CN109996639A - 照射装置和具有该照射装置的加工机 - Google Patents

照射装置和具有该照射装置的加工机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于为执行焊接过程而借助加工射束、尤其借助激光射束(3)照射加工区(8)的照射装置(1)，具有：扫描装置(4)，用于将所述加工射束对准在所述加工区(8)中的加工位置(XP,YP)。照射装置(1)具有成像装置(9)，用于将所述加工区(8)的子区域成像到具有至少两个高温计部段的高温计(17)上，其中，成像装置(9)将从在加工区(8)中的加工位置(XP,YP)出发的热辐射(19)成像到第一高温计部段(20)上，成像装置(9)将从在加工区(8)中沿着加工射束在加工区(8)的进给方向(vR)位于加工位置(XP,YP)前面或后面的位置出发的热辐射(19)成像到至少一个第二高温计部段上。本发明还涉及一种具有这样的照射装置的加工机(10)。

Description

照射装置和具有该照射装置的加工机
技术领域
本发明涉及一种用于为执行焊接过程而借助加工射束、尤其借助激光射束照射加工区的照射装置，包括：扫描装置，用于将加工射束定向到加工区中的加工位置上。本发明还涉及一种对应的加工机，用于通过借助加工射束、尤其借助激光射束照射粉末层来制造三维构件，其中，加工机具有如上面所说明的照射装置，以便在加工区中照射粉末层。
背景技术
对于用于通过照射(金属)粉末层——该粉末层借助加工射束，例如借助激光射束逐层熔化(“激光金属熔合”，LMF)——制造三维构件的过程的质量监控和调节，需要监控熔化或者焊接过程、尤其监控在LMF过程中形成的熔池。对此最重要的特征量是在熔化物熔化和凝固时的温度和温度梯度，因为所述温度和温度梯度决定重要的构件特性。在本申请中，不对焊接和烧结过程进行区分；而是焊接过程也理解为烧结过程。
借助用于温度监控的、呈高温计形式或呈摄像机形式的常规传感器仅可对这些特征量进行不充分地感测。高温计是接收热辐射的光学温度测量器，根据热辐射可以确定温度。为此，通过光学成像，将热辐射从观察平面、在该情况中加工平面成像到传感器元件、更确切地说到高温计的传感器表面上。通常使用二极管作为传感器元件或者说高温计，该二极管仅感测在加工平面中的仅一个测量点或者说仅一个位置并且具有高灵敏度、测量动态性和测量速率。在这种高温计的情况下，例如可以将加工平面的一部分或具有1mm直径的测量光斑成像到二极管上，其中，在这种情况下，空间分辨率和测量光斑明显大于焦斑(50至100μm)。为了进行面式探测，使用通常构成笛卡尔传感器阵列的摄像机。所述摄像机具有高空间分辨率，但仅具有低的测量速率、测量动态性和灵敏度。
对于LMF过程的过程监控，由于在若干米/秒范围内的高进给速度，需要在100kHz范围内的测量速率。所需的测量动态性由构件温度(～200℃)和液态熔化物温度(～2000℃)之间的差产生。低温由于低辐射强度比高温更难借助高温计探测。因此，借助摄像机不能或仅能不充分地探测焊接过程在加工位置周围的整个温度走势。因此，现有方法的焦点放在熔池温度和熔池几何形状——其由于高温而与在熔池外的区域相比能够更简单地感测，但这对于有意义的过程调节通常是不够的。对于具有低进给速度的过程(例如激光焊接)已知基于摄像机的传感器，然而，该传感器不能转用到用于LMF过程的高测量速率。
由WO 2013/021173 A1已知一种用于选择性地组合颗粒状材料的方法和设备，其中，辐射被用于烧结一个层材料的子区域并且以这种方式产生三维体。在一个实施例中，传感器被用于确定烧结的子区域的温度。传感器可以是红外摄像机、单个的高温计或高温计阵列。多个辐射源可以用于提供辐射。也可以提供一个或多个滤波器，用于对由这多个辐射源中的至少一些辐射源产生的辐射进行滤波。
在EP 3023757 A1中已知一种使用在用于制造三维工件的设备中的高温探测装置，其中，该探测装置构造为用于接收热辐射。高温探测装置可以具有第一光学传感器和第二光学传感器，其中，所述第一和第二光学传感器配置为用于发出电信号，该电信号取决于在一个特定波长范围中的热辐射的强度。光学滤波器和/或与波长相关的分束器可以被用于将在所希望的波长范围内的入射热辐射引导到相应的探测器。可以通过考虑第一光学传感器的电信号和第二光学传感器的电信号之间的关系来计算表明辐射部位上的温度的值。
发明内容
本发明所基于的任务是提供一种照射装置和具有这样的照射装置的加工机，它们使得能够更好地监控焊接过程。
该任务根据本发明通过开头所述类型的照射装置解决，该照射装置还包括：成像装置，用于将加工区的子区域成像到具有至少两个高温计部段的高温计上，其中，成像装置将从加工区中的加工位置出发的热辐射成像到第一高温计部段上，并且其中，成像装置将从加工区中的沿着加工射束在加工区的进给方向位于加工位置前面和/或后面的位置出发的热辐射成像到至少一个第二高温计部段上。成像装置必要时可以构成高温计的一部分，然而，这不是强制必要的。成像装置在最简单的情况下是透镜。
在此所说明的照射装置中使用的高温计具有至少两个高温计部段，即通常是一个第一高温计部段以及多个第二高温计部段，所述至少两个高温计部段使得能够非接触式地感测在加工区中的多个位置处的温度并且基于所需的大于约100kHz的高测量速率使得能够实时地监控焊接过程。为此目的，成像装置将加工区的子区域成像到高温计上，该子区域包含当前加工位置或者说焦斑。加工区的被成像的、不强制是圆形的该子区域例如可以具有约2mm至约10mm的直径。成像装置具有对于由高温计感测的波长范围、通常是NIR波长范围具有足够透射率的光学零件或涂层。此外，成像装置应当构造为用于减少与加工区相关的色差。所照射的总热辐射在各高温计部段上集成地感测，即各一高温计部段构成一面区域，在该面区域上通常不能位置分辨地感测热辐射。
借助上面所说明的高温计，可以尤其感测在加工射束周围的以下温度：沿进给方向在加工位置前面的粉末温度和因此粉末的加热或构件的加热；在粉末熔化期间的温度梯度，所述温度梯度表征在所述过程期间加工射束、例如激光射束的有效功率；以及冷却速率(组织微结构，材料特性，残余应力等)。在足够多的第二高温计部段的情况下，不仅可以沿着进给方向，而且也可以沿其它方向、例如横向于进给方向确定在加工射束的周围的温度或温度梯度。例如，在粉末床面式熔化——在面式熔化的情况下产生多个彼此相邻和平行地延伸的热尾迹——的情况下，除分析评估当前产生的热尾迹外，也可以借助基本上横向于进给方向延伸的第二高温计部段探测或者成像尚未完全冷却的相邻热尾迹的热辐射。以这种方式可以探测温度梯度或者也可以探测在相邻的上个被照射的热尾迹中的冷却速率，即与加工位置的直接前面或后面相比在更长的时间段上探测。在这里所说明的高温计或照射装置不仅可以用于监视在用于制造三维构件的加工机中的焊接过程，而且也可以用在其它焊接过程、例如用于加工尤其板状的金属工件的激光焊接过程中或用于监控其它的高温过程。
在一个实施方式中，第一高温计部段和所述至少一个第二高温计部段在分段二极管的表面上形成或第一高温计部段和所述至少一个第二高温计部段经由相应的辐射传输装置与二极管处于连接中。通过使用以在这里所说明的方式构造的、用于探测热辐射的高温计，与在摄像机的情况下相比能够以更高的测量速率、测量动态性和灵敏度感测热辐射。通过将二极管的表面划分成电绝缘的不同部段的方式可以在一个分段二极管上实现这些高温计部段。对于划分可以使用对于制造二极管而言已知的微结构化过程，例如类似于四象限二极管的制造。在这种情况下，通过薄的印制导线，可以将电接触部引导至二极管的边缘并且从那里借助引线键合引导至电路板或壳体上。二极管背面的接触部使得能够实现共同的阳极或阴极。分段二极管的高温计部段的各个信号可以通过相应的AD转换器被数字化并且传导给分析评估/调节单元。在使用分段二极管的情况下，可以借助二极管表面的微结构化制造许多且复杂成形的二极管部段或者说高温计部段。但为了使高温计部段的光敏性最大化并且减轻分析评估的压力，高温计部段的数量不应选择得太大。
替代于在分段二极管的表面上实现高温计部段，高温计部段可以布置在一个共同的基板上并且通过相应的辐射传输装置与二极管或与其他热敏传感器处于连接中。在这种情况下，借助呈在几何上合适布置的多个导光锥形式的辐射传输装置，例如基于反射、全反射、折射或者衍射光具，在空间上分开地收集热辐射至常规二极管或其他热敏感传感器。必要时，高温计部段可以构成合适地布置的以及在几何上合适成型的光波导体的端部，这些端部布置在一个共同的基板上并且被用于将热辐射在空间上分开地收集和传导到以光纤耦合的(标准)二极管或其它导热传感器。
对于探测在焊接过程中、特别在LMF过程中的温度，经证明有利的是，使用具有在1.5μm到2.2μm的波长范围内的灵敏度的结构化二极管或传统二极管，例如铟镓砷二极管。
在另一实施方式中，照射装置附加地包括布置在加工区和第一高温计部段和/或所述至少一个第二高温计部段之间的滤波装置，用于尤其与波长相关地衰减从加工区出发的热辐射的强度。在热辐射照射到第一高温计部段之前使用减小热辐射强度的波长选择式滤波器装置，使得能够借助第一高温计部段直接探测在加工位置处的热辐射。必要时，可以在所述至少一个第二高温计部段和加工区之间布置通常不那么强烈地衰减热辐射的另外的滤波装置，以便探测经冷却的或仍待焊接的材料的热辐射。易于理解地，尤其在第二高温计部段方面不必使用滤波装置对热辐射进行滤波。通过使用个体化地配属于各高温计部段的、用于滤波热辐射的滤波装置可以以有利的方式针对在约300℃至约2000℃之间的待监控温度范围实现所需的测量动态性。
用于各高温计部段的滤波装置可以构造为与波长相关的带通滤波器。该带通滤波器尤其对于至少两个不同的波长是可透过的，使得可以在至少两个彼此充分不同的波长情况下探测热辐射。这是有利的，因为在单波长高温测定(其中，基本上在一个波长确定热辐射)的情况下，绝对温度仅在知道工件的辐射率的情况下确定。因为在LMF过程中发生相变(粉末、熔化、凝固)，所以相应的辐射率通常是未知的。通过多波长高温测定可以在没有辐射率常数的情况下确定温度。多波长高温计通常通过借助带通分束器分解观察光路来实现。在这里所提出的高温计中，滤波装置可以在高温计部段处(所述高温计部段在二极管的表面上或必要时在共同的基板上形成)通过将涂层直接施加到高温计部段上来实现。因此，在合适地设计相应滤波装置的特性的情况下，可以对每个高温计部段或每个测量点在多个波长处接收热辐射或者相应的信号，以便使得能够直接确定温度。
在另一实施方式中，在结构化二极管表面上的高温计部段中的至少两个高温计部段或经由相应的辐射传输装置与不同高温计部段连接的探测器、尤其呈二极管形式的探测器中的至少两个探测器对于从加工区出发的热辐射具有与波长相关的不同灵敏度。这些高温计部段自身或与相应高温计部段连接的尤其呈二极管形式的这些探测器可以由不同的材料制成，所述材料对于所照射的热辐射分别具有与波长相关的不同灵敏度。探测器或者结构化二极管的高温计部段可以具有各自不同的最大值-波长，在该最大值-波长的情况下，对于所照射的热辐射的灵敏度最大。这是有利的，因为如上面所说明的那样，温度范围——会在该温度范围中探测热辐射——在约200℃至约2000℃之间，这相应于热辐射的辐射最大值的波长的约1-5μm的偏移。探测器或者二极管或者分段二极管的高温计部段的材料对被成像到相对应的高温计部段上的热辐射的辐射最大值的波长的适配可以显著改善在探测热辐射时的信号质量。在此可以利用：二极管根据所使用的(半导体)材料的类型具有与波长相关的不同灵敏度。如果高温计部段在分段二极管的表面上形成，则可将不同的半导体材料以二极管小板的形式彼此键合。如果高温计部段布置在一个共同的表面上并且通过例如呈光波导体形式的相应辐射传输装置与相应的探测器连接，则可以使用具有与波长相关的不同灵敏度的探测器类型或不同类型的二极管或二极管材料。
在一个扩展方式中，结构化二极管的第一高温计部段或与第一高温计部段连接的探测器在最大值-波长的情况下具有最大灵敏度，该最大值-波长小于结构化二极管的第二高温计部段中的至少一个第二高温计部段的最大值-波长或与第二高温计部段连接的至少一个探测器的最大值-波长。如上面所说明地，来自不同温度范围的热辐射根据高温计部段在高温计表面上的布置而被成像到不同的高温计部段上。具有最高温度并且因此具有在最小波长情况下的辐射最大值的热辐射被成像到第一高温计部段上。因此，有利的是，第一高温计部段或者与其连接的探测器的最大值-波长小于第二高温计部段的最大值-波长。在第二高温计部段布置在围绕居中的第一高温计部段的多个环部段中的情况下，所照射的热辐射的温度随着到居中的第一高温计部段的距离增大而减小。相应地，替代或附加于上面所说明的措施可以有利的是，对于布置在靠外的环形区域中的第二高温计部段使用这样的材料，在所述材料的情况下的最大值-波长与布置在靠内的环形区域中的第二高温计部段的情况相比处于较大的波长。
在另一实施方式中，第一高温计部段和/或第二高温计部段具有外轮廓，该外轮廓具有至少一个弯曲的、尤其圆弧形的棱边。如上面所说明地，高温计部段可以与长方形或正方形的几何形状不同，以便改善热辐射的探测。以这种方式，可以这样地构型每单位面积的高温计部段数量和分析评估装置或者说分析评估电子装置，使得对于LMF过程产生具有足够高的测量速率、动态性、灵敏度和空间分辨率的高温计数据。附加地，也能够以这种方式减小数据传输率。
在另一实施方式中，第一高温计部段是圆形的。这有利于能够仅探测通常也是圆形的焦斑的热辐射。成像装置通常这样地构造，使得焦斑的尺寸或直径(在考虑成像比例的情况下)大致相应于第一高温计部段的直径。以这种方式实现，第二高温计部段可以探测在焦斑外的热辐射。
在另一实施方式中，高温计具有至少两个构造为环部段的第二高温计部段。在焊接过程中、尤其在LMF过程中，加工射束在加工平面内在所有方向上移动或者旋转，使得热尾迹或者熔池在视域中、即在加工区的借助成像装置成像的子区域中旋转。为了区分从沿加工方向在工作位置前面的位置出发的热辐射和从沿加工方向在工作位置后面的位置出发的热辐射，只要在高温计的视域中的移动路径可以被近似地假设为直线，则高温计部段以180°区别就已足够，也就是说，使用分别沿周向方向延伸经过约180°的角度区域并且彼此直接邻接的两个环部段就已足够。但如果进给方向与两个高温计部段之间的分隔接片或者说边界重合，则该做法会导致两个直接相邻的环形高温计部段都被热辐射加载，这使测量结果失真。
因此，为了可靠地区别从在工作位置前面的位置出发的热辐射和从在工作位置后面的位置出发的热辐射，需要可以例如构造为环形区域的至少三个高温计部段，所述环形区域延伸经过约120°的角度区域，但也可以使用延伸经过约90°的角度区域的四个高温计部段。高温计部段或者区的更大的数量使得能够实现更高的空间划分或者说更高的分辨率并且从而也将温度特征与在LMF过程中产生的相邻于当前产生的热尾迹延伸并且尚未足够强地冷却的热尾迹分开，由于尚未足够强地冷却，所以所述热尾迹同样发出热辐射。在设计高温计部段的布局和数量时，必须在空间分辨率、灵敏度和分析评估的复杂性之间找到平衡。
在LMF过程中，如果在位于下面的粉末层中已存在熔化过程，或者因为加工腔室被预热到尽可能高的温度以便在待制造的三维构件中产生的应力尽可能小，则粉末床或粉末层也可能在加工位置或者说焦斑前面被加热。通过区分从在工作位置前面的位置出发的热辐射和从在工作位置后面的位置出发的热辐射，不但能够确定在粉末床中在过程前面或者说在加工位置前面的温度，而且能够确定在过程后面、即在加工位置后面的冷却速度。
在另一实施方式中，构造为环部段的第二高温计部段绕着第一高温计部段旋转对称地布置。如上面所说明地，热尾迹在LMF过程中在所有方向上旋转，使得高温计部段的旋转对称布置是有利的。因为加工位置或者说焦斑通常始终被成像到第一高温计部段上——所述第一高温计部段位置固定地布置在高温计或者说高温计面(在该高温计面上形成高温计部段)的中心处，所以可借助环绕的第二高温计部段尤其确定熔池的几何形状和面积。由于在焦斑中的高温和由此引起的强的热信号，第二高温计部段也可以在这种情况下构造成具有相对较小的面积。
在另一实施方式中，第二高温计部段布置在多个同心环中。使用多个同心环使得能够确定在加工区内与加工位置相隔不同距离地布置的多个位置处的热辐射或温度并且由此提高在确定温度或温度梯度时的位置分辨率。
在一个实施方式中，高温计布置在与加工射束同轴地延伸的观察光路中，即观察光路和加工射束相对彼此同轴地(并且沿相反方向)延伸，直至观察光路由加工射束耦出为止。该耦出例如可以在分束器上进行，其中，分束器通常布置在扫描装置和高温计之间。以这种方式，观察光路始终延伸经过扫描装置，而与扫描装置将加工射束定向到哪个加工位置无关。以这种方式，测量区，即加工区的被成像到高温计上的子区域随加工位置一起移动，即，与加工区中的加工位置无关地，热辐射从加工位置被成像到第一高温计部段上。
在另一实施方式中，照射装置包括控制和/或调节装置，用于预给定在加工射束运动经过加工区时的进给方向。如上面所说明地，加工射束借助扫描装置被引导到加工区上的不同加工位置处，其中，在加工区中的当前扫描方向和因此进给方向通常与位置相关地变化，具体而言根据待制造的三维构件变化。易于理解地，控制和/或调节装置也控制或者说调节LMF过程的其它参数，例如加工射束的强度和因此在加工位置处的温度。
在另一实施方式中，照射装置包括分析评估装置，该分析评估装置构造为用于根据预给定的进给方向辨识沿进给方向布置在加工位置前面或后面的第二高温计部段。如上面所说明地，加工射束在加工平面内沿所有方向移动和旋转，使得热尾迹和熔池在视域和加工区的借助成像装置被成像的子区域中旋转。在使用例如构造为环部段的第二高温计部段时，在预给定的进给方向的情况下，典型地，各环的仅唯一一个高温计部段沿进给方向位于加工位置前面并且仅唯一一个环部段沿进给方向位于加工位置后面。易于理解地，除了沿进给方向位于加工位置前面或者后面的高温计部段外，必要时可以分析评估另外的第二高温计部段，以便确定另外的温度值并且以这种方式提高在确定温度时的位置分辨率。
在另一实施方式中，分析评估装置构造为用于确定在加工位置处的温度、在加工区中在加工位置前面的位置处的温度和/或在加工区中在加工位置后面的位置处的温度，并且优选地用于根据所述温度中的至少两个温度确定至少一个温度梯度。温度或温度梯度的确定使得能够获得关于LMF过程的以下附加信息：沿进给方向在加工位置前面的粉末温度，即基于LMF过程的粉末加热或者构件加热；在粉末熔化时的梯度，即在LMF过程中的有效功率；在熔池中的温度(过热)；以及冷却速率，即组织的微观结构、材料特性和材料的残余应力。这些信息不但可以被用于评价加工结果(过程监视)，而且可以被用于过程调节。例如可以通过测量在加工位置前面的粉末温度来及时适配加工射束或者说激光射束的功率。由此可以修正粉末预热的不均匀性以及不均匀的构件加热(例如由于横截面变化)。通过观察构件的冷却速率或者说整个热历史，例如可以评估残余应力的形成和过程的均匀性。也可以测量在约300℃及以上的低温度下的在当地的粉末预热。也可以以这种方式将热传导、输入的辐射功率以及扫描或者进给速度的影响分开。
在另一实施方式中，控制和/或调节装置构造为用于根据至少一个由分析评估装置确定的温度和/或根据至少一个温度梯度调节加工射束在加工区中的功率和/或进给速度。如上面所说明地，例如可以在加工射束到达加工位置之前，根据在加工射束的加工位置前面的位置处的粉末温度、即根据前走向和/或根据在加工射束的加工位置后面的温度或者温度梯度来适配、即增大或减小加工射束的功率，以便及时地、即实时地修正在粉末加热中的不均匀性。替代地或附加地，可以将温度梯度例如呈冷却速率的形式确定出，以便确定在粉末床的层熔化时有多少热量存储在构件中或者在粉末床中。为了熔化随后的粉末层或者说粉末覆层可以使用其它加工参数，例如可以合适地适配激光参数、尤其激光功率和/或进给速度。
在粉末床的面式熔化时、即在照射连贯面时产生多个彼此相邻且平行的热尾迹。在这种情况下，除分析评估当前产生的热尾迹外，基本上在进给方向的侧向延伸的高温计部段也可以探测或者成像尚未完全冷却的相邻热尾迹的热辐射。以这种方式也可以探测在相邻的先前被照射的一个或多个热尾迹中的温度梯度和/或冷却速率，并且这些信息可以在产生当前热尾迹方面被考虑用于调节加工参数，例如加工激光射束的功率和/或进给速度。这样的调节不实时进行，因此能够简单地实现。
本发明的另一方面涉及用于通过借助加工射束、尤其借助激光射束照射粉末层来制造三维构件的加工机，其中，加工机具有如上面所说明的照射装置以及具有加工腔室，加工腔室具有用于施加粉末层的载体。照射装置通常通过保护玻璃或类似装置与加工腔室隔开，加工射束穿过保护玻璃进入到加工腔室中。照射装置通常关于加工腔室这样地布置，使得扫描装置的加工区——加工射束聚焦在所述加工区中——与应借助加工射束照射的粉末层的位置相一致。易于理解地，加工机还具有使得能够施加各粉末层的其它结构元件。在加工腔室中必要时可以存在相对于周围环境减小的压力或者存在真空，然而，所述加工腔室也可以用不与粉末反应的惰性气体充注。
如上面所说明地，在LMF过程中进给速度或扫描速度非常大，使得用于进给速度相对低的传统加工过程、例如传统激光焊接过程的现有解决方案是不可用的：例如在传统的激光焊接过程中通过提高摄像机的测量动态性借助多次曝光进行温度测量，这在LMF过程中由于较高的扫描速度而是不可能的。在LMF过程中，在已知的解决方案中更多地借助摄像机***(IR或可见波长范围)和/或借助二极管拍摄熔池。然而，以这种方式仅感测熔池的温度和几何形状。在此，不能测量对于构件特性重要的冷却行为以及粉末的加热过程；这只有通过上面所说明的照射装置才能够实现。在这里所说明的加工机的情况下，可以根据以上面所说明的方式求出的粉末温度、在加热期间和/或冷却期间的温度实现LMF过程的调节。理想地，也能够在待制造的三维构件的每个位置或部位处测量出完整的温度曲线。这通过更高的测量动态性、在测量热辐射时的更高的灵敏度、由于更少的像素而比在传统的摄像机中更小的数据传输率以及伴随而来的更快的测量速率实现。
附图说明
由说明书和附图得到本发明的其它优点。同样地，上述特征和还进一步列举的特征可以单独使用或以多个成任意组合使用。所示出和说明的实施方式不应被理解为最终的穷举，而是具有用于描述本发明的示例性的特征。附图示出了：
图1具有用于照射加工区的照射装置的加工机的一个实施例的示意图，
图2加工区的具有熔池和焦斑的子区域的示图，在所述焦斑处形成加工位置，
图3a、b高温计示图，其分别具有居中的第一高温计部段和围绕居中的第一高温计部段的16个、199个高温计部段，其中，高温计部段在分段二极管的表面上形成，以及
图4具有基板以及具有用于将热辐射传输到二极管的辐射传输装置的高温计的示图，所述基板具有多个高温计部段。
在下面的附图描述中，对于相同或者功能相同的构件使用相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出照射装置1的示例性结构，该照射装置具有呈激光源形式、例如呈Nd：YAG激光器或光纤激光器形式的射束源2，用于产生呈激光射束3形式的加工射束。扫描装置4具有第一和第二扫描镜5a,5b，它们能够借助对应的旋转驱动器6a,6b绕着两个旋转轴线旋转，这两个旋转轴线在所示的示例中与XYZ坐标系的X方向和Y方向相一致。在光路中在扫描装置4之前布置有(自适应的)聚焦装置7，该聚焦装置聚焦激光射束3，以便将由扫描装置4偏转的激光射束3聚焦在加工区8中，以及以便将激光射束3定向在加工区8上的所希望的加工位置XP,YP处。
照射装置1是用于制造三维构件11的加工机10的一部分。加工区8相应于一XY平面，在该XY平面中布置有被施加到载体13、更确切地说载体板上的粉末床的如在图1所示的最上面的粉末层12。载体13布置在加工腔室14中，该加工腔室具有供激光射束3穿过的视窗15。
(自适应的)聚焦装置7尤其用于将从聚焦装置7射出的激光射束3的射束轴线Z与在加工区8上的加工位置XP,YP无关地定向成基本上垂直于XY平面或者说粉末层12，所述加工区在合适地定位照射装置1的情况下与以预给定高度H布置在载体13上方的粉末床12的XY平面相一致。易于理解地，与在图1中所示的不同，粉末层12不是仅局限于三维构件11的已制成部分的上侧面，而更确切地说形成粉末床的最上面的层，所述粉末床在载体13的整个上侧面上延伸直到高度H。对于激光射束3的基本上垂直于XY平面的定向，替代或补充于聚焦装置7地也可以使用F/theta物镜。
粉末层12，更确切地说粉末层12的在图1中所示的区域——该区域应被照射以用于制造三维构件11的一附加层，并且该区域因而与待制造的构件11的几何形状相一致——在图1所示的示例中被加工机10、例如被照射装置1的控制和/或调节装置29分为四个在图1中所示的面式的子区域以及另外的子区域，所述另外的子区域基本上包含构件11在相应高度H处的内轮廓线和外轮廓线以及另外的位于内部的轮廓线，所述位于内部的轮廓线将在相应的高度H处的四个面式的子区域彼此分开。
如在图1中所示地，激光射束3在加工区8中沿着在所示的示例中相应于负X方向的进给方向vR或者说扫描方向运动。从加工区8的在图2中所示的圆形子区域16出发的热辐射19被呈中继光具9形式、例如呈物镜形式的、在图1中为了简化而示出为透镜的成像装置成像到在图1中所示的高温计17上。在此，热辐射19沿着观察光路3a将激光射束3的光路在相反的方向上穿过，并且热辐射19在分束镜18上由激光射束3的光路耦出。高温计17居中地布置在热辐射19的观察光路3a中，使得成像装置9将从位于子区域16中的加工位置XP,YP出发的热辐射19成像到在图3a中在俯视图中所示的高温计17的圆形的第一高温计部段20上。
第一高温计部段20被多个第二高温计部段21a-d,22a-d,23a-d,24a-d包围，这些第二高温计部段布置在围绕第一高温计部段20的四个同心环R1至R4中。加工区8的在图2中所示的子区域16借助成像装置9成像到被高温计17的第一和第二高温计部段20,21a-d,22a-d,23a-d,24a-d覆盖的圆形面上。在此这样地选择成像比例，使得焦斑B的直径基本上与第一高温计部段20的直径一致。
第二高温计部段21a-d,22a-d,23a-d,24a-d分别构造为环段并且分别在周向方向上延伸经过90°的角度，即分别延伸经过一个象限。第二高温计部段21a-d,22a-d,23a-d,24a-d绕着第一高温计部段20旋转对称地布置。
如对于第一环形区域R1的在图3a中左侧所示的第二高温计部段21a示例性地所示那样，构造为环部段的第二高温计部段21a-d,22a-d,23a-d,24a-d分别具有一个外轮廓，该外轮廓具有沿径向位于内部的圆弧形外棱边27b以及沿径向位于外部的圆弧形外棱边27a，这两个外棱边通过在径向方向上延伸的两个笔直的外棱边相互连接。
在图3a所示的示例中，高温计构造为分段二极管17，并且高温计部段20,21a-d,22a-d,23a-d,24a-d在所述分段二极管的表面17a(参见图1)上形成。在呈分段二极管17形式的高温计中，圆形的第一高温计部段20以及第二高温计部段21a-d,22a-d,23a-d,24a-d可以借助二极管17的表面17a的微结构化产生，使得所述第一高温计部段和所述第二高温计部段可以电隔离地接触。易于理解地，通过二极管17的微结构化也可以制造在几何上以不同于在图3a中的方式成型的第一和第二高温计部段20,21a-d,22a-d,23a-d,24a-d。
在图2中所示的被监控的区域16包含焦斑B——激光射束3在该焦斑处照射到粉末层12上并且在该焦斑的中心形成加工位置XP,YP——以及熔池S的前部区段，在熔池中形成熔化的粉末。与进给方向vR相反地、即在图2中右侧，粉末材料变冷的热尾迹衔接到熔池S上，该热尾迹在所示的示例中不位于加工区8的子区域16内。
在加工位置XP,YP处的温度TP通常在约2000℃的数量级中，并且构成焊接过程的最大温度，而在焦斑B周围的温度明显更低，因此射到高温计17上的热辐射19的强度与在焦斑B处的强度相比也明显更小。可以有利的是，在加工区8和第一高温计部段20和/或所述第二高温计部段21a-d,22a-d,23a-d,24a-d中的至少一个第二高温计部段之间的光路中布置有滤波装置，以便衰减从子区域16或者说从加工区8出发的热辐射19。
在呈结构化二极管17形式的高温计的情况下，这种滤波装置能够以涂层的形式被施加到高温计部段20,21a-d,22a-d,23a-d,24a-d中的各个高温计部段上。在图3a中通过阴影线示出这样的以涂层的形式被施加到居中的第一高温计部段20上的滤波装置26。滤波装置26用于衰减从加工位置XP,YP或者说焦斑B出发的热辐射19，在焦斑处发出热辐射19的最大强度。为此目的，滤波装置26可以构造为带通滤波器，该带通滤波器对于与黑体或灰体在约2000℃的温度TP情况下的最大辐射相对应的波长仅具有低透射率。
相应地，必要时也可以在第二高温计部段21a-d,22a-d,23a-d,24a-d上进行滤波。为了确定在加工位置XP,YP以及在加工区8的被成像的子区域16中的其他位置处(参见下文)的温度TP，可以有利的是，滤波装置26构造为带通滤波器，该带通滤波器这样地设计，使得热辐射19在两个不同波长的情况下透射，所述两个波长对于相应的高温计部段20,21a-d,22a-d,23a-d,24a-d被分开探测，以便以这种方式直接地、即在不知道辐射率的情况下推导出在加工位置XP,YP处或其它位置处的温度TP。
替代或附加于使用滤波装置26，结构化二极管17的高温计部段20,21a-d,22a-d,23a-d,24a-d可以由不同的材料制造，更确切地说由对于从加工区8的子区域16出发的热辐射19具有与波长相关的不同灵敏度的材料制造。在图3a所示的示例中，第一高温计部段20在最大值-波长λ1MAX的情况下具有最大灵敏度，该最大值-波长适配于具有约2000℃温度的黑体或灰体的热辐射19的最大辐射的波长。与此相对地，在第一环形区域R1中的第二高温计部段21a-d在(更大的)最大值-波长λ2MAX的情况下具有最大灵敏度，该(更大的)最大值-波长适配于照射到第一环形区域R1中的第二高温计部段21a-d上的热辐射19的相应较低的温度。第一高温计部段20的最大值-波长λ1MAX小于第一环形区域R1中的第二高温计部段20的最大值-波长λ2MAX。相应地，在第二环形区域R2中的高温计部段22a-d也可以在比在第一环形区域R1中的第二高温计部段20的最大值-波长λ2MAX更大的最大值-波长的情况下具有最大灵敏度，等等。
在图2中示出沿进给方向vR(相应于扫描方向)位于加工位置XP，YP前面的四个位置XP+4,YP；XP+3,YP；XP+2,YP；XP+1,YP以及沿进给方向vR位于加工位置XP,YP后面的四个位置Xp-1,YP；XP-2,YP；XP-3,YP；XP-4,YP。在所示的示例中，在图2中所示的位置XP+4,YP；XP+3,YP；XP+2,YP；XP+1,YP及Xp-1,YP；XP-2,YP；XP-3,YP；XP-4,YP，更确切地说它们各自与加工位置XP,YP的距离这样选择，使得它们大致位于在图3a左侧所示的第二高温计部段21a,22a,23a,24a的中间及大致位于在图3a右侧所示的第二高温计部段21c,22c,23c,24c的中间。对于沿进给方向vR在加工位置XP,YP前面的各位置XP+4,YP；XP+3,YP；XP+2,YP；XP+1,YP，可以在照射装置1的分析评估装置28(参见图1)中根据照射到相应的第二高温计部段21a,22a,23a,24a上的热辐射19确定对应的温度TP+4,TP+3,TP+2,TP+1。对于沿进给方向vR在加工位置XP,YP后面的各位置Xp-1,YP；XP-2,YP；XP-3,YP；XP-4,YP，相应地也可以在分析评估装置28中根据照射到相应的第二高温计部段21c,22c,23c,24c上的热辐射19确定对应的温度Tp-1TP-2,TP-3,TP-4。
分析评估装置28构造为用于根据由控制和/或调节装置29预给定的、为分析评估装置28所已知的进给方向vR辨识在当前进给方向vR的情况下定位在加工位置XP,YP前面的第二高温计部段21a,22a,23a,24a以及在当前进给方向vR的情况下布置在加工位置XP,YP后面的第二高温计部段21c,22c,23c,24c。易于理解地，例如在进给方向vR相对于在图3a所示的进给方向vR旋转90°时，则分别参考在图3a中布置在上方的第二高温计部段21b,22b,23b,24b及在图3a中布置在下方的第二高温计部段21d,22d,23d,24d用于确定相应的温度。对于进给方向vR如在图3a中所示那样延伸的情况，在图3a中布置在上方的第二高温计部段21b,22b,23b,24b及在图3a中布置在下方的第二高温计部段21d,22d,23d,24d可以用于确定横向于或者基本上横向于进给方向vR的温度或者温度梯度ΔT。这尤其在粉末床的面式熔化的情况下是有利的，在面式熔化时产生多个彼此相邻且平行地延伸的热尾迹，使得以这种方式也可以由分析评估装置28分析评估尚未完全冷却的相邻的热尾迹。
分析评估装置28也可以被考虑用于根据相应温度Tp+4,TP+3,TP+2,TP+1,TP,Tp-1TP-2,TP-3,TP-4确定温度梯度ΔT，其方式例如是：形成两个温度之间的差、例如TP+4-TP+3并且以该差除以在加工区8中的两个对应位置XP+4，XP+3之间的(基于成像装置9的成像比例而已知的)距离A：ΔT＝(TP+4-TP+3)/A。
借助控制和/或调节装置29可以根据至少一个由分析评估装置28确定的温度Tp+4,TP+3,TP+2,TP+1,TP,Tp-1TP-2,TP-3,TP-4和/或相应的温度梯度ΔT调节焊接过程，其方式例如是：这样地调设激光射束3的功率P和/或进给速度vR，使得温度Tp+4,TP+3,TP+2,TP+1,TP,Tp-1TP-2,TP-3,TP-4中的一个或多个温度或者说一个或多个温度梯度ΔT处于预给定的值范围内。确定尤其在热尾迹的区域中的温度梯度ΔT经证明有利于确定热历史并且因此确定三维工件的材料组织的微观结构。借助控制和/或调节装置29对焊接过程进行的调节可以实时进行，然而也可能的是，逐层地进行调节，即针对施加的一整个粉末层3例如以冷却速率形式确定温度梯度ΔT，以便确定：在粉末床的一个粉末层3熔化期间在构件中或在粉末床中储存有多少热量。对于后续的粉末层3的熔化，可以使用其它加工参数，即例如可以合适地适配激光功率P和/或进给速度vR。
尤其对于高温计17具有多个第二高温计部段25的情况下，控制和/或调节装置29也可以用于：使用由分析评估装置28提供的、关于尚未完全冷却的相邻热尾迹的信息，用于在产生当前热尾迹方面调节加工参数、例如加工激光射束3的功率P和/或进给速度vR。这样的调节不实时进行，因此能够简单地实施。
易于理解地，照射区域8的由成像装置9成像到高温计17上的子区域16也可以比在图2中所示的大，使得在图2中于右侧位于熔池S旁的热尾迹也被成像到高温计17上。子区域16的直径例如可以在约2mm至约10mm之间变化。成像装置9必要时可以构造为变焦物镜，以便实现不同的成像比例。
图3b示出呈分段二极管形式的高温计17的另一示例，所述高温计与在图3a中所示的示例的不同之处在于，第二高温计部段25布置在围绕居中的第一高温计部段的五个环形区域R1至R5中。在图3b所示的示例中，围绕第一高温计部段20布置有199个第二高温计部段25，这些第二高温计部段的面积在所示的示例中分别是等大的。将分段二极管17尤其在周向方向上划分为更大数量的高温计部段20,25有利于提高位置分辨率并且以这种方式避免：在之前的焊接过程中已经产生的尚未完全冷却的工件材料或粉末的热辐射19影响沿着进给方向vR的温度测量。
图3a,b所示的分段二极管17的特点在于：高的填充系数；由于整体设计而具有的高稳定性；以及，以经济的方式实现多个高温计部段的可能性。必要时，除在图3a或图3b中所示的分段二极管17外，高温计还可以具有另外的二极管或热敏传感器，它们用于探测加工区8的与加工位置XP,YP隔得更远的区域的热辐射19。
图4示出高温计17的一示例，该高温计与在图3a,3b中所示的高温计17的不同之处首先在于，第一高温计部段20和第二高温计部段21a,21b,22a,22b,23a,23b布置在一个共同的表面30上的三个环形区域R1至R3中。此外，第二高温计部段21a,21b,22a,22b,23a,23b分别延伸经过180°的角度区域，这对于将第二高温计部段21a,21b,22a,22b,23a,23b配属于在加工位置XP,YP前面及后面的(未示出的)位置是足够的，只要进给方向vR不精确地沿着相邻高温计部段21a,21b,22a,22b,23a,23b之间的边界延伸即可。第一高温计部段20和第二高温计部段21a,21b,22a,22b,23a,23b分别经由辐射传输装置31,31a,31b,...与呈传统二极管32，32a,32b形式的探测器处于连接中，就像在图4中对于第一高温计部段20以及对于第一环形区域R1的两个高温计部段21a,21b示例性地所示那样。辐射传输装置31,31a,31b,...使得能够在空间上分开地收集照射到相应高温计部段20,21a,21b,22a,22b,23a,23b上的热辐射19。
辐射传输装置31,31a,31b,...在几何上合适地设置用于形成至相应的二极管32,32a,32b,...的导光锥或者导光装置并且例如可以基于反射、全反射、折射或衍射的光具。在所示的示例中，作为辐射传输装置31,31a,32b,...使用呈光纤形式的光波导体，这些光纤用于在空间上分开地收集热辐射19并且将其从表面30传导至在这种情况下以光纤耦合的标准二极管32,32a,32b,...。表面30——成像装置9将热辐射19成像到该表面上——例如可以构成例如呈光纤集束形式的多芯光波导体的端侧，所述多芯光波导体的芯如在图4中所示地在其端侧上绕着中心环形地布置。高温计部段20,21a,21b,22a,22b,23a,23b的在图4中所示的横截面或者说端侧可以经由多芯光波导体的呈例如具有圆形横截面的光纤形式的不同光波导体31,31a,32b,...被引导至相应的二极管32,32a,32b,...。通过光波导体31,31a,32b,...，可以将热辐射19引导到相应的标准二极管32,32a,32b,...上。
如上面结合图3a已经所说明地，二极管32,32a 32b,...可以由不同的材料构成，这些材料适配于照射到各高温计部段20,21a,21b 22a,22b,23a,23b上的热辐射19的相应预期温度范围中的最大辐射的波长。例如，配属于第一高温计部段20的二极管32可以具有比配属于布置在第一环形区域R1中的两个高温计部段21a,21b的两个二极管32a,32b的最大值-波长λ2MAX更小的最大值-波长λ1MAX。在图4所示的示例中，相对于使用由于接头等而不能直接相邻地布置的多个彼此并排地布置的二极管实现了更高的填充系数。

Claims (16)

1.一种用于为执行焊接过程借助加工射束、尤其借助激光射束(3)照射加工区(8)的照射装置(1)，包括：
扫描装置(4)，用于将加工射束定向到所述加工区(8)中的加工位置(XP,YP)上，
其特征在于，
成像装置(9)，用于将所述加工区(8)的子区域(16)成像到具有至少两个高温计部段(20；21a-d,22a-d,23a-d,24a-d；25)的高温计(17)上，其中，所述成像装置(9)将从在所述加工区(8)中的加工位置(XP,YP)出发的热辐射(19)成像到第一高温计部段(20)上，并且其中，所述成像装置(9)将从在所述加工区(8)中的至少一个位置(XP+4,YP；XP+3,YP；XP+2,YP；XP+1,YP；Xp-1,YP；XP-2,YP；XP-3,YP；XP-4,YP)出发的热辐射(19)成像到至少一个第二高温计部段(21a-d,22a-d,23a-d,24a-d；25)上，所述至少一个位置沿着加工射束在所述加工区(8)中的进给方向(vR)位于所述加工位置(XP,YP)前面和/或后面。
2.按照权利要求1所述的照射装置，在该照射装置中，所述第一高温计部段(20)和所述至少一个第二高温计部段(21a-d,22a-d,23a-d,24a-d；25)在结构化二极管(17)的表面(17a)上形成或经由相应的辐射传输装置(31,31a,31b,...)与相应的探测器、尤其二极管(32,32a,32b,...)处于连接中。
3.按照权利要求1或2所述的照射装置，还包括：布置在所述加工区(8)和所述第一高温计部段(20)和/或所述至少一个第二高温计部段(21a-d,22a-d,23a-d,24a-d；25)之间的滤波装置(26)，用于尤其与波长相关地衰减从所述加工区(8)出发的热辐射(19)。
4.按照权利要求2或3所述的照射装置，在该照射装置中，在结构化二极管(17)的表面(17a)上的高温计部段(20；21a-d,22a-d,23a-d,24a-d；25)中的至少两个高温计部段或经由相应的辐射传输装置(31,31a,31b,...)与不同的高温计部段(20,21a,b,22a,b,23a,b,24a,b)连接的探测器(32,32a,32b,...)中的至少两个探测器对于从所述加工区(8)出发的热辐射(19)具有与波长相关的不同灵敏度。
5.按照权利要求4所述的照射装置，在该照射装置中，所述结构化二极管(17)的第一高温计部段(20)或与所述第一高温计部段(20)连接的探测器(32)在最大值-波长(λ1MAX)的情况下具有最大灵敏度，该最大值-波长小于所述结构化二极管(17)的第二高温计部段(21a-d,22a-d,23a-d,24a-d；25)中的至少一个第二高温计部段的最大值-波长或小于与第二高温计部段(21a,21b)连接的至少一个探测器(32a,32b)的最大值-波长(λ2MAX)。
6.按照前述权利要求中任一项所述的照射装置，在该照射装置中，所述第一高温计部段(20)和/或所述第二高温计部段(21a-d,22a-d,23a-d,24a-d；25)具有至少一个弯曲的、尤其圆弧形的外棱边(27a,b)。
7.按照前述权利要求中任一项所述的照射装置，在该照射装置中，所述第一高温计部段(20)是圆形的。
8.按照前述权利要求中任一项所述的照射装置，所述照射装置具有构造为环部段(21a-d,22a-d,23a-d,24a-d；25)的至少两个第二高温计部段。
9.按照权利要求5所述的照射装置，在该照射装置中，构造为环部段(21a-d,22a-d,23a-d,24a-d；25)的第二高温计部段关于所述第一高温计部段(20)旋转对称地布置。
10.按照权利要求5或6所述的照射装置，在该照射装置中，所述第二高温计部段(21a-d,22a-d,23a-d,24a-d；25)布置在多个同心环(R1至R4；R1至R5；R1至R3)中。
11.按照前述权利要求中任一项所述的照射装置，在该照射装置中，所述高温计(17)布置在与所述加工射束(3)同轴地延伸的观察光路(3a)中。
12.按照前述权利要求中任一项所述的照射装置，还包括：控制和/或调节装置(29)，用于预给定在所述加工射束运动经过所述加工区(8)时的进给方向(vR)。
13.按照权利要求10所述的照射装置，还包括：分析评估装置(28)，所述分析评估装置构造为用于根据预给定的进给方向(vR)辨识沿进给方向(vR)布置在加工位置(XP,YP)前面的第二高温计部段(21a,22a,23a,24a,25a)和沿进给方向(vR)布置在加工位置(XP,YP)后面的第二高温计部段(21c,22c,23c,24c,25c)。
14.按照权利要求11所述的照射装置，在该照射装置中，所述分析评估装置(28)构造为用于确定在所述加工位置(XP,YP)处的温度(TP)、在所述加工区(8)中在所述加工位置(XP,YP)前面的位置(XP+4,YP；XP+3,YP；XP+2,YP；XP+1,YP)处的和/或在所述加工区(8)中在所述加工位置(XP,YP)后面的位置(XP-1,YP；XP-2,YP；XP-3,YP；XP-4,YP)处的温度(TP+4,TP+3,TP+2,TP+1,TP,TP-1,TP-2,TP-3,TP-4)，并且优选地构造为用于根据所述温度中的至少两个温度(TP+4,TP+3)确定至少一个温度梯度(ΔT)。
15.按照权利要求12所述的照射装置，在该照射装置中，所述控制和/或调节装置(29)构造为用于根据由分析评估装置(28)确定的至少一个温度(TP+4,TP+3,TP+2,TP+1,TP,TP-1,TP-2,TP-3,TP-4)和/或所述温度梯度(ΔT)调节加工射束在所述加工区(8)中的功率(P)和/或进给速度(vR)。
16.一种用于通过借助加工射束、尤其借助激光射束(3)照射粉末层(12)来制造三维构件(11)的加工机(10)，其中，所述加工机(10)具有按照前述权利要求中任一项所述照射装置(1)以及具有加工腔室(14)，该加工腔室具有用于施加所述粉末层(12)的载体(13)。
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