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DE4126351A1 - Controlling the polar of a laser beam - by monitoring radiation reflected from the workpiece at the working area and using the monitored average temp. as a control parameter - Google Patents

Controlling the polar of a laser beam - by monitoring radiation reflected from the workpiece at the working area and using the monitored average temp. as a control parameter

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DE4126351A1
DE4126351A1 DE19914126351 DE4126351A DE4126351A1 DE 4126351 A1 DE4126351 A1 DE 4126351A1 DE 19914126351 DE19914126351 DE 19914126351 DE 4126351 A DE4126351 A DE 4126351A DE 4126351 A1 DE4126351 A1 DE 4126351A1
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workpiece
radiation
laser beam
laser
emitted
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Alexander J Dipl Ing Drenker
Lothar Dr Ing Morgenthal
Eckhard Dr Ing Beyer
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Abstract

Controlling the working of a workpiece surface is by using a laser beam (11) in which the radiation (16) emitted from the surface at the point of the focussed beam (17) is directed to an optoelectronic measuring device (26) which is in turn connected to a regulating device for adjusting the power of the laser beam. USE/ADVANTAGE - In conversion hardening, alloying, melting, coating etc. the surface of workpieces. The radiation emitted from the focussed beam can be monitored without affecting the flexibility of the laser beam as it works an area of the workpiece. The method can be regulated with excessive expenditure.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bearbei­ ten von Werkstückoberflächen mit Laserstrahlung beim Umwand­ lungshärten, Legieren, Umschmelzen, Beschichten od. dgl., bei dem im Strahlquerschnitt geformte Laserstrahlung fokussiert und mit bahngesteuerten Spiegeln über den Bearbeitungsbereich des Werkstücks bewegt wird, und bei dem der Bearbeitungsbereich mittels vom Werkstück emittierter Strahlung optoelektronisch überwacht wird und ergebnisentsprechend Verfahrensparameter ge­ regelt werden.The invention relates to a method for processing workpiece surfaces with laser radiation during conversion hardening, alloying, remelting, coating or the like., at focused on the laser radiation shaped in the beam cross section and with path-controlled mirrors over the processing area of the Workpiece is moved, and in which the machining area optoelectronic by means of radiation emitted by the workpiece is monitored and process parameters corresponding to the results be regulated.

Aus einem Manuskript zur Tagung ECLAT′90 in Erlangen, Sei­ ten 251 bis 263, veröffentlicht im September 1990 ist ein Ver­ fahren mit den eingangs genannten Verfahrensschritten bekannt. Es handelt sich um ein Härtungsverfahren. Als Verfahrensparame­ ter wird die Laserleistung in Abhängigkeit vom Überwachungser­ gebnis einer zweidimensionalen pyroelektrischen Kamera gere­ gelt. From a manuscript for the ECLAT′90 conference in Erlangen, Be ten 251 to 263, published in September 1990 is a ver drive with the method steps mentioned at the beginning. It is a hardening process. As a procedural parameter The laser power becomes dependent on the monitor result of a two-dimensional pyroelectric camera applies.  

Die Verarbeitung der zweidimensionalen Bilder der pyro­ elektrischen Kamera erfordert einen erheblichen Rechenaufwand für die digitale Bildverarbeitung. Außerdem sind die Einsatz­ möglichkeiten der für die Durchführung des Verfahrens erforder­ lichen Einrichtungen bei dreidimensionaler Werkstückbearbeitung infolge des Vorhandenseins der Kamera erheblich eingeschränkt, weil die Kamera möglichst nahe am Werkstück angeordnet sein muß und dort wegen ihres Platzbedarfs stört.Processing the two-dimensional images of pyro electrical camera requires a considerable amount of computing for digital image processing. In addition, the stake Possibilities of the necessary for the implementation of the procedure facilities for three-dimensional workpiece machining significantly restricted due to the presence of the camera, because the camera must be placed as close as possible to the workpiece and bother because of their space requirement.

Aus der DE 37 10 816 A1 ist es beim Laserschweißen und La­ serschneiden bekannt, von der Bearbeitungsstelle des Werkstücks emittierte Strahlung aus dem Bereich des Strahlengangs der La­ serstrahlung mit einer im Strahlengang angeordneten optischen Auskoppeleinrichtung auf einen optoelektronischen Sensor zu ge­ ben, um über eine Auswertungseinrichtung eine Steuereinrichtung für Verfahrensparameter zu beaufschlagen. Die Kamera beobachtet ständig den gesamten Bearbeitungsbereich. Dadurch soll mangeln­ de Qualität des Bearbeitungsvorgangs erkennbar werden.From DE 37 10 816 A1 it is for laser welding and La known cutting from the machining point of the workpiece emitted radiation from the area of the beam path of the La radiation with an optical arranged in the beam path Decoupling device to an optoelectronic sensor ben to a control device via an evaluation device to apply for process parameters. The camera is watching constantly the entire processing area. This is said to be lacking de quality of the machining process.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den eingangs genannten Verfahrensmerkmalen so zu verbes­ sern, daß eine ortsaufgelöste Messung in einem größeren Bear­ beitungsbereich ohne Beeinträchtigung der Flexibilität des Ein­ satzes der Lasereinrichtung durch eine Kamera bzw. durch einen optoelektronischen Sensor durchgeführt werden kann, wie auch ohne größeren Aufwand bei der Regelung des Verfahrens.The invention has for its object a method to verbes with the aforementioned process features that a spatially resolved measurement in a larger Bear processing area without impairing the flexibility of the set of the laser device by a camera or by a optoelectronic sensor can be performed as well without major effort in regulating the process.

Das wird erreicht durch die Verwendung des eingangs ge­ nannten Verfahrens bei der Messung der mittleren Temperatur des Strahlflecks mit einer im Strahlengang der Laserstrahlung ange­ ordneten optischen Auskoppeleinrichtung für die emittierte Strahlung zur zeitaufgelösten Ausmessung des Bearbeitungsbe­ reichs.This is achieved by using the input called procedure in the measurement of the average temperature of the Beam spots with one in the beam path of the laser radiation arranged optical decoupling device for the emitted Radiation for time-resolved measurement of the machining area empire.

Für die Erfindung ist von Bedeutung, daß bahngesteuerte Spiegel bzw. das in Verbindung mit diesen Spiegeln bekannte Verfahren beim Umwandlungshärten in Verbindung mit einer zeit­ aufgelösten Ausmessung des Bearbeitungsbereichs erfolgt, wofür die vorhandene Laseroptik in Verbindung mit einer optischen Auskoppeleinrichtung benutzt wird. Es entfällt eine zeitliche Auswertung eines sich ständig ändernden zweidimensionalen Bil­ des einer Kamera durch Berechnung. Das Überwachungs- bzw. Meß­ ergebnis ist stets ohne weiteres auf die jeweils bestrahlte Be­ arbeitungsstelle des Werkstücks zu beziehen. Dabei ist die ört­ liche Zuordnung zum gesamten Bearbeitungsbereich infolge der bekannten Bahnsteuerung der Spiegel völlig unproblematisch. Dementsprechend kann auch die Regelung bzw. Steuerung eines oder mehrerer Verfahrensparameter entsprechend zeit- bzw. orts­ aufgelöst erfolgen, ohne daß hierfür apparativer Aufwand oder Rechenaufwand notwendig wäre.It is important for the invention that path-controlled Mirror or the known in connection with these mirrors Process hardening in connection with a time resolved measurement of the machining area takes place for what the existing laser optics in connection with an optical one  Decoupling device is used. There is no temporal Evaluation of a constantly changing two-dimensional image of a camera by calculation. The monitoring or measuring result is always without further ado on the irradiated Be refer to the work place of the workpiece. The local assignment to the entire processing area as a result of known path control of the mirror completely unproblematic. Accordingly, the regulation or control of a or several process parameters according to time or location resolved without any expenditure on equipment or Computational effort would be necessary.

Eine Vorrichtung, mit der das vorbeschriebene Verfahren vorteilhaft durchgeführt werden kann, ist dadurch gekennzeich­ net, daß die optische Auskoppeleinrichtung in Richtung der vom Werkstück emittierten Strahlung hinter den bahngesteuerten Spiegeln angeordnet ist. Die Auskoppeleinrichtung kann infolge­ dessen vom Bearbeitungsbereich entfernt an geschützter und an geeigneter Stelle der Lasereinrichtung angeordnet werden, wie auch die Überwachungs- bzw. Meßeinrichtung für die emittierte Strahlung.A device with which the method described above can be advantageously carried out, is characterized net that the optical decoupling device in the direction of Workpiece emitted radiation behind the path controlled Mirroring is arranged. The decoupling device can result its remote from the editing area to protected and on suitable location of the laser device can be arranged, such as also the monitoring or measuring device for the emitted Radiation.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung erläutert. Es zeigt:The invention is based on a Darge in the drawing illustrated embodiment of a device explained. It shows:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zum Bewegen eines Laserstrahls über den Bearbeitungsbe­ reich eines Werkstücks, und Fig. 1 is a schematic representation of a device for moving a laser beam over the machining area of a workpiece, and

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Regelanordnung zur Beeinflussung der Laserleistung. Fig. 2 is a schematic representation of a control arrangement for influencing the laser power.

Gemäß Fig. 1 soll ein Bereich 14 der Werkstückoberfläche 10 eines Werkstücks 15 mit Laserstrahlung 11 bearbeitet werden. Der Bereich 14 kann also einem Umwandlungshärten, einem Legie­ ren, einem Umschmelzen, einem Beschichten oder einem sonstigen Verfahren ausgesetzt werden, bei dem die Werkstückoberfläche 10 erhitzt oder gar in flüssigem Zustand überführt wird. In jedem der Fälle sollte die Werkstücktemperatur an der bestrahlten bzw. bearbeiteten Stelle dem Bearbeitungsziel möglichst optimal angepaßt sein. Beispielsweise muß beim Härten die Temperatur der Bearbeitungsstelle mindestens die Umwandlungstemperatur er­ reichen, darf aber den Werkstoff nicht aufschmelzen. Außerdem muß auf die Bauteilgeometrie Rücksicht genommen werden, die durchaus abweichend von der Darstellung in Fig. 1 sein kann. Die Bauteile können beispielsweise unterschiedlich dick sein, so daß infolgedessen dünne Bereiche bei ungeänderter Laserleistung stärker oder länger erwärmt werden, als dicke Bereiche des Werkstücks. Das ergibt sich daraus, daß sich die Temperaturver­ teilung auf der Werkstückoberfläche 10 in Abhängigkeit von der Intensitätsverteilung und der Wärmeleitung des Werkstücks ein­ stellt. Beispielsweise bei dünnen Werkstückbereichen staut sich die ins Bauteil eingekoppelte Wärmeenergie und es kann zu uner­ wünschten Überhitzungen und Aufschmelzungen kommen. Unter­ schiedliche Bereiche des Bearbeitungsbereichs 14 müssen daher entsprechend individuell ausgemessen werden und auch ihre Er­ wärmung muß individuell geregelt werden.Referring to FIG. 1, a range 14 of the workpiece surface 10 of a workpiece to be processed 15 with laser radiation 11. The region 14 can thus be subjected to a transformation hardening, an alloying, a remelting, a coating or another method in which the workpiece surface 10 is heated or even transferred in the liquid state. In each case, the workpiece temperature at the irradiated or machined location should be optimally adapted to the machining target. For example, when hardening, the temperature of the processing point must at least reach the transition temperature, but must not melt the material. In addition, consideration must be given to the component geometry, which can be quite different from the illustration in FIG. 1. The components can be of different thicknesses, for example, so that consequently thin areas with unchanged laser power are heated more or longer than thick areas of the workpiece. This results from the fact that the temperature distribution on the workpiece surface 10 is a function of the intensity distribution and the heat conduction of the workpiece. For example, in the case of thin workpiece areas, the thermal energy coupled into the component builds up and undesirable overheating and melting can occur. Under different areas of the processing area 14 must therefore be individually measured accordingly and their heating must be regulated individually.

Nach Fig. 1 ist für die Erwärmung des Bearbeitungsbereichs 14 mit Laserstrahlung eine Strahlformung vorgesehen, die mit mehreren Spiegeln 12, 13 und 18, 19 vorgenommen wird. Zur Auf­ nahme von Spiegeln 18, 19 ist ein Spiegelgehäuse 20 vorhanden, in dessen Öffnung 21 der Laserstrahl 22 eintritt. Dessen Laser­ strahlung 11 trifft auf einen Umlenkspiegel einer Auskoppelein­ richtung 18, die als dichroitischer Spiegel ausgebildet ist. Dieser Umlenkspiegel ist für die einfallende Laserstrahlung 11 ein etwa 100%iger Reflektor, so daß die Laserstrahlung 11 mit ihm auf einen Fokussierspiegel 19 gelenkt wird, von dem aus die Laserstrahlung 11 zu den beiden beweglichen Spiegeln 12, 13 ge­ langt, die in Fig. 1 als Scannerspiegel bezeichnet sind. Der Spiegel 12 ist um eine zur Darstellungsebene senkrechte Achse schwenkbeweglich, während der Spiegel 13 um eine in der Dar­ stellungsebene liegende Achse schwenkbeweglich ist. Infolgedes­ sen kann der Laserstrahl mit einem Strahlfleck 17 den gesamten Bearbeitungsbereich 14 der Werkstückoberfläche 10 bestreichen. Hierzu sind die Spiegel 12, 13 bahngesteuert, sie überstreichen also die Werkstückoberfläche 10 bzw. deren Bearbeitungsbereich 14 wie durch eine Steuerung vorgegeben. Dabei kann auch der Strahlfleckdurchmesser verändert werden, beispielsweise durch Veränderung des Arbeitsabstands zwischen dem Spiegelsystem und dem Werkstuck 15, durch in den Strahlengang eingeschaltete Blenden oder durch Änderung der Fokussierung. Während derartige Änderungen darauf hinauslaufen, die Strahlungsintensität im Be­ reich des Strahlflecks zu ändern, kann die Größe und die Ge­ stalt des bestrahlten Bearbeitungsbereichs 14 am besten durch die Bahnsteuerung der Scannerspiegel 12, 13 beeinflußt werden.According to FIG. 1, a beam shaping is provided for the heating of the processing area 14 with laser radiation, which is carried out with several mirrors 12 , 13 and 18 , 19 . To take on mirrors 18 , 19 , a mirror housing 20 is present, in the opening 21 of the laser beam 22 enters. Whose laser radiation 11 strikes a deflecting mirror of a Auskoppelein device 18 , which is designed as a dichroic mirror. This deflecting mirror is an approximately 100% reflector for the incident laser radiation 11 , so that the laser radiation 11 is directed with it onto a focusing mirror 19 , from which the laser radiation 11 reaches the two movable mirrors 12 , 13 , which are shown in FIG. 1 are referred to as scanner mirrors. The mirror 12 is pivotable about an axis perpendicular to the plane of representation, while the mirror 13 is pivotable about an axis lying in the Dar position plane. As a result, the laser beam can coat the entire machining region 14 of the workpiece surface 10 with a beam spot 17 . For this purpose, the mirrors 12 , 13 are path-controlled, ie they sweep over the workpiece surface 10 or its processing area 14 as specified by a control. The beam spot diameter can also be changed, for example by changing the working distance between the mirror system and the workpiece 15 , by means of diaphragms switched on in the beam path or by changing the focusing. While such changes amount to changing the radiation intensity in the area of the beam spot, the size and shape of the irradiated machining area 14 can best be influenced by the path control of the scanner mirrors 12 , 13 .

Bei der Bearbeitung des Werkstücks 15 emittiert diese Wär­ mestrahlung 16, die vom Bearbeitungsbereich 14 in die Laserop­ tik zurückgelangt. Sie trifft dabei auf die Auskoppeleinrich­ tung 18, die sie jedoch infolge ihrer dichroitischen Ausbildung nicht weiter reflektiert. Insbesondere kann die Auskoppelein­ richtung 18 als eine dichroitische ZnSe-Platte ausgebildet wer­ den, welche Laserstrahlung mit der Wellenlänge von 10,6 µm zu 99% reflektiert, emittierte Strahlung mit der Wellenlänge von z. B. 1 µm jedoch durchtreten läßt, so daß diese durch den opti­ schen Filter zur Ausgrenzung unerwünschter Wellenlängen auf einen optoelektronischen Sensor trifft, der als Fotodetektor 23 ausgebildet ist. Das elektrische Signal des Fotodetektors wird über den Vorverstärker 24 auf den Ausgang 25 der Meßeinrichtung 26 gegeben. Die Auskoppeleinrichtung 18 kann auch ein Scraper­ spiegel oder ein Spiegel mit einem Beugungsgitter od. dgl. sein.When machining the workpiece 15, this emits heat radiation 16 , which returns from the machining region 14 into the laser optics. It meets the Auskoppeleinrich device 18 , which it does not reflect due to its dichroic training. In particular, the Auskoppelein device 18 can be designed as a dichroic ZnSe plate, which reflects 99% of the laser radiation with the wavelength of 10.6 µm, emitted radiation with the wavelength of z. B. 1 micron can pass, however, so that it meets through the opti's filter to exclude unwanted wavelengths on an optoelectronic sensor which is designed as a photodetector 23 . The electrical signal of the photodetector is given via the preamplifier 24 to the output 25 of the measuring device 26 . The decoupling device 18 can also be a scraper mirror or a mirror with a diffraction grating or the like.

Die Auskoppeleinrichtung 18 ist in Richtung der vom Werk­ stück 15 emittierten Strahlung hinter den bahngesteuerten Spie­ geln 12, 13 angeordnet. Infolgedessen wird die Auskoppeleinrich­ tung 18 jegliche aus dem Bereich des Strahlflecks 17 emittierte Strahlung 16 des Werkstücks 10 erfassen, unabhängig davon, wie die Spiegel 12, 13 bewegt werden. Es erfolgt immer eine präzise ausschließlich auf den Strahlfleck 17 beschränkte Messung. Zugleich mit dieser ortsaufgelösten Messung wird der Bearbei­ tungsbereich 14 auch zeitaufgelöst ausgemessen, das heißt in Abstimmung auf die zeitliche Bewegung des Strahlflecks 17 über den Bearbeitungsbereich 14. Es ist nicht erforderlich, beim Messen oder beim Digitalisieren des Meßergebnisses für jeden Zeitpunkt auf das Verweilverhalten des Strahlflecks 17 auf der Werkstückoberfläche 10 abzustimmen. Es wird immer nur die Tem­ peratur des augenblicklich bestrahlten Bereichs der Werkstück­ oberfläche 10 erfaßt, gemittelt über den Strahlfleckdurchmesser der Laserstrahlung 11. Es ist nur noch erforderlich, den Aus­ gang 25 der Meßeinrichtung 26 an den Regler 27 anzukoppeln. Die Meßeinrichtung stellt eine Regelgröße zur Verfügung, die im Regler 27 mit einer als Sollwert vorgegebenen Führungsgröße verglichen wird, so daß der Differenz entsprechend der Laser 28 gesteuert werden kann. Das ist in Fig. 2 blockschaltbildmäßig dargestellt. Diese Figur läßt im übrigen erkennen, daß vom Werkstück 10 emittierte Strahlung 16 mittels der nicht darge­ stellten Auskoppeleinrichtung 18 in die Meßeinrichtung 26 ge­ langt, also ohne daß dafür eine besondere Kamera erforderlich wäre.The decoupling device 18 is arranged in the direction of the radiation emitted by the workpiece 15 behind the path-controlled mirror gels 12 , 13 . As a result, the Auskoppeleinrich device 18 will detect any radiation 16 of the workpiece 10 emitted from the area of the beam spot 17 , regardless of how the mirrors 12 , 13 are moved. There is always a precise measurement that is limited exclusively to the beam spot 17 . At the same time as this spatially resolved measurement, the machining area 14 is also measured in a time-resolved manner, that is to say in coordination with the temporal movement of the beam spot 17 over the machining area 14 . It is not necessary to adjust the dwell behavior of the beam spot 17 on the workpiece surface 10 at any time during measurement or when the measurement result is digitized. Only the temperature of the currently irradiated area of the workpiece surface 10 is detected, averaged over the beam spot diameter of the laser radiation 11 . It is only necessary to couple the output 25 of the measuring device 26 to the controller 27 . The measuring device provides a controlled variable which is compared in controller 27 with a reference variable specified as a setpoint, so that the difference can be controlled in accordance with laser 28 . This is shown in block diagram form in FIG. 2. This figure shows, moreover, that radiation emitted by the workpiece 10 16 reaches the measuring device 26 by means of the decoupling device 18 not shown, ie without a special camera being required.

Wenn eine derartige orts- und zeitaufgelöste Ausmessung des Bearbeitungsbereichs 14 erfolgt, kann ohne Beeinträchtigung der Flexibilität des Laserhandhabungssystems ortsaufgelöst ge­ regelt werden. Beim Härten kompliziert geformter Bauteile ist es beispielsweise möglich, lokale Überhitzungen rechtzeitig zu erkennen und durch Temperaturregelung lokale Aufschmelzungen zu verhindern.If such a spatially and time-resolved measurement of the machining area 14 takes place, ge-resolved can be regulated without impairing the flexibility of the laser handling system. When hardening components of complex shapes, it is possible, for example, to identify local overheating in good time and to prevent local melting by temperature control.

Claims (2)

1. Verfahren zum Bearbeiten von Werkstückoberfläche (10) mit Laserstrahlung (11) beim Umwandlungshärten, Legieren, Um­ schmelzen, Beschichten od. dgl., bei dem im Strahlquer­ schnitt geformte Laserstrahlung (11) fokussiert und mit bahngesteuerten Spiegeln (12, 13) über den Bearbeitungsbe­ reich (14) des Werkstücks (15) bewegt wird, und bei dem der Bearbeitungsbereich (14) mittels vom Werkstück (15) emittierter Strahlung (16) optoelektronisch überwacht wird und ergebnisentsprechend Verfahrensparameter geregelt wer­ den, gekennzeichnet durch die Verwendung bei der Mes­ sung der mittleren Temperatur des Strahlflecks (17) mit einer im Strahlengang der Laserstrahlung (11) angeordneten optischen Auskoppeleinrichtung (18) für die emittierte Strahlung (16) zur zeitaufgelösten Ausmessung des Bearbei­ tungsbereichs (14).1. A method for machining the workpiece surface ( 10 ) with laser radiation ( 11 ) during transformation hardening, alloying, melting, coating or the like, in which the laser beam ( 11 ) shaped in the beam cross-section focuses and with path-controlled mirrors ( 12 , 13 ) the machining area ( 14 ) of the workpiece ( 15 ) is moved, and in which the machining area ( 14 ) is monitored optoelectronically by means of radiation ( 16 ) emitted by the workpiece ( 15 ) and result-related process parameters are regulated, characterized by use in measurement solution of the mean temperature of the beam spot ( 17 ) with an optical coupling device ( 18 ) arranged in the beam path of the laser radiation ( 11 ) for the emitted radiation ( 16 ) for the time-resolved measurement of the processing area ( 14 ). 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Auskoppeleinrichtung (18) in Richtung der vom Werkstück (15) emittierten Strahlung (16) hinter den bahngesteuerten Spiegeln (12, 13) angeordnet ist.2. Device according to claim 1, characterized in that the optical decoupling device ( 18 ) is arranged in the direction of the radiation ( 16 ) emitted by the workpiece ( 15 ) behind the path-controlled mirrors ( 12 , 13 ).
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