DE102007056554A1 - Method for adjusting and/or controlling the optimum working conditions of a laser used in laser welding comprises superimposing an intensity pattern on the radiation throat and determining the focusing position by evaluating the pattern - Google Patents

Method for adjusting and/or controlling the optimum working conditions of a laser used in laser welding comprises superimposing an intensity pattern on the radiation throat and determining the focusing position by evaluating the pattern Download PDF

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Abstract

Method for adjusting and/or controlling the optimum working conditions of a laser comprises superimposing an intensity pattern (16) limited in the radiation direction on the radiation throat (141) and determining the focusing position by evaluating the intensity pattern in sample workpieces (17).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Einstellen und/oder Kontrollieren des prozessoptimalen Arbeitsabstands eines Lasers von einem zu bearbeitenden Werkstück, insbesondere beim Laserschweißen oder Laserbohren, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention is based on a method for adjusting and / or checking the process optimal working distance of a laser from a to be processed Workpiece, especially in laser welding or Laser drilling, according to the preamble of claim 1.

Bei der Prozesseinstellung von Schweiß- oder Bohrlasern ist eine exakte Einstellung des Fokus des Laserstrahls auf ein zu bearbeitendes Bauteil, im folgenden Werkstück genannt, ausschlaggebend für ein qualitativ hochwertiges Arbeitsergebnis, da im Fokus die höchste Energiedichte des Lasers vorhanden ist. Um den richtigen Arbeitsabstand des Lasers zum Werkstück einzustellen, zu kontrollieren und ggf. zu korrigieren, wird die Position der Strahltaille des fokussierten Laserstrahls dadurch bestimmt, dass mit dem Laserstrahl in Probewerkstücken, die in unterschiedlichen Arbeitsabständen angeordnet werden, jeweils ein Einbrand erzeugt und die Veränderung des Einbranddurchmessers in den Probewerkstücken untersucht wird. Die Position des Probewerkstücks mit dem durchmesserkleinsten Einbrand ist der Fokuspunkt des Laserstrahls und der prozessoptimierte Arbeitsabstand des Lasers bezüglich des Werkstücks.at the process setting of welding or drilling lasers is an exact adjustment of the focus of the laser beam on a to be processed Component, referred to in the following workpiece, decisive for a high quality work result, since in the Focus the highest energy density of the laser is present. The correct working distance of the laser to the workpiece adjust, control and correct if necessary, the Position of the beam waist of the focused laser beam thereby determines that with the laser beam in sample workpieces, which are arranged at different working distances, each generates a penetration and the change of Einbranddurchmessers is examined in the Trieberkstücken. The position of the trial workpiece with the smallest diameter penetration is the focal point of the laser beam and the process-optimized working distance of the laser with respect to of the workpiece.

Bei längeren Brennweiten in Verbindung mit Lasern hoher Strahlqualität, wie sie z. B. für das Schweißen eingesetzt werden, ist die Strahltaille so schwach ausgeprägt, dass diese Methode nicht zu einer nutzbaren Auflösung führt, um den Fokus zu ermitteln. In vielen Fällen verzichtet man daher auf eine exakte Bestimmung der Fokuslage, obwohl die Fokuslage ein prozessbestimmender Parameter ist.at longer focal lengths in conjunction with lasers of high beam quality, as they are z. B. be used for welding, the beam waist is so weak that this Method does not lead to a usable resolution, to determine the focus. In many cases omitted Therefore, we focus on an exact determination of the focus position, although the focus position is a process-determining parameter.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Position des Fokus mit deutlich verbesserter Auflösung darstellbar ist und somit das Finden des exakten Arbeitsabstandes des Laser vom Werkstück auch bei Lasern mit hoher Strahlqualität und Brennweite ermöglicht und vereinfacht wird. Dadurch, dass die Ausdehnung des durch Intensitätsmodulation erzeugten Intensitätsmusters in Strahlrichtung deutlich schärfer begrenzt ist als die Strahltaille selbst, vorzugsweise auf 0,05 mm und weniger, kann die Position des Fokus durch Begutachtung der Einbrandmuster in den Probewerkstücken sehr genau bestimmt und eingestellt werden. Die Erzeugung des in Strahlrichtung eng begrenzten Intensitätsmusters erfolgt in einfacher Weise mittels eines diffraktiven optischen Elements mit einer geeigneten Oberflächenstruktur oder mittels eines Gitters, das jeweils in den Laserstrahl eingeschoben wird.The inventive method with the features of Claim 1 has the advantage that the position of the focus with clearly improved resolution is displayed and thus finding the exact working distance of the laser from the workpiece also at Lasers with high beam quality and focal length allows and simplified. Because of the expansion of the by intensity modulation generated intensity pattern in the beam direction significantly sharper is limited as the beam waist itself, preferably to 0.05 mm and less, the position of the focus can be checked by appraising the Burn-in pattern determined very precisely in the sample workpieces and be adjusted. The generation of the jet in the narrow direction limited intensity pattern is done in a simple manner by means of a diffractive optical element with a suitable Surface structure or by means of a grid, respectively is inserted into the laser beam.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich.By the measures listed in the further claims are advantageous developments and improvements of the claim 1 specified method possible.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird als Intensitätsmuster ein Linienmuster erzeugt und die Lage des Fokus im Einbrandmuster an dem Grad der Scharfkantigkeit der Linien im Linienmuster bewertet, wobei vorzugsweise das Einbrandmuster visuell mittels einer Lupe oder eines Mikroskops betrachtet wird.According to one advantageous embodiment of the invention is called intensity pattern a line pattern is generated and the location of the focus in the burn-in pattern evaluated at the degree of sharpness of the lines in the line pattern, preferably the burn-in pattern visually by means of a magnifying glass or a microscope.

Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:The Invention is based on an embodiment shown in the drawing explained in more detail in the following description. Show it:

1 einen Strahlengang eines Lasers mit überlagertem Intensitätsmuster zur Bestimmung der Fokuslage des Laserstrahls, 1 a beam path of a laser with superimposed intensity pattern for determining the focal position of the laser beam,

2 ausschnittweise eine Draufsicht eines Probewerkstücks mit eingebranntem Intensitätsmuster, 2 a partial top view of a sample workpiece with a burned-in intensity pattern,

3 Diagramme der Intensitätsverteilung in dem an drei verschiedenen Stellen abgebildeten Intensitätsmusters. 3 Charts of the intensity distribution in the intensity pattern depicted at three different locations.

In 1 ist der Laserstrahl eines z. B. zum Schweißen eingesetzten Lasers dargestellt. Ein paralleles Laserlichtbündel 11 wird mittels einer Fokussierlinse 12 mit der Brennweite f fokussiert. Der im Abstand der Brennweite f von der Fokussierlinse 12 liegende Fokus ist mit 13 gekennzeichnet. Der fokussierte Laserstrahl 14 weist im Bereich des Fokus 13 eine Strahltaille 141 mit in Strahlrichtung endlicher Länge L auf. Die Strahltaille 141 ist bei langen Brennweiten f der Fokussierlinse 12 in Verbindung mit einem Laser hoher Strahlqualität, wie er üblicherweise beim Schweißen eingesetzt wird, sehr schwach ausgebildet, d. h. ihr Durchmesser ändert sich über die Länge L nur wenig, so dass es schwierig ist, die Position des Fokus 13 innerhalb der Länge L der Strahltaille 141 genau zu bestimmen und den Arbeitsabstand des Lasers zum Werkstück so einzustellen, dass der Fokus exakt auf der Schweißstelle am Werkstück liegt. Letzteres wiederum ist von prozessentscheidender Bedeutung, da die höchste Energiedichte des Lasers im Fokus 13 liegt. Zur hochgenauen Arbeitsabstandseinstellung und/oder -kontrolle wird daher die Fokuslage des Laserstrahls 14 bezüglich des Werkstücks wie folgt ermittelt:In 1 is the laser beam of a z. B. used for welding laser. A parallel laser light bundle 11 is by means of a focusing lens 12 focused with the focal length f. The distance from the focal length f of the focusing lens 12 lying focus is with 13 characterized. The focused laser beam 14 points in the area of focus 13 a beam waist 141 with in the beam direction finite length L on. The beam waist 141 is at long focal lengths f of the focusing lens 12 in conjunction with a laser of high beam quality, as is commonly used in welding, very weak, ie their diameter changes only slightly over the length L, so that it is difficult to position the focus 13 within the length L of the beam waist 141 to determine exactly and adjust the working distance of the laser to the workpiece so that the focus is exactly on the weld on the workpiece. The latter, in turn, is of crucial importance to the process because the highest energy density of the laser is in focus 13 lies. For highly accurate working distance adjustment and / or control therefore the focus position of the laser beam 14 with respect to the workpiece as follows:

Durch Einsetzen eines diffraktiven optischen Elements 15, eines sog. DOE, in den Laserstrahl 14 in einem Abstand a von der Fokussierlinse 12 wird der Strahltaille 141 des Laserstrahls 14 ein Intensitätsmuster 16 überlagert. Dabei wird der Abstand a so gewählt, dass das Intensitätsmuster 16 im Fokus 13 liegt. Alternativ kann das Intensitätsmuster 16 auch um einen bekannten Betrag gegenüber dem Fokus 13 verschoben sein. Das Intensitätsmuster 16 ist lokal eng begrenzt und weist eine in Strahlrichtung gesehene Ausdehnung b auf, die deutlich kleiner ist als die Länge L der Strahltaille 141, z. B. 50 μm beträgt.By inserting a diffractive optical Elements 15 , a so-called DOE, into the laser beam 14 at a distance a from the focusing lens 12 becomes the beam waist 141 of the laser beam 14 an intensity pattern 16 superimposed. The distance a is chosen so that the intensity pattern 16 in focus 13 lies. Alternatively, the intensity pattern 16 also a known amount compared to the focus 13 be postponed. The intensity pattern 16 is locally narrow and has a seen in the beam direction extension b, which is significantly smaller than the length L of the beam waist 141 , z. B. is 50 microns.

Diffraktive optische Elemente sind Glasträger, auf die durch Fotolithographie Mikrostrukturen aufgebracht sind. Durch unterschiedliche Weglängen der Teilstrahlen des Laserlichtbündels innerhalb des diffraktiven optischen Elements kommt es zu Phasenmodulationen, wodurch Indifferenzmuster im Laserstrahl entstehen. Zusätzlich wird durch konstruktive und destruktive Überlagerung die Amplitude moduliert, so dass sich im Laserstrahl ein Intensitätsmuster ausbilden lässt. Ein diffraktives optisches Element ist beispielsweise in der EP 0 765 488 B1 beschrieben. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Mikrostruktur auf dem Glasträger so ausgebildet, dass als Intensitätsmuster ein Linienmuster 18 am Ort der minimalen Stahltaille 141 abgebildet wird. Anstelle eines diffraktiven optischen Elements kann aber auch ein Gitter in den Laserstrahl 14 eingesetzt werden.Diffractive optical elements are glass substrates to which microstructures are applied by photolithography. By different path lengths of the partial beams of the laser light beam within the diffractive optical element, phase modulations occur, whereby indifferent patterns occur in the laser beam. In addition, the amplitude is modulated by constructive and destructive superimposition, so that an intensity pattern can be formed in the laser beam. A diffractive optical element is for example in the EP 0 765 488 B1 described. In the present exemplary embodiment, the microstructure on the glass carrier is designed so that a line pattern is used as the intensity pattern 18 at the place of the minimal steel waist 141 is shown. But instead of a diffractive optical element can also be a grid in the laser beam 14 be used.

Mit dem Laserstrahl 14 wird das ihm überlagerte Intensitätsmuster 16, im Ausführungsbeispiel das Linienmuster 18, in die Probewerkstücke 17 eingebrannt, die mit graduell verändertem Arbeitsabstand vom Laser angeordnet werden. In 2 ist sinnbildlich ein Linienmuster 18 mit Linien 181 dargestellt, wie es auf einem in Fokuslage sich befindlichen Probewerkstück 17 erzeugt wird. In 3 sind Diagramme der Intensitätsverteilung über den Radius R in einem Intensitätsmuster 16 dargestellt, wie es vom DOE 15 innerhalb der Strahltaille 141 im Fokus 13 (3A), im Abstand vor dem Fokus 13 (4B) und im gleichen Abstand hinter dem Fokus 13 (3C) erzeugt wird. Während im Fokus 13 (3A) eine annähernd binäre Intensitätsverteilung vorliegt und somit die Linien 181 im Linienmuster 18 scharfe Konturen aufweisen (2) ist in dem vor und hinter dem Fokus 13 abgebildeten Intensitätsmuster 16 die Intensitätsverteilung verrauscht, somit auch der Einbrand des Linienmusters 18 im Probewerkstück 17, was zu unscharfen Übergängen an den Kanten der Linien 181 führt. Mit Hilfe einer Lupe oder eines Mikroskops wird dann die Fokuslage durch Auswertung des eingebrannten Intensitätsmusters 16 visuell beurteilt. Bei dem im Ausführungsbeispiel dargestellten Linienmuster 18 (2) wird dabei die Scharfkantigkeit der Linien 181 beurteilt. Das Probewerkstück 17 mit dem eingebrannten Linienmuster 18, dessen Linien 181 die größere Scharfkantigkeit aufweisen, hat den optimalen Arbeitsabstand vom Laser, der dann zum Bearbeiten des Werkstücks eingehalten wird.With the laser beam 14 becomes the superimposed intensity pattern 16 , In the exemplary embodiment, the line pattern 18 , in the sample pieces 17 burned, which are arranged with gradually changed working distance from the laser. In 2 is a symbolic line pattern 18 with lines 181 shown as it is on a focal point located in Probewerkstück 17 is produced. In 3 are diagrams of the intensity distribution over the radius R in an intensity pattern 16 presented as it is from the DOE 15 within the beam waist 141 in focus 13 ( 3A ), in the distance in front of the focus 13 ( 4B ) and at the same distance behind the focus 13 ( 3C ) is produced. While in focus 13 ( 3A ) there is an approximately binary intensity distribution and thus the lines 181 in line pattern 18 have sharp contours ( 2 ) is in front of and behind the focus 13 illustrated intensity pattern 16 the intensity distribution is noisy, hence the penetration of the line pattern 18 in the trial piece 17 , resulting in blurred transitions at the edges of the lines 181 leads. With the help of a magnifying glass or a microscope then the focus position by evaluation of the burned intensity pattern 16 assessed visually. In the line pattern shown in the embodiment 18 ( 2 ) becomes the sharp-edgedness of the lines 181 assessed. The trial piece 17 with the branded line pattern 18 whose lines 181 have the greater sharp edge, has the optimum working distance from the laser, which is then adhered to the machining of the workpiece.

Wie in den Diagrammen der 3 zu erkennen ist, sinkt die Intensität I in den außerhalb des Fokus 13 abgebildeten Intensitätsmustern 16 ab. Diese Tatsache kann zusätzlich genutzt werden, um die Fokuslage des Probewerkstücks 17 grob einzustellen. Wird nunmehr die Leistung des Lasers so eingestellt, dass gerade die Intensitätsschwelle S überschritten wird, oberhalb der ein Einbrand in dem Probewerkstück 17 erzeugt wird (3A), so wird diese Schwelle S in den vor und hinter den Fokus 13 abgebildeten Intensitätsmustern 16 nicht erreicht (3B und 3C) und in einem dort platzierten Probewerkstück 17 wird kein Einbrand entstehen.As in the diagrams of 3 can be seen, the intensity I decreases in the out of focus 13 imaged intensity patterns 16 from. This fact can additionally be used to determine the focal position of the trial workpiece 17 roughly set. Now, the power of the laser is adjusted so that just the intensity threshold S is exceeded, above the a burn-in in the sample workpiece 17 is produced ( 3A ), this threshold S is in front of and behind the focus 13 imaged intensity patterns 16 not reached ( 3B and 3C ) and in a test piece placed there 17 there will be no burn-in.

Für das Vermessen des Fokus 13 kann auch das Probewerkstück 17 mit einer Beschichtung versehen und die Leistung des Lasers so eingestellt werden, dass ausschließlich in der Beschichtung ein Einbrand erzeugt wird, ohne dass Probewerkstück 17 zu beschädigen. Dies hat den Vorteil, dass einerseits das Probewerkstück 17 nach Entfernung der Beschichtung dem weiteren Fertigungsprozess wieder zugeführt werden kann und andererseits die Leistung des Lasers für den Messvorgang deutlich herabgesetzt werden kann.For measuring the focus 13 can also be the Probewerkstück 17 provided with a coating and the power of the laser are adjusted so that only in the coating, a burn-in is produced without the sample workpiece 17 to damage. This has the advantage that on the one hand the trial workpiece 17 After removal of the coating can be fed back to the further manufacturing process and on the other hand, the performance of the laser for the measuring process can be significantly reduced.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - EP 0765488 B1 [0013] - EP 0765488 B1 [0013]

Claims (6)

Verfahren zum Einstellen und/oder Kontrollieren des prozessoptimalen Arbeitsabstands eines Lasers von einem Werkstück, insbesondere beim Laserschweißen oder Laserbohren, bei dem die Fokuslage eines fokussierten Laserstrahls (14) mit einer den Fokusbereich in Strahlrichtung in endlicher Länge (L) überdeckenden Strahltaille (141) durch Bewerten von Einbränden des Laserstrahls (14) in mehreren, in variierten Arbeitsabständen angeordneten Probewerkstücken (17) festgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahltaille (141) ein in Strahlrichtung eng begrenztes Intensitätsmuster (16) überlagert wird und die Fokuslage durch Bewerten der in den Probewerkstücken (17) eingebrannten Intensitätsmuster (16) bestimmt wird.Method for setting and / or controlling the process-optimal working distance of a laser from a workpiece, in particular during laser welding or laser drilling, in which the focus position of a focused laser beam ( 14 ) with a beam waist covering the focal region in the beam direction in finite length (L) ( 141 ) by evaluating burn-in of the laser beam ( 14 ) in several, at varying working distances arranged Trieberkstücken ( 17 ), characterized in that the beam waist ( 141 ) an intensity pattern narrowly defined in the beam direction ( 16 ) is superimposed and the focal position by evaluating the in the Trieberkstücken ( 17 ) burned intensity pattern ( 16 ) is determined. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung (b) des Intensitätsmusters (16) in Strahlrichtung im Vergleich zur Länge (L) der Strahltaille (141) in Strahlrichtung deutlich kleiner gehalten wird, vorzugsweise kleiner als 50 μm gemacht wird.Method according to Claim 1, characterized in that the extent (b) of the intensity pattern ( 16 ) in the beam direction compared to the length (L) of the beam waist ( 141 ) is kept significantly smaller in the beam direction, preferably less than 50 microns is made. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Generierung des Intensitätsmusters (16) ein diffraktives optisches Element (15) in den Laserstrahl (14) eingesetzt wird.Method according to claim 1 or 2, characterized in that for the generation of the intensity pattern ( 16 ) a diffractive optical element ( 15 ) in the laser beam ( 14 ) is used. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (14) mittels mindestens einer optischen Fokussierlinse (12) fokussiert wird und dass das Einsetzen des diffraktiven optischen Elements (15) in den Laserstrahl (14) in einem solchen Abstand (a) hinter der Fokussierlinse (12) vorgenommen wird, dass das überlagerte Intensitätsmuster (16) im Fokus (13) der Fokussierlinse (12) liegt oder um eine bekannten Betrag dazu verschoben ist.Method according to claim 3, characterized in that the laser beam ( 14 ) by means of at least one optical focusing lens ( 12 ) and that the insertion of the diffractive optical element ( 15 ) in the laser beam ( 14 ) at such a distance (a) behind the focusing lens ( 12 ) that the superimposed intensity pattern ( 16 ) in focus ( 13 ) of the focusing lens ( 12 ) or shifted by a known amount. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung des Intensitätsmusters (16) mit visueller Betrachtung durch eine Lupe oder ein Mikroskop vorgenommen wird.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the evaluation of the intensity pattern ( 16 ) is performed with visual inspection by a magnifying glass or a microscope. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Intensitätsmuster (16) ein Linienmuster (18) erzeugt wird und zur Bestimmung der Fokuslage die Scharfkantigkeit der Linien (181) in dem eingebrannten Linienmuster (18) bewertet wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that as intensity pattern ( 16 ) a line pattern ( 18 ) and to determine the focal position, the sharp edge of the lines ( 181 ) in the burned-in line pattern ( 18 ) Is evaluated.
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