DE102005010381B4

DE102005010381B4 - Verfahren zur Vermessung von Phasengrenzen eines Werkstoffes bei der Bearbeitung mit einem Bearbeitungsstrahl sowie zugehörige Vorrichtung

Info

Publication number: DE102005010381B4
Application number: DE102005010381A
Authority: DE
Inventors: Boris Dipl.-Ing. Regaard; Anas Cand.-Ing. Moalem; Jan Dr.rer.nat. Michel; Peter Dipl.-Ing. Abels; Stefan Dr.-Ing. Kaierle; Wolfgang Dr.rer.nat. Schulz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2005-03-07
Filing date: 2005-03-07
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2025-03-08
Also published as: WO2006094488A1; EP1863612A1; EP1863612B1; US8207471B2; DE502006008328D1; US20090032512A1; ATE488322T1; DE102005010381A1

Abstract

Verfahren zur Vermessung von Phasengrenzen eines Werkstoffes bei der Bearbeitung eines Werkstücks (12) mit einem Bearbeitungsstrahl, insbesondere mit einem Laserstrahl, bei dem
– während der Bearbeitung eine einen Auftreffort des Bearbeitungsstrahls (1) auf dem Werkstück (12) umfassende Bearbeitungszone (13) zusätzlich zumindest annähernd koaxial zum Bearbeitungsstrahl (1) mit optischer Strahlung (2) beleuchtet wird,
– von der Bearbeitungszone (13) reflektierte Strahlung (3) parallel oder unter einem kleinen Winkel zu einer Einfallsrichtung der optischen Strahlung (2) mit einem optischen Detektor (9) ortsaufgelöst erfasst wird, um ein optisches Reflexionsmuster der Bearbeitungszone (13) zu erhalten,
dadurch gekennzeichnet,
dass mit einem Bildverarbeitungsalgorithmus automatisiert ein Verlauf ein oder mehrerer Phasengrenzen flüssig/fest in der Bearbeitungszone (13) anhand eines Übergangs von einem Bereich mit einem großflächigen homogenen Gebiet in einen Bereich mit vielen kleinflächigen homogenen Gebieten im optischen Reflexionsmuster bestimmt wird.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung von Phasengrenzen eines Werkstoffes bei der Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Bearbeitungsstrahl, insbesondere mit einem Laserstrahl, sowie eine Vorrichtung für die Bearbeitung eines Werkstücks, der zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens ausgebildet ist.
Zur Erzielung eines zufrieden stellenden Bearbeitungsergebnisses ist die Überwachung des Bearbeitungsprozesses bei der Bearbeitung von Werkstoffen mit energetischer Strahlung sehr wichtig. Dies betrifft auch die Lasermaterialbearbeitung, ein bevorzugtes Anwendungsgebiet des vorliegenden Verfahrens, bei der ein Laserstrahl beispielsweise zum Schweißen, zum Schneiden oder zum Auftragen oder Generieren über die Oberfläche eines Werkstücks geführt wird. Bei diesem Prozess schmilzt der Werkstoff im Bereich des Auftreffpunkts des Laserstrahls auf das Werkstück kurzzeitig auf, wobei in der Regel gleichzeitig Werkstoff von der festen oder flüssigen in die gasförmige Phase übergeht und damit abgetragen wird. Eine Beobachtung der Prozesse in dieser Bearbeitungszone während der Laserbearbeitung ist für die Überwachung des Bearbeitungsprozesses wünschenswert.
Stand der Technik
Zur automatisierten Beurteilung von Bearbeitungsprozessen mit Hochenergiestrahlung ist es bekannt, die Sekundärstrahlung des Bearbeitungsprozesses koaxial oder lateral zur Bearbeitungsstrahlung mit geeigneten optischen Sensoren oder Detektoren zu beobachten. Hierbei handelt es sich in der Regel entweder um Plasma- bzw. Metalldampfstrahlung im Wellenlängenbereich zwischen 400 nm und 650 nm oder um Prozesswärmestrahlung im Wellenlängenbereich zwischen 900 nm und 10 μm. Die Analyse der Plasmastrahlung erlaubt Aussagen über die Keyhole-Geometrie, beispielsweise über die Einschweißtiefe bei Schweißprozessen, sowie über die Plasma- bzw. Metalldampfausbreitung. Die Analyse der Wärmestrahlung liefert Informationen über die relative Temperaturverteilung auf und über dem Werkstück.

So betrifft beispielsweise die DE 19716293 A1 eine Vorrichtung zur Regelung von Schweißparametern beim Laserstrahl-Schweißen, bei der eine Auswertung von CCD-Bildern des Schmelzbereiches auf der Grundlage der Sekundärstrahlung erfolgt.

Weiterhin sind Vorrichtungen zur Beobachtung von Laserstrahlschweißprozessen bekannt, welche die Bearbeitungszone lateral zum Bearbeitungsstrahl mit Strahlquellen hoher Leistungsdichte beleuchten und lateral zum Bearbeitungsstrahl mit einer Kamera beobachten. Auf diese Weise kann beispielsweise Spritzerbildung über der Bearbeitungszone visualisiert werden.

Die JP 2001-287064 beschreibt ein Verfahren zur Visualisierung des Bearbeitungsbereiches bei der Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Bearbeitungsstrahl, bei dem die Bearbeitungszone zumindest annähernd koaxial zum Bearbeitungsstrahl mit optischer Strahlung beleuchtet und von der Bearbeitungszone reflektierte Strahlung mit einem optischen Detektor ortsaufgelöst erfasst wird. Das erhaltene Bild wird zur Überwachung des Bearbeitungsprozesses an einem Monitor in Echtzeit dargestellt.

Aus der DE 19852302 A1 ist ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mit Hochenergiestrahlung bekannt, bei dem durch zusätzliche Fremdbeleuchtung eine Lichtlinie in der Umgebung des Bearbeitungsbereiches erzeugt wird, um während der Bearbeitung beispielsweise durch ein Lichtschnittverfahren optische Messungen am Werkstück durchzuführen. Hierbei wird auch auf die Möglichkeit einer Vermessung des an der Bearbeitungsstelle erzeugten Schmelzbades hingewiesen, ohne jedoch anzugeben, wie eine derartige Vermessung erfolgen soll.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Vermessung von Phasengrenzen eines Werkstoffes bei der Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Bearbeitungsstrahl sowie eine für die Durchführung des Verfahrens ausgebildete Vorrichtung anzugeben, mit denen sich der Verlauf der Phasengrenze flüssig/fest in der Bearbeitungszone bestimmen lässt.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren sowie der Vorrichtung der Patentansprüche 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Bei dem vorliegenden Verfahren wird eine den Auftreffort des Bearbeitungsstrahls auf dem Werkstück umfassende Bearbeitungszone während der Bearbeitung zusätzlich zumindest annähernd koaxial zum Bearbeitungsstrahl mit optischer Strahlung beleuchtet. Von der Bearbeitungszone reflektierte optische Strahlung wird parallel oder unter einem kleinen Winkel zur Einfallsrichtung der optischen Strahlung bzw. des Bearbeitungsstrahls auf das Werkstück mit einem optischen Detektor ortsaufgelöst erfasst, um ein optisches Reflexionsmuster der Bearbeitungszone zu erhalten. Aus dem optischen Reflexionsmuster wird dann mit einem Bildverarbeitungsalgorithmus automatisiert der Verlauf ein oder mehrerer Phasengrenzen flüssig/fest in der Bearbeitungszone anhand eines Übergangs von einem Bereich mit einem großflächigen homogenen Gebiet in einen Bereich mit vielen kleinflächigen homogenen Gebieten im optischen Reflexionsmuster bestimmt.

Bei dem vorliegenden Verfahren wird ausgenutzt, dass die Werkstücke bei der Materialbearbeitung mit einem Bearbeitungsstrahl, insbesondere bei der Lasermaterialbearbeitung, in festem bzw. erstarrtem Zustand Oberflächenrauhigkeiten aufweisen, die bei zur Oberfläche senkrechter oder nur gering geneigter Beleuch tung ein unregelmäßiges Reflexionsmuster erzeugen. Die schmelzflüssige Phase hingegen weist eine wesentlich geringere Rauhigkeit auf, so dass sie ein im Vergleich zu den genannten Oberflächenrauhigkeiten großflächiges homogenes Reflexionsmuster erzeugt. Dieses Reflexionsmuster wird beim vorliegenden Verfahren mit einem optischen Detektor, vorzugsweise einer Kamera, ortsaufgelöst in zumindest annähernd senkrechter Rückreflexion, d.h. zumindest annähernd parallel zum Beleuchtungsstrahl oder Bearbeitungsstrahl, erfasst und ausgewertet. Der Verlauf der Phasengrenze flüssig/fest kann anhand des Übergangs großflächiger homogener Gebiete des Reflexionsmusters in Bereiche mit einer Vielzahl von demgegenüber kleinflächigen homogenen Gebieten bestimmt werden, die ein unregelmäßiges Reflexionsmuster ergeben. Auf diese Weise lässt sich durch die koaxial mit dem Bearbeitungsstrahl nahezu senkrechte Beleuchtung der Bearbeitungszone und die ortsaufgelöste Erfassung der von der Bearbeitungszone parallel zur Einfallsrichtung rückreflektierten optischen Strahlung der Verlauf der Phasengrenze zwischen der Schmelze und dem noch oder wieder festen Werkstoff während der gesamten Bearbeitung überwachen. Das Verfahren erfordert lediglich eine Oberflächenstruktur des Werkstücks mit einer geeigneten Rauhigkeit, um die Phasengrenze flüssig/fest in der dargestellten Weise in einem Reflexionsmuster erkennen zu können. Diese Werkstückrauhigkeit ist bei den meisten Anwendungen automatisch gegeben.

Mit dem vorliegenden Verfahren lässt sich somit während der Bearbeitung der Verlauf der Phasengrenze flüssig/fest des bearbeiteten Werkstoffes in der Bearbeitungszone vermessen. Die Bestimmung des Verlaufs der Phasengrenze kann dabei mit einem geeigneten Bildverarbeitungsalgorithmus automatisiert erfolgen. Das Verfahren ist vor allem für die Lasermaterialbearbeitung vorteilhaft einsetzbar, wobei alle Arten von Laserstrahlquellen, beispielsweise CO₂-Laser, Nd:YAG-Laser oder Diodenlaser, als Strahlquellen für den Bearbeitungsstrahl eingesetzt werden können. Das Verfahren ist für alle Bearbeitungsprozesse geeignet, bei denen das optische System zur Führung des Bearbeitungsstrahls eine Beleuchtung und Beobachtung der Bearbeitungszone parallel zum Bearbeitungsstrahl erlaubt. Ein Beispiel ist die Lasermaterialbearbeitung mit CO₂-Lasern, bei der die Bearbeitungszone beispielsweise durch eine Bohrung im Fokussierspiegel für die Laserstrahlung beleuchtet und beobachtet werden kann. Ein weiteres Beispiel ist die Lasermaterialbearbeitung mit Nd:YAG-Lasern, bei der die Beleuchtung und Beobachtung beispielsweise durch einen dichroitischen Spiegel in der Bearbeitungsoptik hindurch erfolgen kann.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des vorliegenden Verfahrens werden aus dem optischen Reflexionsmuster weiterhin ein oder mehrere Bereiche der Schmelze des Werkstoffes bestimmt, in denen die Flächennormale auf die Oberfläche der Schmelze innerhalb vorgebbarer Grenzen annähernd parallel zum Bearbeitungsstrahl liegt. Aus dieser Bestimmung lassen sich Informationen über die dreidimensionale Oberflächenform der Schmelze ableiten. Die vorgebbaren Grenzen des Winkels der Flächennormalen zur Strahlachse des Bearbeitungsstrahls lassen sich über den Beleuchtungswinkel bzw. Beleuchtungswinkelbereich zu dieser Strahlachse einstellen. Der maximal mögliche Beobachtungswinkel ist dabei durch die Abbildungseigenschaften der Beleuchtungs- und Detektionsoptik vorgegeben. Bereiche der Schmelze, deren Flächennormale innerhalb dieser vorgebbaren Grenzen des Winkels zur Strahlachse des Bearbeitungsstrahls liegt, reflektieren großflächig und erscheinen im Reflexionsmuster hell, während Bereiche mit stärker zu dieser Strahlachse geneigter Flächennormalen nicht in das optische System, d.h. auf den Detektor, rückreflektieren. Diese Bereiche sind im Reflexionsmuster dunkel, so dass die jeweiligen Bereiche ohne weiteres aus dem Reflexionsmuster bestimmt werden können.

Die optische Strahlung zur Beleuchtung der Bearbeitungszone wird vorzugsweise so gewählt, dass die durch die Bearbeitung erzeugte Sekundärstrahlung gegenüber der reflektierten optischen Strahlung mit einem optischen Filter zumindest teilweise unterdrückt werden kann. Dieser optische Filter wird vor dem optischen Detektor angeordnet, so dass das Reflexionsmuster von der ebenfalls einfallenden Sekundärstrahlung nicht oder nur in einem geringen Maße beeinflusst wird. Auch die Intensität der optischen Strahlung zur Beleuchtung der Bearbeitungszone muss ausreichend groß gewählt werden, um die auf den Detektor treffende Sekundärstrahlung zu überstrahlen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der optische Filter so gewählt, dass auch ein ausreichender Anteil an Sekundärstrahlung vom optischen Detektor erfasst wird, ohne die Auswertung des Reflexionsmusters der reflektierten optischen Strahlung negativ zu beeinflussen. Aus der erfassten Sekundärstrahlung kann dann zusätzlich die Phasengrenze flüssig/gasförmig bestimmt werden, die sich vor allem durch unterschiedliche Temperaturen und somit eine unterschiedliche Helligkeit im langwelligen Strahlungsbereich erkennen lässt.

Beim vorliegenden Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung erfolgt die Auswertung des Reflexionsmusters automatisiert durch ein geeignetes Bildverarbeitungsprogramm. Dieses Bildverarbeitungsprogramm muss lediglich in der Lage sein, dunkle und helle Bildbereiche sowie homogene und stark in der Helligkeit variierende Bereiche zu identifizieren und die Bereichsgrenzen zu bestimmen. Das vorliegende Verfahren lässt sich damit bei der Bearbeitung des Werkstücks vollkommen automatisiert durchführen.

Die für die Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Bearbeitungsstrahl ausgebildete Vorrichtung umfasst einen Bearbeitungskopf, der zumindest Einkoppelöffnungen für den Bearbeitungsstrahl und den Beleuchtungsstrahl, eine Strahlformungsoptik und einen Umlenkspiegel für den Bearbeitungsstrahl, eine Beleuchtungsoptik sowie einen ortsauflösenden optischen Detektor aufweist. Die Strahlformungsoptik und der Umlenkspiegel sind derart angeordnet, dass sie den Bearbeitungsstrahl entlang einer Strahlachse durch eine Austrittsöffnung auf eine vor dem Bearbeitungskopf liegende Bearbeitungsebene richtet. Die Beleuchtungsoptik ist derart im Bearbeitungskopf angeordnet, dass sie den über die zugehörige Einkoppelöffnung einge koppelten Beleuchtungsstrahl zumindest annähernd koaxial zur Strahlachse des Bearbeitungsstrahls durch den entsprechend ausgebildeten Umlenkspiegel hindurch auf die Bearbeitungsebene richtet. Der optische Detektor ist zur ortsaufgelösten Erfassung der von der Bearbeitungsebene parallel oder unter einem kleinen Winkel zur Strahlachse rückreflektierten optischen Strahlung ausgebildet und entsprechend am Bearbeitungskopf befestigt. Der optische Detektor ist mit einer Auswerteeinrichtung verbunden, die mit einem Bildverarbeitungsalgorithmus eine Auswertung des erfassten Reflexionsmusters zur Bestimmung des Verlaufs der ein oder mehreren Phasengrenzen anhand eines Übergangs von einem Bereich mit einem großflächigen homogenen Gebiet in einen Bereich mit vielen kleinflächigen homogenen Gebieten im optischen Reflexionsmuster automatisiert durchführt.

Ein besonderer Vorteil des vorliegenden Verfahrens sowie der zugehörigen Vorrichtung besteht darin, dass durch die zumindest annähernde koaxiale Beleuchtung und Beobachtung der Bearbeitungszone keinerlei Abschattung oder Verzerrung der Bearbeitungszone im Reflexionsmuster auftritt. Die Phasengrenze zwischen Schmelze und festem Werkstoff kann somit zu jedem Zeitpunkt der Bearbeitung zuverlässig erfasst werden. Die automatische Bildverarbeitung ermöglicht eine Überwachung des Bearbeitungsprozesses in Echtzeit, die auch zur Steuerung oder Regelung dieses Prozesses eingesetzt werden kann.

Als Beleuchtungsquellen können beliebige Lichtquellen eingesetzt werden, deren Intensität ausreichend hoch gegenüber der Intensität der Sekundärstrahlung ist oder die sich in für den Nachweis ausreichendem Maße durch einen optischen Filter von dieser Sekundärstrahlung trennen lassen. Vorzugsweise wird als Beleuch tungsquelle ein Laser, vorzugsweise in Form einer Laserdiode eingesetzt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorliegende Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des durch die Patentansprüche vorgegebenen Schutzbereichs nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 schematisch die Verhältnisse bei der Laserbearbeitung eines Werkstücks mit gleichzeitiger koaxialer Beleuchtung der Bearbeitungszone;
2 zwei Aufnahmen der Bearbeitungszone gemäß dem vorliegenden Verfahren, die ein Reflexionsmuster zeigen;
3 ein erstes Beispiel für einen Bearbeitungskopf gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 ein zweites Beispiel für einen Bearbeitungskopf gemäß der vorliegenden Erfindung; und
5 zwei weitere gemäß dem vorliegenden Verfahren erhaltene Aufnahmen, die ein Reflexionsmuster der Bearbeitungszone zeigen.
Wege zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt schematisch die Verhältnisse bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens zur Bearbeitung eines Werkstücks 12 mit einem Bearbeitungsstrahl, im vorliegenden Fall einem Laserstrahl 1. Der Laserstrahl 1 wird über die Fokussieroptik 4, von der in der Figur lediglich ein Teil zu erkennen ist, auf die Oberfläche des Werkstücks 12 fokussiert. Durch die hohe Intensität des Laserstrahls 1 wird am Auftreffort der Werkstoff lokal in die gasförmige Phase 15 überführt und zum Teil lokal angeschmolzen, wie dies durch die Schmelze 14 in der 1 veranschaulicht ist.
Koaxial zum Laserstrahl 1 wird die Bearbeitungszone 13 beim vorliegenden Verfahren mit optischer Strahlung 2 beleuchtet, wie dies schematisch mit den durchgezogenen Pfeilen angedeutet ist. Diese optische Strahlung 2 wird an der Oberfläche der Bearbeitungszone 13 reflektiert und annähernd parallel zur Einfallsrichtung der optischen Strahlung 2 bzw. zum Laserstrahl 1 rückreflektierte Strahlanteile 3 werden mit einer Kamera ortsaufgelöst erfasst. Diese Kamera ist in der 1 nicht dargestellt. Bei dieser Aufnahme mit der Kamera wird ein Reflexionsmuster der Bearbeitungszone 13 erhalten, das durch den örtlichen Intensitätsverlauf der rückreflektierten Strahlanteile 3 zustande kommt.
Anteile 2a der optischen Strahlung 2, die auf die Oberfläche der Schmelze 14 treffen, werden in etwa mit gleicher Intensität auf den optischen Detektor rückreflektiert. Dies ergibt einen großflächigen homogenen Bereich im Reflexionsmuster. Anteile 2b der optischen Strahlung 2, die auf den noch festen oder wieder erstarrten Bereich des Werkstückes 12 treffen, werden aufgrund der Oberflächenrauhigkeit stark gestreut und ergeben ein kleinflächiges Reflexionsmuster. Dies ist in den beiden Aufnahmen der koaxial beleuchteten Bearbeitungszone der 2 ersichtlich, die in der linken Abbildung ein Reflexionsmuster beim Schneiden und in der rechten Abbildung ein Reflexionsmuster beim Schweißen mit Nd:YAG-Laserstrahlung zeigt. Die in diesen Figuren erkennbare Grenzlinie zwischen dem großflächigen homogenen Bereich, der den aufgeschmolzenen Bereich 16 repräsentiert, und dem Bereich mit dem kleinflächigen, unregelmäßigen Reflexionsmuster, der den festen Bereich 17 repräsentiert, stellt die Phasengrenze zwischen der flüssigen Phase und der festen Phase dar.
Die Rückreflexion im Bereich der Schmelze hängt auch von der Richtung der lokalen Flächennormalen auf die Oberfläche der Schmelze ab. Bereiche der Schmelze, deren Flächennormalen in einstellbaren Grenzen parallel zur Laserstrahlpropagation liegt, reflektieren die optische Strahlung in die Kamera, während Bereiche mit zur Laserstrahlpropagation geneigter Flächennormalen nicht in die Kamera rückreflektieren. Diese Bereiche sind in der Kameraaufnahme somit dunkel. Dies ist ebenfalls in der 2 erkennbar. Aus der Grenzlinie zwischen hellen und dunklen großflächigen homogenen Bereichen lässt sich somit eine Information über die Form der Oberfläche der Schmelze gewinnen.
3 zeigt ein Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Die Figur zeigt den Bearbeitungskopf mit der Strahlformungs- bzw. Fokussieroptik 4 und dem dichroitischen Umlenkspiegel 6, mit denen der über eine Faser 10 eingekoppelte Laserstrahl 1 auf die Oberfläche des Werkstücks 12 gerichtet wird. Bei der Bearbeitung wird das Werkstück 12 mit der Geschwindigkeit v_S unter dem Laserstrahl 1 hindurchbewegt, um das gewünschte Bearbeitungsergebnis zu erzielen. Die vorliegende Vorrichtung weist weiterhin eine Einkoppelöffnung für den Beleuchtungsstrahl 2 auf, im vorliegenden Fall ein Laserstrahl einer Laserdiode. Der Beleuchtungsstrahl 2 wird über eine Strahlteilerplatte 7 durch den dichroitischen Umlenkspiegel 6 hindurch zur Beleuchtung der Bearbeitungszone 13 des Werkstücks eingesetzt. Es versteht sich von selbst, dass die Wellenlänge des Beleuchtungsstrahls 2 geeignet gewählt sein muss, damit die Beleuchtung durch den dichroitischen Spiegel 6 hindurch erfolgen kann. Die Strahlformung erfolgt über eine Optik 5 in Verbindung mit dem für die Laserstrahlformung eingesetzten werkstückseitigen Teil der Fokussieroptik 4.
Die von der Werkstückoberfläche rückreflektierten optischen Strahlanteile 3 nehmen den gleichen Weg zurück durch die Strahlteilerplatte 7 hindurch auf eine CMOS-Kamera 9, die ein ortsaufgelöstes Bild der von der Bearbeitungszone 13 rückreflektierten Strahlung aufzeichnet. Die CMOS-Kamera 9 ist in diesem Beispiel, wie auch im nächsten Beispiel der 4, mit einer nicht dargestellten Auswerteeinrichtung verbunden, die die Reflexionsmuster der Aufnahmen zur Bestimmung der gewünschten Phasengrenzen auswertet.
4 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung, bei der abweichend von der Ausgestaltung der 3 der Beleuchtungsstrahl 2 ringförmig aufgespalten wird und auf einen Scraper-Spiegel 8 trifft, über den er in gleicher Weise wie bei 3 auf die Bearbeitungszone 13 des Werkstücks 12 gerichtet wird. Die von der Bearbeitungszone 13 rückreflektierten Strahlanteile 3 können durch die Öffnung im Scraper-Spiegel 8 direkt auf die CMOS-Kamera 9 treffen. Diese Kamera ist senkrecht zur Strahlachse des Bearbeitungs-Laserstrahls 1 ausgerichtet, kann jedoch auch unter einem geringen Winkel zu dieser Achse geneigt sein.
Als Erweiterung des Verfahrens kann zusätzlich zur Erfassung und Auswertung des Reflexionsmusters der in dieser Figur nicht dargestellte optische Filter vor der CMOS-Kamera 9 so gewählt werden, dass das Prozesseigenleuchten an der Phasengrenze flüssig/gasförmig ebenfalls von der Kamera detektiert wird. Damit kann aus der dem Reflexionsmuster überlagerten Intensitätsverteilung auch diese Phasengrenze automatisch bestimmt werden. 5 zeigt hierzu zwei Beispiele für Aufnahmen der koaxial beleuchteten Bearbeitungszone 13 beim Schneiden mit Nd:YAG-Laserstrahlung bei Beobachtung mit einem im Verhältnis zu 2 breitbandigen optischen Filter. In diesen Aufnahmen ist der dem Reflexionsmuster überlagerte Anteil der Prozesseigenstrahlung im Zentrum ersichtlich, der im linken Teil mit dem hellen Bereich die gasförmige Phase 18 zeigt.

1: Bearbeitungs-Laserstrahl
2: Optische Strahlung / Beleuchtungsstrahl
2a: Strahlanteil, der auf Schmelze trifft
2b: Strahlanteil, der auf feste Phase trifft
3: rückreflektierte Strahlanteile
4: Fokussieroptik
5: Beleuchtungsoptik
6: dichroitischer Spiegel
7: Strahlteilerplatte
8: Scraper-Spiegel
9: CMOS-Kamera
10: Faser für Bearbeitungsstrahl
11: Faser für Beleuchtungsstrahl
12: Werkstück
13: Bearbeitungszone
14: Schmelze
15: gasförmige Phase
16: aufgeschmolzener Bereich
17: fester Bereich
18: gasförmig Phase
19: Bereich mit Flächennormale annähernd parallel
: zum Bearbeitungsstrahl

Claims

Verfahren zur Vermessung von Phasengrenzen eines Werkstoffes bei der Bearbeitung eines Werkstücks (12) mit einem Bearbeitungsstrahl, insbesondere mit einem Laserstrahl, bei dem – während der Bearbeitung eine einen Auftreffort des Bearbeitungsstrahls (1) auf dem Werkstück (12) umfassende Bearbeitungszone (13) zusätzlich zumindest annähernd koaxial zum Bearbeitungsstrahl (1) mit optischer Strahlung (2) beleuchtet wird, – von der Bearbeitungszone (13) reflektierte Strahlung (3) parallel oder unter einem kleinen Winkel zu einer Einfallsrichtung der optischen Strahlung (2) mit einem optischen Detektor (9) ortsaufgelöst erfasst wird, um ein optisches Reflexionsmuster der Bearbeitungszone (13) zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Bildverarbeitungsalgorithmus automatisiert ein Verlauf ein oder mehrerer Phasengrenzen flüssig/fest in der Bearbeitungszone (13) anhand eines Übergangs von einem Bereich mit einem großflächigen homogenen Gebiet in einen Bereich mit vielen kleinflächigen homogenen Gebieten im optischen Reflexionsmuster bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem optischen Reflexionsmuster ein oder mehrere Bereiche (19) einer Schmelze (14) des Werkstoffes bestimmt werden, in denen eine Flächennormale einer Oberfläche der Schmelze (14) innerhalb vorgebbarer Grenzen annähernd parallel zum Bearbeitungsstrahl (1) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Strahlung (2) zur Beleuchtung der Bearbeitungszone (13) so gewählt wird, dass durch die Bearbeitung erzeugte Sekundärstrahlung gegenüber der reflektierten Strahlung (3) mit einem optischen Filter zumindest teilweise unterdrückt werden kann, der vor dem optischen Detektor (9) angeordnet wird.
Verfahren Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Intensität der optischen Strahlung (2) zur Beleuchtung der Bearbeitungszone (13) sowie der optische Filter so gewählt werden, dass die Sekundärstrahlung mit dem optischen Detektor (9) weiterhin erfassbar ist, und dass die erfasste Sekundärstrahlung zur Bestimmung einer Phasengrenze flüssig/gasförmig ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Intensität der optischen Strahlung (2) zur Beleuchtung der Bearbeitungszone (13) so gewählt wird, dass durch die Bearbeitung erzeugte Sekundärstrahlung durch die reflektierte Strahlung (3) am optischen Detektor (9) überstrahlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Bereiche (19) einer Schmelze (14) des Werkstoffes, in denen eine Flächennormale einer Oberfläche der Schmelze (14) innerhalb vorgebbarer Grenzen annähernd parallel zum Bearbeitungsstrahl (1) liegt, automatisiert mit einem Bildverarbeitungsalgorithmus erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtung und die Erfassung der reflektierten Strahlung (3) durch einen dichroitischen Spiegel (6) hindurch erfolgen, über den der Bearbeitungsstrahl (1) auf das Werkstück (12) gerichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtung und die Erfassung der reflektierten optischen Strahlung (3) durch eine Öffnung in einem Umlenk- und/oder Fokussierspiegel (8) hindurch erfolgen, über den der Bearbeitungsstrahl (1) auf das Werkstück (12) gerichtet wird.
Vorrichtung für die Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Bearbeitungsstrahl, insbesondere einem Laserstrahl, zumindest umfassend einen Bearbeitungskopf, der eine Einkoppelöffnung für den Bearbeitungsstrahl (1), eine weitere Einkoppelöffnung für einen Beleuchtungsstrahl (2), eine Strahlformungsoptik (4) und einen Umlenkspiegel (6, 8), mit denen der Bearbeitungsstrahl (1) entlang einer Strahlachse durch eine Austrittsöffnung auf eine vor dem Bearbeitungskopf liegende Bearbeitungsebene gerichtet wird, eine Beleuchtungsoptik (5), die den Beleuchtungsstrahl (2) zumindest annähernd koaxial zur Strahlachse des Bearbeitungsstrahls (1) durch den Umlenkspiegel (6, 8) hindurch auf die Bearbeitungsebene richtet, und einen optischen Detektor (9) aufweist, der so angeordnet ist, dass er von der Bearbeitungsebene parallel oder unter einem kleinen Winkel zur Strahlachse reflektierte optische Strahlung (3) ortsaufgelöst erfassen kann, und eine mit dem optischen Detektor (9) verbundene Auswerteeinrichtung, die einen Bildverarbeitungsalgorithmus zur Auswertung eines erfassten Reflexionsmusters für die Bestimmung des Verlaufs ein oder mehrerer Phasengrenzen flüssig/fest anhand eines Übergangs von einem Bereich mit einem großflächigen homogenen Gebiet in einen Bereich mit vielen kleinflächigen homogenen Gebieten im optischen Reflexionsmuster aufweist.
Bearbeitungskopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkspiegel (6, 8) ein dichroitischer Spiegel (6) ist.
Bearbeitungskopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkspiegel (6, 8) zumindest eine Öffnung aufweist, durch die hindurch der Beleuchtungsstrahl (2) auf die Bearbeitungsebene gerichtet wird.