DE102022114086B3

DE102022114086B3 - Method for measuring divergent radiation from a laser

Info

Publication number: DE102022114086B3
Application number: DE102022114086.5A
Authority: DE
Inventors: Markus Omlor; Christopher Berndt; Christof Blumenstein; Klaus Dilger
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG; Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG; Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
Priority date: 2022-06-03
Filing date: 2022-06-03
Publication date: 2023-10-12
Anticipated expiration: 2042-06-04

Abstract

Verfahren zur Vermessung divergenter Strahlung (20) eines Lasers, wobei die Strahlung (20) mit einem in einer X-Y-Ebene um eine Z-Achse rotierenden Messkopf (14) mit einem Pinhole (16) punktweise abgetastet wird und ein Strahlungsteil (18) der abgetasteten Strahlung (20) auf mindestens einen Umlenkkörper (22) trifft und der aus dem mindestens einen Umlenkkörper (22) austretende Strahlungsteil (18) auf einen Detektor (24) abgebildet wird, wobei in einem ersten Schritt eine X-Y-Applikationsebene (26) definiert wird, in einem zweiten Schritt eine virtuelle Bearbeitung des Lasers mittels Bearbeitungsbahnen (28) des Lasers in der X-Y-Applikationsebene (26) gestartet wird und eine Abtastung der Strahlung (20) beim Erstellen der Bearbeitungsbahnen durch den Messkopf (14) gestartet wird, der um die Z-Achse rotiert und in einer ersten X-Richtung vor und zurück verfahren wird, um nachfolgend schrittweise in eine zweite Y-Richtung verfahren zu werden, um eine erste Abbildungsebene der abgetasteten Strahlung im Detektor (24) zu erzeugen, wobei in einem dritten und weiteren Schritten der Messkopf (14) wieder zum Startpunkt des Messkopfes (14) in der zweiten Y-Richtung zurück verfahren wird, um eine Vielzahl von Abbildungsebenen der abgetasteten Strahlung im Detektor (24) zu erzeugen, wobei in einem abschließenden Schritt die Vielzahl von Abbildungsebenen zu einem Gesamtbild der Bearbeitungsbahnen (28) des Lasers überlagert werden. Des Weiteren wird eine Messvorrichtung (2) offenbart.Method for measuring divergent radiation (20) of a laser, wherein the radiation (20) is scanned point by point with a measuring head (14) rotating in an XY plane about a Z axis with a pinhole (16) and a radiation part (18). scanned radiation (20) hits at least one deflection body (22) and the radiation part (18) emerging from the at least one deflection body (22) is imaged onto a detector (24), an XY application plane (26) being defined in a first step is, in a second step, a virtual processing of the laser is started using processing paths (28) of the laser in the XY application plane (26) and a scanning of the radiation (20) is started when the processing paths are created by the measuring head (14), which rotates about the Z-axis and is moved back and forth in a first In the third and further steps, the measuring head (14) is moved back to the starting point of the measuring head (14) in the second Y direction in order to generate a plurality of imaging planes of the scanned radiation in the detector (24), in a final step the plurality of imaging planes to form an overall image of the processing paths (28) of the laser. Furthermore, a measuring device (2) is disclosed.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung divergenter Strahlung eines Lasers, wobei die Strahlung mit einem in einer X-Y-Ebene um eine Z-Achse rotierenden Messkopf mit einem Pinhole punktweise abgetastet wird und ein Strahlungsteil der abgetasteten Strahlung auf mindestens einen Umlenkkörper trifft und der aus dem mindestens einen Umlenkkörper austretende Strahlungsteil auf einen Detektor abgebildet wird. Des Weiteren wird eine Messvorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens offenbart.The invention relates to a method for measuring divergent radiation from a laser, wherein the radiation is scanned point by point with a measuring head rotating in an Part of the radiation emerging from at least one deflection body is imaged onto a detector. Furthermore, a measuring device for carrying out such a method is disclosed.

Ein Verfahren zur Messung von Kaustiken, Laserstrahlproportionen und einer Intensitätsverteilungen der Strahlung sowie eine hierfür geeignete Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens ist aus der deutschen Patentschrift DE 199 09 595 B4 bekannt und wird zudem im Artikel von H. Schwede, „Das Strahlprofil von Hochleistungslasern- Genaue Messungen als Basis für die Lasercharakterisierung“ in: Laser Technik Journal, 4, 2007, 2 48-51 beschrieben. Hierbei wird eine Strahlung eines Lasers, beispielsweise ein Laserschweißstrahl, durch eine rotierende Messspitze abgetastet und dann beispielsweise hinsichtlich ihrer Intensitätsverteilung im Fokuspunkt abgebildet. Eine derartige Messung lässt zwar einen Rückschluss auf spezifische Laserdaten, wie zum Beispiel die Intensitätsverteilung im Fokuspunkt zu, liefert jedoch keine Daten hinsichtlich einer realen Bearbeitungsbahn des Lasers. Diese Daten einer realen Bearbeitungsbahn können beispielsweise dadurch von den Daten eines „feststehenden“ Fokuspunktes eines Lasers abweichen, das im Rahmen von Krümmungen, Kurven, eine unterschiedliche Intensitätsverteilung an unterschiedlichen Punkten der Bearbeitungsbahn vorliegt. Des Weiteren kann es neben Abweichungen in der Intensitätsverteilung auch aufgrund der Dynamik zu Abweichungen in der Schweißbahngeometrie kommen. Alternativ oder zusätzlich kann die Bearbeitungsbahn natürlich auch durch eine Probebearbeitung, bei der bei einer Laserschweißanlage, eine Schweißnaht in einen Werkstoff gelasert wird, überprüft werden. Eine derartige Überprüfung bedeutet zum einen, einen zusätzlichen Aufwand und lässt zudem auch nur bedingt einen Rückschluss auf die vorliegenden Daten der Strahlung des Lasers zu. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass ein Messsystem zum Vermessen eines Laserstrahles auch aus der DE 10 2005 038 587 A1 bekannt ist.A method for measuring caustics, laser beam proportions and intensity distributions of the radiation as well as a suitable device for carrying out such a method is from the German patent DE 199 09 595 B4 known and is also described in the article by H. Schwede, “The beam profile of high-power lasers - precise measurements as a basis for laser characterization” in: Laser Technik Journal, 4, 2007, 2 48-51. Here, radiation from a laser, for example a laser welding beam, is scanned by a rotating measuring tip and then imaged, for example, in terms of its intensity distribution in the focal point. Although such a measurement allows conclusions to be drawn about specific laser data, such as the intensity distribution in the focal point, it does not provide any data regarding a real processing path of the laser. This data of a real processing path can, for example, differ from the data of a “fixed” focus point of a laser because there are different intensity distributions at different points on the processing path within the framework of curvatures, curves. Furthermore, in addition to deviations in the intensity distribution, there can also be deviations in the welding path geometry due to the dynamics. Alternatively or additionally, the processing path can of course also be checked by a test processing, in which a weld seam is lasered into a material using a laser welding system. Such a check means, on the one hand, additional effort and also only allows a limited conclusion to be drawn about the available data on the radiation from the laser. In this context it should be noted that a measuring system for measuring a laser beam also consists of the DE 10 2005 038 587 A1 is known.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die vorgenannten Nachteile auf einfache und kostengünstige Weise zu vermeiden.The object of the invention is therefore to avoid the aforementioned disadvantages in a simple and cost-effective manner.

Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren dadurch gelöst, dass in einem ersten Schritt eine X-Y-Applikationsebene definiert wird, in einem zweiten Schritt eine virtuelle Bearbeitung des Lasers mittels Bearbeitungsbahnen des Lasers in der Applikationsebene gestartet wird und eine Abtastung der Bearbeitungsbahnen durch den Messkopf gestartet wird, der um die Z-Achse rotiert und in einer ersten X-Richtung vor- und zurückverfahren wird, um nachfolgend schrittweise in eine zweite Y-Richtung verfahren zu werden, um eine erste Abbildungsebene der abgetasteten Strahlung im Detektor zu erzeugen, wobei in einem dritten und weiteren Schritten der Messkopf wieder zum Startpunkt des Messkopfes in der zweiten Y-Richtung zurückverfahren wird, um eine Vielzahl von Abbildungsebenen der abgetasteten Strahlung im Detektor zu erzeugen, wobei in einem abschließenden Schritt die Vielzahl von Abbildungsebenen zu einem Gesamtbild der Bearbeitungsbahnen des Lasers überlagert werden. Hierdurch wird eine reale Abbildung der Lasergeometrie in der Bearbeitungsbahn gewährleistet. Die Intensitätsverteilung bzw. der Energieeintrag auf der gesamten Bearbeitungsbahn kann exakt nachvollzogen werden. Nachteilige Intensitätsspitzen, beispielsweise in Spalten, die zu vielen Spritzern führen würden bzw. eine Intensitätsverringerung, die zu einer zu geringen Einschweißtiefe führen würde, können so frühzeitig erkannt werden, um Bearbeitungsdaten der Laservorrichtung vor der wirklichen Bearbeitung dann dahingehend anzupassen. Die sogenannte X-Y-Applikationsebene dürfte in den meisten Fällen mit der sogenannten Fokusebene, der Ebene, in der sich der Fokuspunkt der Strahlung des Lasers befindet, übereinstimmen.This object is achieved by a method according to the invention in that in a first step an XY application plane is defined, in a second step a virtual processing of the laser is started using processing paths of the laser in the application plane and a scanning of the processing paths is started by the measuring head , which rotates about the Z-axis and is moved back and forth in a first and further steps, the measuring head is moved back to the starting point of the measuring head in the second Y direction in order to generate a plurality of imaging planes of the scanned radiation in the detector, with the plurality of imaging planes being superimposed in a final step to form an overall image of the processing paths of the laser . This ensures a real representation of the laser geometry in the processing path. The intensity distribution or energy input on the entire processing path can be precisely traced. Disadvantageous intensity peaks, for example in gaps that would lead to a lot of spatter or a reduction in intensity that would lead to a welding depth that is too low, can be recognized early on in order to then adapt the processing data of the laser device accordingly before the actual processing. In most cases, the so-called X-Y application plane should correspond to the so-called focal plane, the plane in which the focal point of the laser radiation is located.

Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Anzahl der Abbildungsebenen größer als 100 ist. Hierdurch ist schon eine sehr genaue Intensitätsverteilung der Strahlung des Lasers in der Bearbeitungsbahn nachzuvollziehen. Eine noch größere Anzahl von Applikationsebenen vergrößert dementsprechend die Auflösung der Intensitätsverteilung. Die Anzahl der Abbildungsebenen hängt dabei insbesondere aber nicht ausschließlich von einer Verfahrensgeschwindigkeit des Lasers und von Geometriegrößen ab.It has proven to be advantageous if the number of imaging levels is greater than 100. This means that a very precise intensity distribution of the laser radiation in the processing path can be traced. An even larger number of application levels accordingly increases the resolution of the intensity distribution. The number of imaging planes depends in particular, but not exclusively, on the process speed of the laser and on geometry sizes.

Dadurch, dass mehrere Applikationsebenen definiert werden, kann auf einfache Weise die Kaustik der Strahlung des Lasers erstellt und hinsichtlich spezifischer Messdaten überprüft werden.By defining several application levels, the caustics of the laser radiation can be easily created and checked with regard to specific measurement data.

In besonders vorteilhafter Weise stellt das Gesamtbild der Bearbeitungsbahnen zumindest die Intensitätsverteilung der Strahlung, beispielsweise in farblicher Form, in der Bearbeitungsbahn dar.In a particularly advantageous manner, the overall image of the processing paths represents at least the intensity distribution of the radiation, for example in color form, in the processing path.

In vorteilhafter Weise kann zudem das Gesamtbild der Bearbeitungsbahn in seinen geometrischen Maßen sowie der Position gemessen werden und mit einer vorprogrammierten Bearbeitungsbahn verglichen werden. Hierdurch ist es möglich die abgefahrene Geometrie der bearbeitungsbahn in allen Maßen (Längen, Breiten, Radien, etc.) und Positionen mit einer programmierten Geometrie zu vergleichen. Insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten oder langen Betriebszeiten können nämlich Abweichungen in der Applikationsebene entstehen.Advantageously, the overall image of the processing path can also be measured in terms of its geometric dimensions and position and with a pre-programmed processing path be compared. This makes it possible to compare the traversed geometry of the machining path in all dimensions (lengths, widths, radii, etc.) and positions with a programmed geometry. Deviations in the application level can arise, particularly at high speeds or long operating times.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Ausführungsbeispiel gelöst durch die aus dem Stand der Technik bekannte Messvorrichtung, wobei eine Gehäuseanordnung mit einer Verstellanordnung für den drehbar um die Z-Achse und verschiebbar in der X-Y-Ebene gelagerten Messkopf vorgesehen ist, wobei der Messkopf das Pinhole für eine Auskopplung des Strahlungsteils aufweist und mindestens ein Umlenkkörper im Gehäuse zur Umlenkung der Strahlung auf einen Detektor vorgesehen ist. Hierbei sind als Umlenkkörper zwei Umlenkspiegel vorgesehen.The method according to the invention is solved in the exemplary embodiment by the measuring device known from the prior art, a housing arrangement with an adjustment arrangement for the measuring head being rotatable about the Z axis and displaceable in the X-Y plane being provided, the measuring head being the pinhole for a Coupling of the radiation part and at least one deflection body is provided in the housing for deflecting the radiation onto a detector. Two deflection mirrors are provided as deflection bodies.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert, hierbei zeigt

1 eine perspektivische Ansicht einer Messvorrichtung gemäß dem Stand der Technik,
2 eine Darstellung eines Gesamtbildes von Bearbeitungsbahnen eines Lasers mit einer Abbildungsebene,
3 eine Darstellung eines Gesamtbildes von Bearbeitungsbahnen des Lasers mit 50 Abbildungsebenen und
4 eine Darstellung eines Gesamtbildes von Bearbeitungsbahnen des Lasers mit 150 Abbildungsebenen.

The invention is explained in more detail below with reference to a drawing, which shows

1 a perspective view of a measuring device according to the prior art,
2 a representation of an overall image of processing paths of a laser with an imaging plane,
3 a representation of an overall image of the laser's processing paths with 50 imaging levels and
4 a representation of an overall image of the laser's processing paths with 150 imaging levels.

1 zeigt eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer bekannten Messvorrichtung 2 mit einer Gehäuseanordnung 4. Diese Gehäuseanordnung 4 ist hier der Übersichtlichkeit halber lediglich auf die für die Erfindung relevanter Komponenten beschränkt. Hierbei ist mit dem Bezugszeichen 6 eine Verstellanordnung gekennzeichnet, die im Wesentlichen einen Rotationsteller 8, sowie einen Y-Schlitten 10 und einen X-Schlitten 12 umfasst. Ein Messkopf 14 mit einem Pinhole 16 kann hierbei durch den Rotationsteller 8 um eine Z-Achse rotiert werden und durch den Y-Schlitten 10 in Y-Richtung sowie durch den X-Schlitten 12 in X-Richtung verfahren werden, um einen Strahlungsteil 18 einer Strahlung 20 eines nicht weiter dargestellten Lasers abzutasten und über zwei Umlenkspiegel, von denen hier zu der zweite Umlenkspiegel 22 angedeutet ist in Richtung eines Detektors 24 zu lenken. Eine derartige Anordnung ist grundsätzlich aus der deutschen Patentschrift DE 199 09 595 B4 bekannt, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen werden soll und die auch als Bestandteil der vorliegenden Anmeldung angesehen werde soll. 1 shows a partially sectioned perspective view of a known measuring device 2 with a housing arrangement 4. For the sake of clarity, this housing arrangement 4 is limited here only to the components relevant to the invention. Here, reference number 6 denotes an adjustment arrangement which essentially comprises a rotation plate 8, as well as a Y-slide 10 and an X-slide 12. A measuring head 14 with a pinhole 16 can be rotated about a Z axis by the rotation plate 8 and moved in the Y direction by the Y carriage 10 and in the X direction by the X carriage 12 in order to create a radiation part 18 Radiation 20 of a laser, not shown, is scanned and directed in the direction of a detector 24 via two deflection mirrors, of which the second deflection mirror 22 is indicated here. Such an arrangement is basically from the German patent specification DE 199 09 595 B4 known, to which express reference should be made here and which should also be regarded as part of the present application.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren wird nun nachfolgend beschrieben. In einem ersten Schritt wird hierbei eine X-Y-Applikationsebene 26 definiert, in dem, immer gleiche Bearbeitungsbahnen 28 der Strahlung 20 verlaufen werden. In den meisten Fällen stimmt die Applikationsebene 26 mit der Ebene überein, in dem sich ein Fokuspunkt 30 der Strahlung 20 befindet. In einem zweiten Schritt wird dann die virtuelle Bearbeitung des Lasers mittels der Bearbeitungsbahnen 28 in der X-Y-Applikationsebene 26 gestartet. Damit wird auch eine Abtastung der Strahlung 20 beim Erstellen der Bearbeitungsbahnen 28 durch den Messkopf 14 gestartet. Der Messkopf 14 rotiert hierbei mittels des Rotiertellers 8 um die Z-Achse und wird durch den X-Schlitten 12 in einer ersten, X-Richtung vor- und zurückverfahren. Hierbei werden jeweils zufällig Strahlungsteile über das Pinhole 16 abgetastet und über einen und zweiten Umlenkkörper 18 zu einem Detektor 24 geführt. Nach dem Verfahrweg in X-Richtung wird der Messkopf 14 schrittweise in eine zweite, Y-Richtung verfahren um nach Durchlauf der gesamten Bearbeitungsbahn 28 in Y- und X-Richtung eine erste Abbildungsebene (siehe hierzu 2) der abgetasteten Strahlung 20 im Detektor 24 zu erzeugen. In einem dritten und in weiteren Schritten wird dann der Messkopf 14 wieder zum Startpunkt des Messkopfes in der zweiten, Y-Richtung zurückverfahren, um weitere Abbildungsebenen der abgetasteten Strahlung 20 im Detektor 24 zu erzeugen. Deutlich zu erkennen ist hierbei in 3 und 4 die Erhöhung der Auflösung der Intensitätsleistung der Strahlung 20 in der Abbildungsebene 26. 3 zeigt hierbei die Intensitätsleistungen nach der Überlagerung von 50 Abbildungsebenen und 4 zeigt die Intensitätsleistung in den Bearbeitungsbahnen 28 nach 150 Abbildungsebenen.A method according to the invention is now described below. In a first step, an XY application plane 26 is defined, in which the same processing paths 28 of the radiation 20 will always run. In most cases, the application plane 26 corresponds to the plane in which a focal point 30 of the radiation 20 is located. In a second step, the virtual processing of the laser is then started using the processing paths 28 in the XY application plane 26. This also starts scanning the radiation 20 when the processing paths 28 are created by the measuring head 14. The measuring head 14 rotates around the Z axis by means of the rotating plate 8 and is moved back and forth in a first, X direction by the X carriage 12. Here, parts of the radiation are randomly scanned via the pinhole 16 and guided to a detector 24 via a second deflection body 18. After the travel path in the 2 ) of the sampled radiation 20 in the detector 24. In a third and further steps, the measuring head 14 is then moved back to the starting point of the measuring head in the second, Y-direction in order to generate further imaging planes of the scanned radiation 20 in the detector 24. This can be clearly seen in 3 and 4 increasing the resolution of the intensity power of the radiation 20 in the imaging plane 26. 3 shows the intensity performances after the overlay of 50 imaging levels and 4 shows the intensity power in the processing paths 28 after 150 imaging levels.

Claims

Verfahren zur Vermessung divergenter Strahlung (20) eines Lasers, wobei die Strahlung (20) mit einem in einer X-Y-Ebene um eine Z-Achse rotierenden Messkopf (14) mit einem Pinhole (16) punktweise abgetastet wird und ein Strahlungsteil (18) der abgetasteten Strahlung (20) auf mindestens einen Umlenkkörper (22) trifft und der aus dem mindestens einen Umlenkkörper (22) austretende Strahlungsteil (18) auf einen Detektor (24) abgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt eine X-Y-Applikationsebene (26) definiert wird, in einem zweiten Schritt eine virtuelle Bearbeitung des Lasers mittels Bearbeitungsbahnen (28) des Lasers in der X-Y-Applikationsebene (26) gestartet wird und eine Abtastung der Strahlung (20) beim Erstellen der Bearbeitungsbahnen (28) durch den Messkopf (14) gestartet wird, der um die Z-Achse rotiert und in einer ersten X-Richtung vor und zurück verfahren wird, um nachfolgend schrittweise in eine zweite Y-Richtung verfahren zu werden, um eine erste Abbildungsebene der abgetasteten Strahlung (20) im Detektor (24) zu erzeugen, wobei in einem dritten und weiteren Schritten der Messkopf (14) wieder zum Startpunkt des Messkopfes (14) in der zweiten Y-Richtung zurück verfahren wird, um eine Vielzahl von Abbildungsebenen der abgetasteten Strahlung (20) im Detektor (24) zu erzeugen, wobei in einem abschließenden Schritt die Vielzahl von Abbildungsebenen zu einem Gesamtbild der Bearbeitungsbahnen (28) des Lasers überlagert werden.Method for measuring divergent radiation (20) of a laser, wherein the radiation (20) is scanned point by point with a measuring head (14) rotating in an XY plane about a Z axis with a pinhole (16) and a radiation part (18). scanned radiation (20) hits at least one deflection body (22) and the radiation part (18) emerging from the at least one deflection body (22) is imaged onto a detector (24), characterized in that in a first step an XY application plane ( 26) is defined, in a second step a virtual processing of the laser is started using processing paths (28) of the laser in the XY application plane (26) and a scanning of the radiation (20) when creating the processing paths (28) by the measuring head ( 14) is started, which rotates around the Z axis and is moved back and forth in a first X direction, in order to then be moved step by step in a second Y direction in order to generate a first imaging plane of the scanned radiation (20) in the detector (24), the measuring head (14) being moved back to the starting point of the measuring head (14) in the second Y direction in a third and further steps, in order to generate a plurality of imaging planes of the scanned radiation (20) in the detector (24), the plurality of imaging planes being superimposed in a final step to form an overall image of the processing paths (28) of the laser.

Verfahren zur Vermessung divergenter Strahlung (20) eines Lasers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Abbildungsebenen größer als 100 ist.Method for measuring divergent radiation (20) from a laser Claim 1 , characterized in that the number of imaging levels is greater than 100.

Verfahren zur Vermessung divergenter Strahlung (20) eines Lasers nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Applikationsebenen (26) definiert werden.Method for measuring divergent radiation (20) from a laser Claim 1 or 2 , characterized in that several application levels (26) are defined.

Verfahren zur Vermessung divergenter Strahlung (20) eines Lasers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtbild der Bearbeitungsbahnen (28) zumindest die Intensitätsverteilung der Strahlung (20) in der Bearbeitungsbahn (28) darstellt.Method for measuring divergent radiation (20) of a laser according to one of the preceding claims, characterized in that the overall image of the processing paths (28) represents at least the intensity distribution of the radiation (20) in the processing path (28).

Verfahren zur Vermessung divergenter Strahlung (20) eines Lasers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtbild der Bearbeitungsbahn (28) in seinen geometrischen Maßen sowie der Position gemessen wird und mit einer vorprogrammierten Bearbeitungsbahn verglichen wird.Method for measuring divergent radiation (20) of a laser according to one of the preceding claims, characterized in that the overall image of the processing path (28) is measured in its geometric dimensions and position and is compared with a pre-programmed processing path.