DE102010015682B4 - Device for detecting the process radiation during laser material processing - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Erfassung von Prozessstrahlung (P) bei der Bearbeitung eines Werkstückes (W) mittels eines Laserstrahls (LA), bei der eine Intensität der vom Werkstück (W) emittierten Prozessstrahlung (P), die durch den äußersten Rand einer im Bearbeitungskopf angeordneten Linse (L) in Richtung Laser durch einen dahinter angeordneten Scraperspiegel (SC) erfasst und senkrecht zum Laserstrahl (LA) umgelenkt wird und dort auf ein fokussierendes Element (ZP) fällt, das die intensitätsmäßig hohe und unerwünschte Laserstrahlung (LA), die vom Werkstück (W) reflektiert und ebenfalls von dem Scraperspiegel umgelenkt wird, von der Prozessstrahlung (P) trennt und die Prozessstrahlung (P) in ihre Spektralanteile zerlegt und auf einen oder mehrere Detektoren (D) fokussiert, dadurch gekennzeichnet, dass das fokussierende Element (ZP) als Ringgitter ausgebildet ist, wobei der Abstand der Ringe des Ringgitters nach außen hin immer schmaler wird.Device for detecting process radiation (P) when machining a workpiece (W) by means of a laser beam (LA), in which an intensity of the process radiation (P) emitted by the workpiece (W), which is generated by the outermost edge of a lens ( L) in the direction of the laser is detected by a scraper mirror (SC) arranged behind it and deflected perpendicular to the laser beam (LA) and there falls on a focusing element (ZP), which absorbs the high intensity and undesirable laser radiation (LA) from the workpiece (W ) is reflected and also deflected by the scraper mirror, separates from the process radiation (P) and breaks down the process radiation (P) into its spectral components and focused on one or more detectors (D), characterized in that the focusing element (ZP) is a ring grating is formed, the spacing of the rings of the ring grating becoming narrower towards the outside.
Description
Bei der Lasermaterialbearbeitung ist es notwendig und sinnvoll, zur Prozesskontrolle die vom Bearbeitungspunkt emittierte elektromagnetische Strahlung zu messen und daraus Kenngrößen zu ermitteln, die Aufschluss über die Qualität der Bearbeitung geben und zum Regeln des Bearbeitungsprozesses verwendet werden können.In laser material processing, it is necessary and sensible to measure the electromagnetic radiation emitted by the processing point for process control purposes and to determine parameters which provide information about the quality of the processing and can be used to control the processing process.
Beispiele dafür sind die Überwachung beim Laserschweißen, die Leistungsregelung des Einstechprozesses und die Ermittlung des Durchstechzeitpunktes vor Beginn des Schneidens, die Überwachung und Regelung des Schneidprozesses selber, Erkennung von Plasmabildung und anderes mehr.Examples include laser welding monitoring, power control of the piercing process and determination of piercing timing prior to cutting, monitoring and control of the cutting process itself, detection of plasma formation, and more.
Derartige Vorrichtungen werden in den Druckschriften
Zur Veranschaulichung ist in
Da auch ein Anteil der Laserstrahlung vom Bearbeitungspunkt reflektiert wird, hat der Filter F1 die Aufgabe, die Laserstrahlung nicht durchzulassen, da diese sonst den Detektor D zerstören würde. Ein zweiter schmalbandiger Filter F2 kann wahlweise eingesetzt werden, um nur eine diskrete Wellenlänge des Prozessstrahls zu messen. Derartige Vorrichtungen werden auch mit mehreren Detektoren eingesetzt, die bei verschiedenen Wellenlängen messen.Since a portion of the laser radiation from the processing point is reflected, the filter F1 has the task not to let the laser radiation through, otherwise this would destroy the detector D. A second narrow-band filter F2 can optionally be used to measure only a discrete wavelength of the process beam. Such devices are also used with multiple detectors that measure at different wavelengths.
Mit Laserstrahlung werden auch reflektierende Materialien bearbeitet. Beispiele sind die Bearbeitung von Aluminium, Messing oder Kupfer. Tritt bei der Bearbeitung ein Fehler auf – ist bspw. die Fokuslage falsch, d. h. die Leistungsdichte auf dem Werkstück ist zu gering – so wird die Laserstrahlung nicht im Werkstück adsorbiert, sondern teils vollständig vom Werkstück reflektiert und durch die Linse parallel gebündelt in den Resonator rückreflektiert. Es bildet sich ein verlängerter Resonator vom Laserrückspiegel bis zum Werkstück aus. Im Resonator wird weitergepumpt, die Strahlung kann aber nicht entweichen, so dass Spitzenleistungen im Megawatt-Bereich auftreten, die die optischen Elemente zerstören.Laser radiation also processes reflective materials. Examples are the machining of aluminum, brass or copper. If an error occurs during processing - eg the focus position is wrong, d. H. the power density on the workpiece is too low - so the laser radiation is not adsorbed in the workpiece, but partly completely reflected from the workpiece and reflected in parallel through the lens back into the resonator. It forms an extended resonator from the laser rearview mirror to the workpiece. In the resonator is pumped on, but the radiation can not escape, so peak powers occur in the megawatt range, which destroy the optical elements.
Der Filter F1, der die Laserstrahlung im Normalbetrieb vom Detektor abfängt, hält dieser enormen Energiebelastung oft nicht stand. Er wird zerstört und mit ihm der Detektor und die dahinterliegende Elektronik, wie im praktischen Betrieb passiert.The filter F1, which intercepts the laser radiation from the detector during normal operation, often does not stand up to this enormous energy load. It is destroyed and with it the detector and the underlying electronics, as happens in practical operation.
Die
- 1. Zu teuer in der Herstellung.
- 2. Bei Rückreflektion des Laserstrahls kann die aufgedampfte Schicht und letztlich der Strahlteiler zerstört werden. Er ist deshalb für hohe Strahlintensitäten nur begrenzt einsetzbar. Des Weiteren besteht das fokussierende Element für die Prozessstrahlung (
24 ) aus einer Linse, die ebenfalls bei Rückreflektion des Laserstrahls zerstört wird.
- 1. Too expensive in manufacturing.
- 2. With back reflection of the laser beam, the vapor deposited layer and ultimately the beam splitter can be destroyed. It is therefore limited for high beam intensities. Furthermore, the focusing element for the process radiation (
24 ) from a lens, which is also destroyed in back reflection of the laser beam.
Die Druckschrift
In der
Bei den in den oben genannten Patenten beschriebenen Vorrichtungen besteht das fokussierende Element S – siehe
Die Lösung des ProblemsThe solution of the problem
Die im Patentanspruch 1 beschriebene Erfindung löst das Problem dadurch, dass das fokussierende Element S der Vorrichtung nur die zu messende Prozessstrahlung P auf den Detektor fokussiert, nicht aber die Laserstrahlung, was dadurch erreicht wird, dass das fokussierende Element als Ringgitter ausgebildet wird.The invention described in claim 1 solves the problem in that the focusing element S of the device focuses only the process radiation P to be measured on the detector, but not the laser radiation, which is achieved in that the focusing element is formed as a ring grid.
Eine Fresnel'sche Zonenplatte ist eine Platte auf der konzentrische Ringe aufgebracht sind (
Der Abstand X(n) des n-ten Rings vom Brennpunkt f ist
Die monochromatische Laserstrahlung wird an einem Brennpunkt F1 fokussiert und läuft danach wieder auseinander. Die Laserstrahlung ist klar vom Strahlengang der Prozessstrahlung getrennt, wie in
Die Laserstrahlung fällt somit nicht auf die Detektoren und kann diese nicht beschädigen.The laser radiation does not fall on the detectors and can not damage them.
Aus der Formel ist ersichtlich, dass jede Wellenlänge λ der Strahlung eine andere Brennweite f hat. Das Ringgitter wirkt für die breitbandige Prozessstrahlung und die Laserstrahlung wie ein Spektrometer, dessen Brennpunkte auf der Mittelachse liegen. Siehe
Hier ergibt sich noch ein weiterer Vorteil der Erfindung. Da die Wellenlängen, bei denen die Prozessstrahlung gemessen werden soll, an verschiedenen Orten der Mittelachse fokussiert werden, ist mit der Erfindung noch eine spektrale Trennung der Prozessstrahlung erreicht. Soll bei verschiedenen Wellenlängen gemessen werden, müssen die Detektoren an entsprechenden Orten auf der Mittelachse angebracht werden – eine aufwendige Trennung der Prozessstrahlung nach verschiedenen Wellenlängenbereichen durch Filter und teildurchlässige Spiegel entfällt.This results in yet another advantage of the invention. Since the wavelengths at which the process radiation is to be measured are focused at different locations of the central axis, a spectral separation of the process radiation is achieved with the invention. If measurements are to be carried out at different wavelengths, the detectors must be mounted at corresponding locations on the central axis - a complex separation of the process radiation into different wavelength ranges by means of filters and partly transparent mirrors is dispensed with.
Ausführungsbeispielembodiment
Die Strahlung des CO2-Lasers geht durch den Brennpunkt F1 und läuft danach auseinander und wird von einem Absorber an der Wand des Gerätes absorbiert (nicht dargestellt). Sie trifft nicht auf die Detektoren. Als Beispiel ist im Brennpunkt D1 ist ein Ga-As Detektor angebracht, der die Strahlung bei 1,6 μm misst, im Brennpunkt D2 ein Silizium Detektor, der die Strahlung bei 950 nm misst. Die Signale der Detektoren werden mit einer Elektronik (nicht dargestellt) analysiert und ausgewertet. Wie in
Weitere Ausgestaltung der ErfindungFurther embodiment of the invention
Da die bei der Materialbearbeitung reflektierte oder gestreute Laserstrahlung im Sensor immer mit beträchtlicher Leistung vorhanden ist, empfiehlt es sich, das fokussierende Element aus reflektierendem, poliertem Metall herzustellen, welches die Strahlung weitgehend reflektiert und einiges an Erwärmung verträgt.Since the reflected or scattered laser radiation in the material processing is always present in the sensor with considerable power, it is recommended to make the focusing element of reflective, polished metal, which reflects the radiation largely and tolerate some heating.
Bei einer Fresnelschen Zonenplatte ändert sich die Breite der Zonen R(n)–R(n – 1) nach außen hin immer weniger. Da der Scraperspiegel SC nur einen schmalen Ring auf dem äußeren Rand einer Zonenplatte abbildet, kann man auch die Zonen gleich breit lassen und erfindungsgemäß statt einer Zonenplatte ein Ringgitter einsetzen, welches sich mechanisch einfacher herstellen lässt.In a Fresnel zone plate, the width of the zones R (n) -R (n-1) changes less and less toward the outside. Since the Scraperspiegel SC images only a narrow ring on the outer edge of a zone plate, you can also leave the zones the same width and according to the invention instead of a zone plate use a ring grid, which can be produced mechanically easier.
Bei einem Ringgitter hat der Fokusfleck zwar die Breite des vom Scraperspiegel einfallenden Strahls d, was aber bei entsprechender Größe des Detektors vertretbar ist.In the case of a ring grid, the focal spot has the width of the beam d incident from the scraper mirror, but this is justifiable given the size of the detector.
Die Wirkung des Ringgitters kann intensitätsmäßig verstärkt werden, indem man ein Reflexions-Phasengitter mit bevorzugter Reflexion einsetzt, auch „Blazegitter” genannt, dessen Rillen ein Sägezahnprofil aufweisen. Dabei ist der Winkel der reflektierenden Flächen so angeordnet, dass die Normale auf die reflektierende Fläche zum Detektor zeigt.The effect of the ring grid can be intensified in intensity by using a reflection phase grating with preferred reflection, also called "blazed grating", whose grooves have a sawtooth profile. In this case, the angle of the reflective surfaces is arranged so that the normal points to the reflective surface to the detector.
Bei der Auslegung des fokussierenden Elementes ZP ist zu beachten, dass nicht nur Beugung 1. Ordnung, wie in
Ist das fokussierende Element ZP so berechnet, dass die Beugung 1. Ordnung eines Silizium-Detektors für die Wellenlänge 950 nm einen Brennpunkt bei 200 mm hat, so wird die Beugung 2. Ordnung dort bei der Wellenlänge 475 nm, die der 3. Ordnung bei 318 nm fokussiert. Ein Silizium-Detektor hat eine spektrale Empfindlichkeit im Bereich 1050–850 nm. Die Strahlung der 2., 3., ... usw. Ordnung empfängt der Detektor nicht, da sie sich außerhalb der spektralen Empfindlichkeit befindet.When designing the focusing element ZP, it should be noted that not only diffraction 1st order, as in
If the focusing element ZP is calculated such that the 1st order diffraction of a silicon detector for the wavelength 950 nm has a focal point at 200 mm, then the 2nd order diffraction there becomes at the wavelength 475 nm, that of the 3rd order Focused at 318 nm. A silicon detector has a spectral sensitivity in the range 1050-850 nm. The radiation of the 2nd, 3rd, ..., etc. order does not receive the detector because it is outside the spectral sensitivity.
Das Gerät kann auch auf Beugung höherer Ordnung ausgelegt werden, bspw. dann, wenn nur mit einem Detektor gearbeitet wird und das Gerät kompakt, d. h., die Brennweite des fokussierenden Elementes ZP kurz sein soll. Beispielsweise werden bei Beugung 3. Ordnung die Zonen um den Faktor 3 breiter und sind einfacher mechanisch herzustellen. Die geringe Intensität bei Beugung höherer Ordnung kann erfindungsgemäß durch ein Balzegitter aufgefangen werden. Dabei wird der Winkel des Blazegitters so ausgelegt, dass der am Gitter gebeugte Strahl und ein an der Stufe reflektierter Strahl in die gleiche Richtung abgelenkt werden. Man spricht dann von Autokollimation.The device can also be designed for higher-order diffraction, for example, when working only with a detector and the device is compact, d. h., The focal length of the focusing element ZP should be short. For example, in 3rd order diffraction, the zones become wider by a factor of 3 and are easier to manufacture mechanically. The low intensity at higher order diffraction can be absorbed by a Balzegitter according to the invention. The angle of the blazed grating is designed so that the beam diffracted at the grating and a beam reflected at the stage are deflected in the same direction. One speaks then of autocollimation.
Zur einfacheren Fertigung kann das Gitter auch mit einer Spiralstruktur hergestellt werden.For ease of manufacture, the grid can also be made with a spiral structure.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20141003 |
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R120 | Application withdrawn or ip right abandoned |