DE4106169C1

DE4106169C1 - Monitoring machining operations - by partic. lasers, where sensor comprises plate-type target to which acoustic or electric converter is connected

Info

Publication number: DE4106169C1
Application number: DE19914106169
Authority: DE
Inventors: Christoph Dipl.-Ing. 8012 Riemerling De Hamann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-02-27
Filing date: 1991-02-27
Publication date: 1992-08-06
Anticipated expiration: 2011-02-28

Abstract

Machining operations are monitored by energy beams, partic. lasers, or by moving particles. Sensor is for contactless detection and time-dependent evaluation of sound signals, and comprises a plate-type target to which an acoustic/electric converter is connected. Target is placed under the work at a position where a beam can emerge during the operation. Converter can be so positioned on the target that it is protected from the beams or moving particles, and it can be of the piezoelectric type. ADVANTAGE - Reliable in operation.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 39 13 786 A1 bekannt geworden.The invention relates to a method according to the preamble of claim 1. Such a method is known from the DE 39 13 786 A1 has become known.

In der Fertigung werden in zunehmendem Maße Verfahren unter Anwendung von Energiestrahlung und hier insbesondere Laser strahlen durchgeführt. Um bestimmte Materialbearbeitungs prozesse zu steuern und zu überwachen ist es notwendig, ge nügende Daten über beispielsweise die ins Werkstück einge brachte Energie, die Temperatur, die Beendigung eines be stimmten Abtragungsvorganges oder ähnliches in Abhängigkeit von der Zeit zu erhalten. Zur Sicherstellung einer gleich bleibenden Qualität bei den angesprochenen Bearbeitungs prozessen kann die Feststellung, daß die Energiestrahlen das zu bearbeitende Werkstück durchdringen bzw. nicht durchdrin gen, wesentlich sein. Wird eine Bohrung durch Energiestrahlen erzeugt, so wird selbstverständlich der Energiestrahl beim Vor liegen einer Durchgangsbohrung auf der der Strahlenquelle gegenüberliegenden Seite des Werkstückes austreten. Bei der Anfertigung einer Schweißverbindung mittels Laserstrahl kann je nach Anforderung ein Durchtreten des Laserstrahles durch das Werkstück bzw. durch die Schweißnaht beabsichtigt sein oder als Hinweis auf eine fehlerhafte Bearbeitung dienen.Processes are increasingly used in manufacturing Use of energy radiation and here in particular lasers rays carried out. To certain material processing It is necessary to control and monitor processes sufficient data about, for example, the workpiece brought energy, the temperature, the termination of a be agreed removal process or the like depending to get by the time. To ensure one right away lasting quality in the mentioned processing Processes can determine that the energy rays Penetrate or not penetrate workpiece to be machined gene, be essential. Will a hole through energy rays generated, so of course the energy beam in front are a through hole on the radiation source emerge on the opposite side of the workpiece. In the Production of a welded joint using a laser beam can depending on the requirement, a passage of the laser beam through the workpiece or the weld seam are intended or serve as an indication of incorrect processing.

Bisher angewandte Bauteile zur Detektion von Strahlung sind beispielsweise Dioden. Diese Elemente sind jedoch sehr em pfindlich und werden durch Verschmutzung in ihrer Funktion sehr stark beeinträchtigt.Components previously used for the detection of radiation are for example diodes. However, these elements are very em sensitive and become functional through pollution very badly affected.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur zuverlässigen und störungsfreien Überwachung von Materialbe arbeitungen mittels Energiestrahlen zur Verfügung zu stellen. Dabei kommt ein Sensor zur Detektion dieser Energiestrahlen zum Einsatz, der insbesondere Laserstrahlen oder bewegte Par tikel erfaßt, wobei im Sensor erzeugte Schallemissionssignale aufgenommen und zeitabhängig ausgewertet werden.The invention has for its object a method for reliable and trouble-free monitoring of material to provide work using energy beams. A sensor comes to detect these energy rays to use, in particular laser beams or moving par particles detected, wherein sound emission signals generated in the sensor recorded and evaluated depending on the time.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch den gezielten Ein satz eines Sensors an der Stelle unter einem Werkstück, an der ein Energiestrahl während der Bearbeitung dieses Werkstückes austreten kann. Die durch den auftreffenden Energiestrahl oder durch bewegte Partikel im Sensor erzeugten Schallemissions signale werden über einen akustisch/elektrischen Wandler in elektrische Signale umgewandelt und zur Steuerung der Parame ter der Materialbearbeitung verwendet.This problem is solved by the targeted one set of a sensor at the point under a workpiece at which an energy beam during the machining of this workpiece can leak. That by the incident energy beam or Sound emissions generated by moving particles in the sensor signals are transmitted via an acoustic / electrical converter electrical signals converted and used to control the parameters used in material processing.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß mittels eines Sensors, der aus einem Target und aus einem daran angekoppelten akustisch/elektrischen Wandler besteht, die Detektion von Ener giestrahlen oder von bewegten Partikeln schnell und zuverläs sig gewährleistet ist. Die dabei im Target erzeugten Schall emissionssignale werden über den akustisch/elektrischen Wand ler in elektrische Signale umgewandelt und anschließend ausge wertet. Ursache der Schallemissionssignale sind die auftreten den Energiestrahlen oder Partikel. Das Target wird beim Auf treffen von Energiestrahlen örtlich erwärmt, wobei in seinem Inneren Schallemissionssignale erzeugt werden. Derartige Signale sind ein sehr empfindlicher Indikator, der im Milli sekundenbereich das Auftreffen von Energiestrahlen oder von Partikeln erkennen läßt. The invention is based on the finding that by means of a Sensor that consists of a target and a coupled to it acoustic / electrical transducer, the detection of Ener pour blasting or from moving particles quickly and reliably sig is guaranteed. The sound generated in the target Emission signals are sent through the acoustic / electrical wall ler converted into electrical signals and then out evaluates. The cause of the sound emission signals are the occur the energy rays or particles. The target is on hit by energy rays locally heated, being in his Internal sound emission signals are generated. Such Signals are a very sensitive indicator seconds range the impact of energy rays or Particles can be recognized.

Zur Überwachung von Materialbearbeitungen mittels Energie strahlen und unter Einsatz eines erfindungsgemäßen Sensors wird das Target knapp unterhalb des Werkstückes an der Stelle positioniert, auf die der Energiestrahl auf der gegenüber liegenden Seite des Werkstückes ausgerichtet ist. Somit sind gleichzeitig zwei Betriebszustände erkennbar. Zum einen der Zustand, daß der Energiestrahl das Werkstück bearbeitet, aber nicht durch das Werkstück hindurchdringt. Hier wird kein Schallemissionssignal erzeugt. Zum anderen wird bei einem das Werkstück durchdringenden Energiestrahl oder auch durch mitge rissene bewegte Partikel in dem Target ein Schallemissions signal erzeugt.For monitoring material processing using energy radiate and using a sensor according to the invention the target is just below the workpiece at the point positioned on which the energy beam is on the opposite lying side of the workpiece is aligned. So are Two operating states can be recognized at the same time. For one, the State that the energy beam is machining the workpiece, however does not penetrate the workpiece. Here is no Sound emission signal generated. On the other hand, it becomes one Workpiece penetrating energy beam or by mitge cracked moving particles in the target an acoustic emission signal generated.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Positionierung des akustisch/elektrischen Wandlers auf der Targetseite erfolgt, die der Seite, auf die die Energiestrahlen auftreffen, gegenüberliegt. Somit ist der Wandler an einer ge schützten Stelle angebracht. Verschmutzungen auf dem Target sind bedeutungslos. An advantageous embodiment of the invention provides that the positioning of the acoustic / electrical transducer on the Target side is the side of the energy rays encounter, is opposite. Thus, the converter is on a ge protected area attached. Soiling on the target are meaningless.

Der akustisch/elektrische Wandler ist zweckmäßigerweise ein piezoelektrischer Wandler. Diese Bauteile sind sehr robust und in der Fertigung gut einsetzbar.The acoustic / electrical converter is expediently a piezoelectric transducer. These components are very robust and well applicable in manufacturing.

Im folgenden wird anhand von zwei Figuren ein Ausführungsbei spiel beschrieben.In the following, an embodiment is described using two figures game described.

Fig. 1 zeigt in der Seitenansicht die Verschweißung eines Werkstückes 3 mittels eines Laserstrahles 1, wobei hindurchtretende Strahlung 2 über das Target 6 und den piezoelektrischen Wandler 7 detektiert wird. Fig. 1 shows the welding in the side view of a workpiece 3 by means of a laser beam 1, wherein said radiation passing through 2 via the target 6 and the piezoelectric transducer 7 is detected.

Fig. 2 zeigt das von einem piezoelektrischen Wandler 7 übertragene Schallemissionssignal. Fig. 2 shows the signal transmitted from a piezoelectric transducer 7 of sound emission signal.

In der Fig. 1 ist ein Werkstück 3 in der Seitenansicht darge stellt, das mittels eines Laserstrahles 1 geschweißt wird. Dabei entsteht eine Schmelzzone 5 und aufgrund von Ver dampfungserscheinungen eine Kapillare 4. Je nach Betriebsart des Lasers und der Prozeßführung während des Verschweißens wird in einem dynamisch ablaufenden Vorgang die Kapillare 4 zeit weise zusammenfallen und wieder aufgebaut werden. Die in der Fig. 1 gewählte Darstellung zeigt eine durchtretende Strahlung 2, die auf der dem Laser gegenüberliegenden Seite des Werk stückes 3 wieder austritt. Diese durchtretende Strahlung 2 wird entsprechend detektiert, d. h. die im Target 6 erzeugten Schallemissionssignale werden über den Wandler 7 in elek trische Signale umgewandelt und anschließend zeitabhängig ausgewertet. In Fig. 1, a workpiece 3 is shown in the side view Darge, which is welded by means of a laser beam 1 . This creates a melting zone 5 and a capillary 4 due to evaporation phenomena. Depending on the operating mode of the laser and the process control during welding, the capillary 4 will temporarily collapse and be rebuilt in a dynamic process. The illustration selected in FIG. 1 shows a penetrating radiation 2 , which exits again on the side of the workpiece 3 opposite the laser. This penetrating radiation 2 is detected accordingly, ie the sound emission signals generated in the target 6 are converted into electrical signals via the converter 7 and then evaluated as a function of time.

Zum Einsatz kommen in der Regel CO₂ oder Nd : YAG-Laser. Diese können sowohl gepulst als auch im Dauerstrich betrieben werden. Die Auswertung bezüglich des Vorhandenseins von durchtretender Strahlung 2 oder deren Abwesenheit hängt vom einzelnen Mate rialbearbeitungsverfahren ab. Bei einem Schneidvorgang können beispielsweise nach unten wegfliegende Partikel detektiert werden. Ferner sind automatisierte Prozesse in einfacher Weise überwachbar, indem beispielsweise für den Fall, daß keine durchtretende Strahlung 2 auftreten darf, das aktuell bearbei tete Werkstück 3 als Ausschuß gewertet wird, falls der Laser strahl 1 doch hindurchtritt.Usually CO ₂ or Nd: YAG lasers are used. These can be operated both pulsed and in continuous wave. The evaluation of the presence of penetrating radiation 2 or its absence depends on the individual material processing method. During a cutting process, particles flying downward can be detected, for example. Furthermore, automated processes can be monitored in a simple manner, for example in the event that no penetrating radiation 2 may occur, the currently machined workpiece 3 is evaluated as a committee if the laser beam 1 nevertheless passes through.

In der Fig. 2 ist die Amplitude A eines Schallemissionssignales gegen die Zeit t (gemessen in Millisekunden ms) aufgetragen. In diesem Fall wurde ein gepulster Laser mit einer Laserpuls länge von 3 ms eingesetzt. Zur Zeit t = 0.0 beginnt ein Laser puls. Der erste Teil des Signales mit kleiner Amplitude A, der in etwa bis zur Zeit t = 2 ms dauert, bedeutet lediglich ein mitaufgenommenes Rauschen. Während dieser Zeit wird das Werkstück 3 mit dem Laserstrahl 1 beaufschlagt, der jedoch nicht durch das Werkstück 3 hindurchtritt. Das nach der Zeit t = 2 ms aufgezeichnete Signal mit ausgeprägter Amplitude signalisiert eine durchtretende Strahlung 2, die auf das Target 6 trifft und dort ein Schallemissionssignal erzeugt, welches vom piezoelektrischen Wandler 7 als elektrisches Signal 8 zur zeitabhängigen Auswertung bereitsteht.In FIG. 2, the amplitude A is a sound emission signal against the time t (measured in milliseconds ms) applied. In this case, a pulsed laser with a laser pulse length of 3 ms was used. A laser pulse begins at time t = 0.0. The first part of the signal with a small amplitude A, which lasts approximately up to the time t = 2 ms, means only a noise that has been picked up. During this time, the workpiece 3 is exposed to the laser beam 1, which, however, does not pass through the workpiece 3 . The signal with a pronounced amplitude recorded after the time t = 2 ms signals a penetrating radiation 2 which strikes the target 6 and generates a sound emission signal there, which is provided by the piezoelectric transducer 7 as an electrical signal 8 for time-dependent evaluation.

Das Target 6 muß selbstverständlich aus einem Material be stehen, das Schallemissionssignale bei Erwärmung aussendet. Hier werden in der Regel Metalle verwendet.The target 6 must of course be made of a material that emits sound emission signals when heated. Metals are usually used here.

Die Ausbildung des Targets 6 kann verschiedenartig sein, zweck mäßig ist jedoch der Einsatz einer Metallplatte. Bei Verfahren, die eine wesentliche Verschiebung zwischen Werkstück 3 und auf treffendem Laserstrahl 1 vorsehen, wird die Positionierung des Targets 6 im Verhältnis zum Laserstrahl annähernd konstant ge halten. Somit ist gewährleistet, daß die durchtretende Strah lung 2 immer auf das Target 6 trifft. Der Abstand zwischen Werkstück 3 und Target 6 liegt im Bereich von wenigen Milli metern.The formation of the target 6 can be of various types, but the use of a metal plate is expedient. In methods that provide a substantial displacement between the workpiece 3 and the incident laser beam 1 , the positioning of the target 6 in relation to the laser beam is kept approximately constant ge. This ensures that the penetrating radiation 2 always hits the target 6 . The distance between workpiece 3 and target 6 is in the range of a few millimeters.

Beim Einsatz in einer automatisierten Fertigung ist die Über wachung oder Steuerung beispielsweise des Vorschubes oder der Leistung des Energiestrahles oder anderer Parameter steuerbar.When used in automated manufacturing, the over monitoring or control, for example of the feed or the Power of the energy beam or other parameters controllable.

Claims

1. Method for monitoring material processing with energy beams, in particular laser beams ( 1 ), or of moving particles, using a sensor for non-contact detection and time-dependent evaluation of sound emission signals, the sensor being coupled from a plate-shaped target ( 6 ) to it acoustic / electrical converter ( 7 ), characterized in that the target ( 6 ) is placed under a workpiece ( 3 ) at the point at which an energy beam can emerge during machining.

2. The method according to claim 1, characterized in that the acoustic / electrical transducer ( 7 ) by its po sitioning on the target ( 6 ) len by this is protected from energy rays or from moving particles.

3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a piezoelectric transducer is used as the acoustic / electrical transducer ( 7 ).