungsschwankungen gleichsinnig, wodurch eine eventuell erforderliche Kompensation erleichtert wird.

Vorzugsweise wird die separate Laserquelle zur Erzeugung des Meßlaserstrahls oder die optischen Strahlführungsmit­ tel so ausgerichtet, daß die optische Achse des die Verdampfungs- oder Plasmawolke durchstrahlenden Meßlaserstrahls orthogonal zum Arbeitslaserstrahl und/oder parallel zur bearbeiteten Materialoberfläche ausgerichtet ist.

Eine derart aufgebaute Vorrichtung ermöglicht bei der Detektion der Strahlung eine hohe Entkopplung des Meßlaserstrahls vom Arbeitslaserstrahl. Der Meßlaser­ strahl kann unter einem besonders geringen Abstand zur Materialoberfläche verlaufen, ohne daß diese angestrahlt wird. Dabei läßt sich das Zentrum der Verdampfungs- oder Plasmawolke gezielt anpeilen.

Das Intensitätsmeßgerät kann ein oder mehrere im Strah­ lengang des Meßlaserstrahls hinter der Verdampfungs- oder Plasmawolke angeordnete Meßstrahl-Detektoren umfassen, wobei im Falle mehrerer Detektoren diese räumlich verteilt angeordnet sind.

Hierdurch lassen sich auch Inhomogenitäten der Verdampfungs- oder Plasmawolke berücksichtigen. Dabei ist entweder eine Erfassung der durchschnittlichen Durchstrahlungsverluste möglich oder es läßt sich bereits frühzeitig eine Änderung der Dichte der Verdampfungs- oder Plasmawolke wahrnehmen, was zur Ermöglichung einer besonders schnellen Reaktion bei Regelvorgängen vorteilhaft ist.

Vorzugsweise besitzt das Intensitätsmeßgerät einen Speicher für eine zeitliche Erfassung der Meßwerte.

Dieser Speicher schafft die Voraussetzungen, zeitliche Phänomene der Verdampfungs- bzw. Plasmawolke, insbeson­ dere die Durchstrahlungsverluste wie Absorption und Streuung, zu erfassen und für eine spätere Ausgabe von Qualitätsparametern zu speichern, oder den Prozeß zu kontrollieren und gegebenenfalls die Prozeßstellgrößen, vornehmlich die Laserleistung und die Vorschubgeschwin­ digkeit zu regeln.

Eine Weiterbildung sieht vor, daß das Intensitätsmeßgerät wenigstens einen Abstrahlungs-Detektor umfaßt, der außer­ halb des Strahlenganges von Arbeitslaserstrahl und Meßla­ serstrahl angeordnet ist und die Abstrahlung oder Streu­ strahlung der Verdampfungs- oder Plasmawolke erfaßt. Eine vorzugsweise als Differenzverstärker ausgebildete Auswerteschaltung ermöglicht es, die Intensität des Meßlaserstrahls nach Durchtritt durch die Verdampfungs- oder Plasmawolke gemeinsam mit der Abstrahlung oder Streustrahlung der Verdampfungs- oder Plasmawolke auszuwerten.

Dieser Abstrahlungs-Detektor nimmt die Abstrahlung oder Streustrahlung der Verdampfungs- oder Plasmawolke auf, ohne vom Meßlaserstrahl beschienen zu werden. Durch z. B. Differenzbildung der Signale des Abstrahlungs-Detektors und der Meßstrahl-Detektoren entsteht ein resultierendes Signal, das weitgehend unabhängig von dem spektralen Strahlungsemissionsverhalten der Verdampfungs- bzw. Plasmawolke die Abschwächung der Meßlaserstrahlung durch die Verdampfungs- bzw. Plasmawolke wiedergibt.

Außerdem sieht eine mögliche Ausgestaltung vor, daß das Intensitätsmeßgerät wenigstens einen Eingangsleistungs- Detektor umfaßt, auf den ein Teil der Strahlung des Arbeitslaserstrahls und/oder Meßlaserstrahls vor Durchtritt durch die Verdampfungs- oder Plasmawolke ausgekoppelt ist. Eine vorzugsweise als Differenzverstärker ausgebildete Auswerteschaltung wertet die Intensität des Meßlaserstrahls nach Durchtritt durch die Verdampfungs- oder Plasmawolke gemeinsam mit der Intensität des Arbeitslaserstrahls und/oder Meßlaserstrahls vor Durchtritt durch die Verdampfungs- oder Plasmawolke aus.

Mit einem solchen Detektor lassen sich Leistungsschwan­ kungen des Arbeitslaserstrahls und/oder Meßlaserstrahls erfassen und deren Auswirkungen auf die Meßergebnisse kompensieren. Der Eingangsleistungs-Detektor kann die Leistung des Arbeitslaserstrahls in der Nähe eines optischen Elements im Strahlengang des Arbeitslaser­ strahls durch Messung der Streu- oder Reflexionsstrahlung oder über die aus dem Arbeitslaserstrahl ausgekoppelte Meßlaserstrahlung erfassen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den oder einen weiteren Eingangsleistungs- Detektor mit einem Teil der Meßlaserstrahlung zu beaufschlagen, oder einen Teil der Meßlaserstrahlung auf den Abstrahlungs-Detektor zu lenken, ohne jedoch die Verdampfungs- oder Plasmawolke zu durchstrahlen.

Ferner kann mittels der Auswerteschaltung zusätzlich die von einem außerhalb des Strahlenganges von Arbeitslaser­ strahl und Meßlaserstrahl angeordneten Abstrahlungs- Detektor erfaßte Abstrahlung oder Streustrahlung der Verdampfungs- oder Plasmawolke ausgewertet werden.

Die Kombination beider Merkmale gestattet es, praktisch alle wesentlichen Störquellen, welche Auswirkungen auf die Meßergebnisse nehmen können, auszublenden und so die Genauigkeit zu steigern.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß vor dem Meßstrahl-Detektor bzw. den Meßstrahl-Detek­ toren eine Spektralfilteranordnung angeordnet ist, welche selektiv auf die Wellenlänge des Meßlaserstrahls abgestimmt ist.

Bei dieser Alternative ist der Meßstrahl-Detektor in der Lage, die durch die Verdampfungs- oder Plasmawolke kommende Meßlaserstrahlung selektiv zu empfangen. Dabei kann auf die Erfassung und Auswertung der Intensität der Abstrahlung oder Streustrahlung der Verdampfungs- oder Plasmawolke außerhalb des Strahlenganges von Arbeitslaserstrahl und Meßlaserstrahl verzichtet werden, da diese Abstrahlung überwiegend in einem anderen Spektralbereich liegt. Der Kompensationsaufwand läßt sich hiermit verringern.

In Weiterbildung der Erfindung kann die Meßanordnung eine Ausgabeeinheit für die Qualitätsparameter des Bearbeitungsergebnisses umfassen, welche über den gemessenen Durchstrahlungsverlustwert oder Durchstrahlungswert der Verdampfungs- oder Plasmawolke errechnet oder ermittelt wurden.

An dieser Ausgabeeinheit stehen bei Beendigung des Bearbeitungsprozesses die Qualitätsparameter des Bearbei­ tungsergebnisses an. Diese Ausgestaltung erübrigt eine zusätzliche Materialprüfung. Die Qualitätsparameter besitzen eine hohe Genauigkeit, wie sie mit einer zerstörungfreien Materialprüfung nicht oder nur mit großem Aufwand erreicht werden kann.

Eine praktische Ausgestaltung sieht vor, daß die Meßanordnung mit einem Regler verbunden ist, welcher über den gemessenen Durchstrahlungsverlustwert oder Durchstrahlungswert der Verdampfungs- oder Plasmawolke Regelparameter gewinnt. Über Prozeßstellglieder läßt sich so z. B. die Leistung des Arbeitslaserstrahls, die Vorschubbewegung des Arbeitslaserstrahls oder des Werkstückes, die zugeführte Menge und/oder Zusammensetzung eines Prozeßgases jeweils einzeln oder in unterschiedlicher Kombination im Sinne eines konstanten Bearbeitungsergebnisses steuern.

Um die systembedingten kurzzeitigen Schwankungen der Prozeßparameter auszugleichen, ist eine schnelle Regelung erforderlich. Diese läßt sich mit den angegebenen Maßnah­ men erreichen. Der Materialbearbeitungsprozeß wird so geregelt, daß die Durchstrahlungsverluste der Meßlaser­ strahlung durch die Verdampfungs- bzw. Plasmawolke konstant sind. Eine weitere Regelmöglichkeit ergibt sich mit gepulster Laserstrahlung, bei der das zeitliche Verhalten der einzelnen Pulse, vorzugsweise die Pulsleistung, geregelt wird, um gute Bearbeitungsergeb­ nisse bzw. eine hohe Energieeinkopplung in das Werkstück zu erzielen.

Die Regelung wird hierbei zweckmäßig so vorgenommen, daß im Normalfall zur Erzielung einer hohen Energieeinkopp­ lung des Arbeitslaserstrahls in das Werkstück der Prozeß auf minimale Durchstrahlungsverluste oder, wenn die Energieeinkopplung indirekt über die Plasmawolke in das Werkstück erfolgt, auf große Durchstrahlungsverluste der Meßlaserstrahlung durch die Verdampfungs- bzw. Plasma­ wolke geregelt wird.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der weiteren Beschreibung und der Zeichnung, anhand der das Verfahren und die Vorrichtung beispielhaft erläutert wird.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Gesamtdarstellung einer Vorrich­ tung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem Durch­ strahlungswert und dem Bearbeitungs­ ergebnis,

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1 mit einer separaten Laser­ quelle zur Erzeugung eines Meßlaser­ strahls und

Fig. 4 eine gegenüber Fig. 3 alternative Ausgestaltung, bei der der Meßlaser­ strahl aus dem Arbeitslaserstrahl ausgekoppelt wird.

Fig. 1 zeigt eine Gesamtdarstellung einer Vorrichtung nach der Erfindung. Eine Laserstrahlbearbeitungsvorrich­ tung 36 ist über einem Werkstück 38 oder Material ange­ ordnet. Durch einen Pfeil ist angedeutet, daß das Werkstück 38 mit einer Vorschubgeschwindigkeit v_f verschoben wird, so daß der Arbeitslaserstrahl 14 eine Schweißnaht 40 zieht. Die Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung 36 umfaßt einen Bearbeitungskopf 42 mit einer Optik 44 und einer Lichtleitfaser 46, die zu einer Laserquelle führt. Außerdem ist im Bearbeitungskopf 42 eine Düse 50 vorhan­ den, über die Prozeßgas zugeführt wird.

Bestandteil der dargestellten Vorrichtung ist ferner eine Meßanordnung 10, die aus einer separaten Laserquelle 20 und einem Intensitätsmeßgerät 16 besteht. Die separate Laserquelle 20, die einen Meßlaserstrahl 18 erzeugt, ist so ausgerichtet, daß die optische Achse des eine im Zuge der Laserstrahlbearbeitung entstehende Verdampfungs- oder Plasmawolke 12 durchstrahlenden Meßlaserstrahls 18 orthogonal zum Arbeitslaserstrahl 14 und parallel zur bearbeiteten Materialoberfläche verläuft. Vor der Laserquelle 20 befindet sich ein Schutzglas 52, während vor Detektoren des Intensitätsmeßgerät 16 ein Graufilter 54 angeordnet ist, daß eine Dämpfung der starken Laserstrahlung bewirkt.

Das Intensitätsmeßgerät 16 enthält zwei Detektoren, von denen einer ein Meßstrahl-Detektor 26 ist, auf den der Meßlaserstrahl 18 nach Durchtritt durch die Verdampfungs- oder Plasmawolke 12 trifft, und der andere als Abstrahlungs-Detektor 28 dient. Dieser Abstrahlungs- Detektor 28 befindet sich außerhalb des Strahlenganges von Arbeitslaserstrahl 14 und Meßlaserstrahl 18 und registriert nur die Abstrahlung oder Streustrahlung der Verdampfungs- oder Plasmawolke 12.

Das Intensitätsmeßgerät 16 besitzt eine als Differenzver­ stärker ausgebildete Auswerteschaltung 30, mittels der die Intensität des Meßlaserstrahls 18 nach Durchtritt durch die Verdampfungs- oder Plasmawolke 12 gemeinsam mit der Abstrahlung oder Streustrahlung der Verdampfungs- oder Plasmawolke 12 auswertbar ist. In der Zeichnung ist hier der Bildschirm eines Mehrkanal-Speicheroszilloskops angedeutet, der die Funktionen der Auswerteschaltung 30 übernehmen kann und sowohl den zeitlichen Verlauf der einzelnen Signale der beiden Detektoren 26 und 28 als auch den Differenzverlauf anzeigt. Der Auswerteschaltung 30 ist schließlich noch eine Ausgabeeinheit 34 nachgeschaltet.

Der zum Schweißen eingesetzte Laser ist ein Nd : YAG-Laser mit einer maximalen Ausgangsleistung von 1200 W im cw- Betrieb. Zur Strahlführung wird eine 10 m lange Gradien­ ten-Index-Faser 46 mit einem Kerndurchmesser von 0,6 mm verwendet. Der 7 Linsen enthaltende Bearbeitungskopf 42 fokussiert die Strahlung mit einer Brennweite von f = 42 mm und einem Fokusradius rf = 0,163 mm. Das Prozeßgas strömt koaxial zum Arbeitslaserstrahl 14 durch die Düse 50 mit einem Durchmesser von ca. 2,5 mm auf die Bearbei­ tungsstelle mit einem Abstand von 2 mm auf das Werkstück 38.

Die Absorption und Streuung der Laserstrahlung in der Verdampfungs- oder Plasmawolke 12 wird mit einem Meßlaserstrahl 18 gemessen. Als Laserquelle 20 wird ein Nd : YAG-Laser mit einer Ausgangsleistung von 1,2 W verwendet. Der Strahldurchmesser beträgt 2 mm, die Strahldivergenz 5 mrad. Die Wellenlängen beider Laser sind identisch, so daß auch auf gleiches Absorptionsverhalten geschlossen werden kann.

Nach Durchlaufen der Verdampfungs- oder Plasmawolke 12 trifft der Meßlaserstrahl 18 auf den Meßstrahl-Detektor 26. Der Abstrahlungs-Detektor 28 gleicher Bauart nimmt ausschließlich das Leuchten der Verdampfungs- oder Plasmawolke 12 auf. Die Diodenströme beider Detektoren 26 und 28 fließen jeweils über einen Widerstand R = 1 kOhm. Durch Differenzbildung der beiden Diodenströme kann der Anteil der Abstrahlung der Verdampfungs- oder Plasmawolke 12 sowie anderer Lichtquellen eliminiert werden.

In Fig. 2 Ist der zeitliche Verlauf der Einschweißtiefe dem Durchstrahlungswert gegenübergestellt. Die Werte der Einschweißtiefe wurden durch einen Längsschliff ermit­ telt. Der Durchstrahlungswert und der Einschweißtiefen­ verlauf sind dem Maßstab der y-Koordinate entsprechend dargestellt. Die Gegenüberstellung des Durchstrahlungs­ wertes mit der Einschweißtiefe zeigt einen direkten Zusammenhang dieser Größen. Eine Abnahme der Durchstrah­ lung bewirkt eine Reduzierung der Einschweißtiefe. Im Bereich zwischen y = 85 mm und y = 93 mm kommt es zu einer vollständigen Unterbrechung des Schweißprozesses. Die Einschweißtiefe und die Durchstrahlung fallen gleich­ zeitig auf Null ab und steigen danach wieder an. Diese Erscheinung beruht darauf, daß durch die Ionisation der Verdampfungs- oder Plasmawolke 12 die Laserstrahlung vollständig in der Verdampfungs- oder Plasmawolke 12 absorbiert und durch die dabei entstehende Plasmawolke vom Werkstück abgeschirmt. Durch Rekombinationsvorgänge kann das Plasma nur kurzzeitig bestehen. Die Abschirmung wird aufgehoben und die Durchstrahlung und die Einschweißtiefe steigen wieder sprunghaft an.

Durch den aus Fig. 2 ersichtlichen Zusammenhang besteht die Möglichkeit, die Vorrichtung zur Prozeßkontrolle einzusetzen. Wird die Durchstrahlung als Regelgröße für Prozeßparameter verwendet, ermöglicht dies, Durchstrah­ lungsschwankungen zu kompensieren und Durchstrahlungsab­ fälle zu verhindern. Somit kann ein konstantes Bearbeitungsergebnis während des Prozesses erzielt werden.

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1 mit einer separaten Laserquelle 20 zur Erzeugung eines Meßla­ serstrahls 18. Rechts sind Bestandteile des Intensitäts­ meßgeräts 16 zu erkennen, und zwar der Meßstrahl-Detektor 26, auf den der Meßlaserstrahl 18 nach Durchtritt durch die Verdampfungs- oder Plasmawolke 12 trifft und der Abstrahlungs-Detektor 28, der die Abstrahlung oder Streustrahlung der Verdampfungs- oder Plasmawolke 12 registriert. Beide Detektoren 26 und 28 sind mit einer Auswerteschaltung 30 verbunden, die als Differenzverstärker ausgebildet ist.

Fig. 4 zeigt eine gegenüber Fig. 3 alternative Ausgestal­ tung, bei der statt einer separaten Laserquelle der Meßlaserstrahl 18 aus dem Arbeitslaserstrahl 14 ausgekop­ pelt wird. Dies geschieht hier mit einer optischen Weiche 22 in Form eines teilweise durchlässigen Spiegels. Von der Auskoppelstelle wird der Meßlaserstrahl 18 dann noch durch Strahlführungsmittel 24, die als weitere Spiegel ausgebildet sind, zu seiner Position parallel zur Materialoberfläche geführt.

Außerdem ist ein Eingangsleistungs-Detektor 32 vorhanden, auf den ein Teil der Strahlung des Arbeitslaserstrahls 14 vor Durchtritt durch die Verdampfungs- oder Plasmawolke 12 ausgekoppelt ist. Dadurch lassen sich Leistungsschwankungen erfassen und kompensieren. Da bei dieser Version die Leistung des Meßlaserstrahls 18 mit der des Arbeitslaserstrahls 14 verknüpft ist, reicht eine gemeinsame Messung aus.

Claims (23)

1. Verfahren zur Prozeßüberwachung und/oder zur Qualitätskontrolle von Laserstrahl-Materialbearbeitungen durch Messung von prozeßabhängigen physikalischen Eigenschaften einer Verdampfungs- oder Plasmawolke, welche sich über der Einwirkstelle eines Arbeitslaserstrahls bildet, dadurch gekennzeichnet, daß als prozeßabhängige physikalische Eigenschaften der Verdampfungs- oder Plasmawolke ihr Durchstrahlungsverlustwert oder Durchstrahlungswert für Laserstrahlen mittels eines die Verdampfungs- oder Plasmawolke durchdringenden Meßlaserstrahls gemessen wird, der die gleiche oder annähernd gleiche Wellenlänge wie der Arbeitslaserstrahl aber eine geringere Leistungsdichte besitzt und in seiner Strahlungsrichtung von der des Arbeitslaserstrahls abweicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßlaserstrahl durch eine separate Laserquelle erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßlaserstrahl aus dem Arbeitslaserstrahl optisch ausgekoppelt wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßlaserstrahl beim Durchstrahlen der Verdampfungs- oder Plasmawolke orthogonal zum Arbeitslaserstrahl und/oder parallel zur bearbeiteten Materialoberfläche ausgerichtet wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe des Meßlaserstrahls nach Durchtritt durch die Verdampfungs- oder Plasmawolke der Durchstrahlungsverlustwert oder der Durchstrahlungswert zeitlich und/oder räumlich gemessen wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der Abstrahlung oder Streustrahlung der Verdampfungs- oder Plasmawolke außerhalb des Strahlenganges von Arbeitslaserstrahl und Meßlaserstrahl gemessen wird und gemeinsam mit der Intensität des Meßlaserstrahls nach Durchtritt durch die Verdampfungs- oder Plasmawolke, vorzugsweise durch Differenzbildung, ausgewertet wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des Meßlaserstrahls und/oder des Arbeitslaserstrahls vor Durchtritt durch die Verdampfungs- oder Plasmawolke gemessen wird und gemeinsam mit der Intensität des Meßlaserstrahls nach Durchtritt durch die Verdampfungs- oder Plasmawolke, vorzugsweise durch Differenzbildung, ausgewertet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Intensität der Abstrahlung oder Streustrahlung der Verdampfungs- oder Plasmawolke außerhalb des Strahlenganges von Arbeitslaserstrahl und Meßlaserstrahl mit ausgewertet wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des Meßlaserstrahls nach Durchtritt durch die Verdampfungs- oder Plasmawolke spektral selektiv gemessen wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß über den gemessenen Durchstrahlungsverlustwert oder Durchstrahlungswert der Verdampfungs- oder Plasmawolke Qualitätsparameter des Bearbeitungsergebnisses errechnet oder ermittelt werden.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß über den gemessenen Durchstrahlungsverlustwert oder Durchstrahlungswert der Verdampfungs- oder Plasmawolke Regelparameter gewonnen werden, mittels denen Prozeßstellgrößen, wie die Leistung des Arbeitslaserstrahls, die Vorschubbewegung des Arbeitslaserstrahls oder des Werkstückes, die zugeführte Menge und/oder Zusammensetzung eines Prozeßgases jeweils einzeln oder in unterschiedlicher Kombination im Sinne eines konstanten Bearbeitungsergebnisses verändert werden.

12. Vorrichtung zur Prozeßüberwachung von Laserstrahl- Materialbearbeitungen mit einer Meßanordnung (10) zur Messung einer prozeßabhängigen physikalischen Eigenschaft einer Verdampfungs- oder Plasmawolke (12), die sich über der Einwirkstelle eines Arbeitslaserstrahls (14) bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung (10) ein Intensitätsmeßgerät (16) umfaßt, das als prozeßabhängige physikalische Eigenschaft der Verdampfungs- oder Plasmawolke (12) deren Durchstrahlungsverlustwert oder Durchstrahlungswert für Laserstrahlen über die Intensität eines die Verdampfungs- oder Plasmawolke (12) durchdringenden Meßlaserstrahls (18) erfaßt, der die gleiche oder annähernd gleiche Wellenlänge wie der Arbeitslaserstrahl (14) aber eine geringere Leistungsdichte besitzt und in seiner Strahlungsrichtung von der des Arbeitslaserstrahls (14) abweicht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß die Meßanordnung (10) eine separate Laser­ quelle (20) zur Erzeugung des Meßlaserstrahls (18) umfaßt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß die Meßanordnung (10) eine im Strahlengang des Arbeitslaserstrahls (14) angeordnete optische Weiche (22) zur Auskopplung des Meßlaserstrahls (18) sowie optische Strahlführungsmittel (24) aus z. B. optischen Fasern, Linsen oder Spiegeln umfaßt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die separate Laserquelle (20) zur Erzeugung des Meßlaserstrahl (18) oder die optischen Strahlführungsmittel (24) so ausgerichtet sind, daß die optische Achse des die Verdampfungs- oder Plasmawolke (12) durchstrahlenden Meßlaserstrahls (18) orthogonal zum Arbeitslaserstrahl (14) und/oder parallel zur bearbeiteten Materialoberfläche ausgerichtet ist.

16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Intensitäts­ meßgerät (16) ein oder mehrere im Strahlengang des Meßlaserstrahls (18) hinter der Verdampfungs- oder Plasmawolke (12) angeordnete Meßstrahl-Detektoren (26) umfaßt, wobei im Falle mehrerer Detektoren diese räumlich verteilt angeordnet sind.

17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Intensitäts­ meßgerät (16) einen Speicher für eine zeitliche Erfassung der Meßwerte besitzt.

18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Intensitäts­ meßgerät (16) wenigstens einen Abstrahlungs-Detektor (28) umfaßt, der außerhalb des Strahlenganges von Arbeitsla­ serstrahl (14) und Meßlaserstrahl (18) angeordnet ist und die Abstrahlung oder Streustrahlung der Verdampfungs- oder Plasmawolke (12) erfaßt, und daß eine, vorzugsweise als Differenzverstärker ausgebildete Auswerteschaltung (30) vorgesehen ist, mittels der die Intensität des Meßlaserstrahls (18) nach Durchtritt durch die Verdampfungs- oder Plasmawolke (12) gemeinsam mit der Abstrahlung oder Streustrahlung der Verdampfungs- oder Plasmawolke (12) auswertbar ist.

19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Intensitäts­ meßgerät (16) wenigstens einen Eingangsleistungs- Detektor (32) umfaßt, auf den ein Teil der Strahlung des Arbeitslaserstrahls (14) und/oder Meßlaserstrahls (18) vor Durchtritt durch die Verdampfungs- oder Plasmawolke (12) ausgekoppelt ist, und daß eine, vorzugsweise als Differenzverstärker ausgebildete Auswerteschaltung vorgesehen ist, mittels der die Intensität des Meßlaserstrahls (18) nach Durchtritt durch die Verdampfungs- oder Plasmawolke (12) gemeinsam mit der Intensität des Arbeitslaserstrahls (14) und/oder Meßlaserstrahls (18) vor Durchtritt durch die Verdampfungs- oder Plasmawolke (12) auswertbar ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeich­ net, daß mittels der Auswerteschaltung zusätzlich die von einem außerhalb des Strahlenganges von Arbeitslaser­ strahl (14) und Meßlaserstrahl (18) angeordneten Abstrah­ lungs-Detektor (28) erfaßte Abstrahlung oder Streustrah­ lung der Verdampfungs- oder Plasmawolke (12) auswertbar ist.

21. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 16, 17 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Meßstrahl-Detektor (26) bzw. den Meßstrahl-Detektoren eine Spektralfilteranordnung angeordnet ist, welche selektiv auf die Wellenlänge des Meßlaserstrahls (18) abgestimmt ist.

22. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanord­ nung (10) eine Ausgabeeinheit (34) für Qualitätsparameter des Bearbeitungsergebnisses umfaßt, welche über den gemessenen Durchstrahlungsverlustwert oder Durchstrah­ lungswert der Verdampfungs- oder Plasmawolke (12) errechnet oder ermittelt wurden.

23. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanord­ nung (10) mit einem Regler verbunden ist, welcher über den gemessenen Durchstrahlungsverlustwert oder Durchstrahlungswert der Verdampfungs- oder Plasmawolke (12) Regelparameter gewinnt und über Prozeßstellglieder, wie die Leistung des Arbeitslaserstrahls (14), die Vorschubbewegung des Arbeitslaserstrahls oder des Werkstückes, die zugeführte Menge und/oder Zusammensetzung eines Prozeßgases jeweils einzeln oder in unterschiedlicher Kombination im Sinne eines konstanten Bearbeitungsergebnisses steuert.