AT399117B

AT399117B - Verfahren zur automatisierten qualitätskontrolle für die lasermaterialbearbeitung

Info

Publication number: AT399117B
Application number: AT107191A
Authority: AT
Original assignee: Schuoecker Dieter Dipl Ing Dr; Aussenegg Franz Dr
Priority date: 1991-05-27
Filing date: 1991-05-27
Publication date: 1995-03-27
Also published as: ATA107191A

Description

AT 399 117 B

Die gegenständliche Erfindung betrifft eine Verfahren zur automatisierten Qualitätskontrolle für die Lasermateriaibearbeitung, bei dem im Bearbeitungskopf durch einen zwischen der Fokussierlinse und dem Werkstück angeordneten, um 45° gegen die Strahlachse geneigten, wellenlängenselektiven Spiegel die vom Werkstück rückgestreute und - reflektierte Strahlung um 90° umgelenkt und einem Detektor mit nachgeschalteter Auswertelektronik zugeführt wird.

Die Auswertung der Strahlung, die durch einen um 45° zur Stahlachse des Lasers verkippten, wellenlängenselektiven Spiegel aus der Strahlachse herausgespiegelt und einem Detektor zur Umwandlung in ein elektrisches Signal zugeführt wird, ist ein bekanntes Prinzip. Dabei gibt es grundsätzlich die beiden Möglichkeiten, entweder das gesamte Spektrum der rückreflektierten Strahlung zu erfassen, oder durch ein Schmalbandfiiter nur ein enges Frequenzintervail zu detektieren, wobei im letzteren Fall üblicherweise ein Hilfslaserstrahl geringer Leistung in die optische Achse des Bearbeitungslasers eingespiegelt wird, auf dessen Wellenlänge das Schmalbandfilter abgestimmt ist.

Eine Realisierungsmöglichkeit einer Detektoranordnung nach dem ersten Prinzip wird in EP-B1 168 605 angegeben, wo beim Aufschmelzlöten mittels NdYAG- Lasers durch einen IR-Detektor die Temperatur des Werkstücks bzw. die Intensität der reflektierten Laserstrahlung erfasst wird. Das Schmelzen des Lötmittels wird dabei entweder durch eine Änderung der Geschwindigkeit des Temperaturanstieges oder durch eine abrupte Änderung der Reflexion am Lötmittel erkennbar.

Die zweite Möglichkeit, die in der Verwendung eines leistungsschwachen Hilfslasers besteht, wird in EP-A2 331 891 dargestellt. Dabei wird das Aufschmelzen eines zu bondenden Drahtes über die Änderung des Reflexionsfaktors bei der Wellenlänge des HeNe- Hilfslasers detektiert.

Weiters sind Verfahren bekannt, bei denen beim Laserschweißen durch einen um den Bearbeitungsstrahl rotierenden (EP-A1 370 967), oder in einer zick-zack- Bewegung (EP-A2 266 764 über die Schweißnaht bewegten Hilfslaserstrahl, die Fokuslage detektiert, bzw. der Laser der Schweißnaht nachgeführt werden kann.

Alien diesen Verfahren ist gemein, daß sie nur eine relativ einfache Signaiverarbeitung des Detektorsignals vorsehen. Bei vielen Bearbeitungsprozessen kommt es jedoch zu komplizierten Fluktuationen des Signals, die bei oberflächlicher Betrachtung keine Rückschlüsse auf den Bearbeitungsvorgang zulassen, aus denen bei digitaler Verarbeitung der Signale jedoch viele Informationen gewonnen werden können.

Beim Laserschneiden etwa treten periodische Fluktuationen im geschmolzenen Bereich auf, die an den Schnittkanten eine riefenförmige Sturktur zurückiassen, die in vielen Anwendungsfällen äußerst störend ist. Ähnliche Prozesse führen beim Laserschweißen, beim Auf- und Umschmelzen zu rautenförmigen Strukturen im wiedererstarrten Bereich, die ebenfalls unerwünscht sind. Die Fluktuationen im aufgeschmolzenen Bereich, die diese Verschlechterung der Bearbeitungsqualität verursachen, gehen Hand in Hand mit periodischen Schwankungen der am Werkstück reflektierten und gestreuten Strahlung, unabhängig davon, ob die Strahlung des Bearbeitungslasers selbst, oder die eines Hilfslasers betrachtet wird.

Gemäß der Erfindung wird dieses komplexe Detektorsignal mithilfe eines Rechners einer Spektralanalyse, vorzugsweise durch Verwendung von FFT ("Fast Fourier Transformation") Algorithmen, unterzogen, woraus sich dann unmittelbar die Frequenz von Fluktuation und deren Amplitude ableiten läßt, wobei der Frequenzbereich zwischen 0 und 1 kHz besonders interessant ist.

In weiterer Folge können die so gewonnen Informationen über die Fluktuationen in der aufgeschmolzenen Zone dazu verwendet werden, den Quaiitätsstandard beim Laserschneiden, -schweißen, Auf- oder Umschmelzhärten mit dem Laserstrahl on-line zu überwachen und nötigenfalls die Bearbeitung sofort zu unterbrechen und die erforderlichen Maßnahmen zur Wiederherstellung des Qualitätsstandards, wie etwa die Durchführung von Servicearbeiten oder die Änderung von Maschineneinstellungen, einzuleiten.

Weiters können die aus dem Detektorsignal gewonnenen Informationen über die Fluktuationen in der Schmelzzone benützt werden, um Prozeßparameter, vorzugsweise die Laserleistung, den Schneid-, Bear-beitungs- und/oder Schutzgasdruck und/oder die Vorschubgeschwindigkeit zu regeln, um einen vorgegebenen Qualitätsstandard zu erreichen.

Figur 1 zeigt einen Bearbeitungskopf bekannter Bauart, der das gesamte Spektrum der rückreflektierten und -gestreuten Strahlung auskoppelt und das entprechende elektrische Detektorsignal einem Rechner zur Spektralanalyse zuführt.

Figur 2 zeigt einen Bearbeitungskopf bekannter Bauart, der die rückreflektierte und -gestreute Strahlung eines leistungsschwachen Hilfslasers auskoppelt und das entprechende elektrische Detektorsignal einem Rechner zur Spektralanalyse zuführt.

Im Bearbeitungskopf nach Fig.1 durchdringt die Strahlung des Bearbeitungslasers zunächst die Fokussierlinse (1) und danach zu einem hohen Prozentsatz den wellenlängenselektiven Spiegel (2). Der geringe, durch die unvermeidbare Restreflexion abgelenkte Teil der Strahlung des Bearbeitungslasers wird im Absorber (3) absorbiert. Die vom Werkstück (4) emittierte oder reflektierte, sichtbare Strahlung wird vom 2

Claims

AT 399 117 B wellenlängenselektiven Spiegel (2) zu einem hohen Prozentsatz (30-80%) reflektiert. Eine Linse (5) (Brennweite 10 cm) leitet sie in eine Lichtleitfaser (6) und diese fuhrt sie dem Photodetektor (7) zu. Der Detektor (7) kann auch an der Stelle der Einkoppelebene der Faser angebracht sein. Dann entfällt eine Lichtleitung durch die Faser. Zur Messung der Temperatur des bearbeiteten Volumens wird die emittierte Strahlung einem, an der Stelle des Detektors (7) befindlichen Strahlungspyrometer zugeführt. Zur Messung der reflektierten bzw. rückgestreuten Strahlung eines im sichtbaren emittierenden Hilfslaser nach Fig.2, muß die Hilfslaserstrahlung (10) dem bearbeiteten Volumen zunächst zugeführt werden. Dies geschieht in kollimierter Form durch das Fenster (11) und eine Bohrung im Reflektor (12). Zur Trennung der rückgestrahlten bzw. reflektierten Hilfslaserstrahlung von der vom glühenden Werkstück emittierten Temperaturstrahlung wird ein nur für die Hilfslaserstrahlung durchlässiges Schmalbandfilter (14) vor dem Detektor positioniert. Das vom Detektor (7) gelieferte elektrische Signal wird nach Verstärkung im Verstärker (8) im Personalcomputer (9) bezüglich der in ihm enthaltenen Frequenzen im Bereich von 0-1 kHz analysiert. Das Frequenzspektrum wird am Bildschirm dargestellt und/oder einer weiteren Datenverarbeitung zur Verfügung gestellt. Durch den Gaseinlaßnippel (15) wird das Bearbeitungsgas in den gasdicht gebauten Unterteil des Bearbeitungskopfes eingelassen. Es gelangt durch die Düse (14) zum Bearbeitungsbereich des Werkstük-kes. Patentansprüche 1. Verfahren zur automatisierten Qualitätskontrolle für die Lasermaterialbearbeitung, bei dem im Bearbeitungskopf durch einen zwischen der Fokussierlinse (1) und dem Werkstück angeordneten, um 45" gegen die Strahlachse geneigten, wellenlängenselektiven Spiegel (2) die vom Werkstück (4) rückgestreute und -reflektierte Strahlung um 90* umgelenkt und einem Detektor (7) mit nachgschalteter Auswertelektronik zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorsignal mittels eines Rechners (9) einer Spektralanalyse mit anschließender Auswertung der Fluktuationen nach Frequenz und Amplitude unterzogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spektrum zur on-line Überwachung der Riefenbildung beim Laserschneiden, bzw. der Rautenbildung beim Laserschweißen, Auf- oder Umschmelzhärten mit dem Laserstrahl, herangezogen wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Spektrum zur Regelung von Prozeßparametern, vorzugsweise der Laserleistung, des Schneid-, Bearbeitungs-und/oder Schutzgasdrucks und/oder der Vorschubgeschwindigkeit, verwendet wird. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 3