DE19630437A1 - Vorrichtung zum Bearbeiten, beispielsweise Schweißen und Schneiden, eines Werkstückes mittels eines Bearbeitungslaserstrahles sowie Detektorvorrichtung zum Anbau an eine solche Vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten, beispielsweise Schweißen und Schneiden, eines Werkstückes mittels eines Bearbeitungslaserstrahles mit

• a) einem Laser, der den Bearbeitungslaserstrahl erzeugt;
• b) einem Laser-Bearbeitungskopf, durch den ein Durch­ gangskanal für den Bearbeitungslaserstrahl hindurch­ geführt ist;
• c) einer Detektorvorrichtung mit mindestens einem Sensor, welchem zu Zwecken der Überwachung und Steuerung des Bearbeitungsvorganges ein von dem Werkstück ausge­ hendes Strahlenbündel zugeführt wird,

sowie eine Detektorvorrichtung zum Anbau an eine solche Vorrichtung.

Die US-PS 52 72 312 beschreibt eine Vorrichtung der oben genannten Art, bei welcher das von der Bearbei­ tungszone des Werkstückes ausgehende "Sekundärlicht" zur Überwachung und Regelung des Bearbeitungsvorganges eingesetzt wird. Unter "Sekundärlicht" werden dabei solche Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge ver­ standen, die in dem bearbeiteten Werkstück durch den Bearbeitungslaserstrahl erzeugt werden. Hierbei handelt es sich zum einen um UV-Licht, welches von der durch den Bearbeitungslaserstrahl in dem Werkstück erzeugten Dampf­ kapillare ausgeht. Diese UV-Strahlung läßt sich, wie der Vorveröffentlichung im einzelnen zu entnehmen ist, zur Kontrolle und Regelung verschiedener Schweißpara­ meter einsetzen. Darüber hinaus geht von dem aufgeschmol­ zenen Bereich des Werkstückes, welcher der Dampfkapillare in Bewegungsrichtung des Bearbeitungskopfes gesehen nacheilt, IR-Strahlung aus, welche sich zur Kontrolle der Güte der Schweißung verwerten läßt. Insbesondere lassen sich mit Hilfe der IR-Strahlung Löcher oder Poren ermitteln und dokumentieren, welche durch das Herausspritzen von Material aus der Schweißnaht entstanden sind. Der unter­ schiedlichen Wellenlänge der genannten Strahlen entspre­ chend sind bei der in der US-PS 52 72 312 beschriebenen Vorrichtung jeweils ein UV-empfindlicher und ein IR-empfind­ licher Sensor vorgesehen. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 sind beide Sensoren in einer einheitlichen Detektorvorrichtung zusammengefaßt. Die Aufspaltung der Strahlen erfolgt entsprechend ihrer Wellenlänge durch einen Spiegel, der für eine der beiden Wellenlängen im wesentlichen durchlässig ist, die andere Wellenlänge dagegen reflektiert.

Bei der bekannten Schweiß- und Schneidvorrichtung ist die Detektorvorrichtung eine von dem Laser-Bearbeitungskopf (der in der Vorveröffentlichung nicht eigens dargestellt ist) vollständig getrennte Einheit, die in dem beengten Raum zwischen Laser-Bearbeitungskopf und Werkstück so untergebracht werden muß, daß sie die vom Werkstück ausgehende Sekundärstrahlung empfangen kann. Dies ist häufig aus geometrischen Gründen mit großen Problemen verbunden. Manchmal muß die Detektorvorrichtung so nahe am Werkstück angeordnet werden, daß sich Temperaturprobleme ergeben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrich­ tung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher die Detektorvorrichtung problemlos positioniert werden kann.

Die oben geschilderte Aufgabe wird, was die Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken angeht, dadurch gelöst, daß

• d) ein Beobachtungskanal durch den Laser-Bearbeitungs­ kopf hindurchgeführt ist und im Betrieb von dem vom Werkstück ausgehenden Strahlenbündel durchtreten wird;
• e) die Detektorvorrichtung so an den Laser-Bearbeitungskopf angebaut ist, daß sie das im Betrieb aus dem Beobach­ tungskanal austretende Strahlenbündel aufnimmt und dem Sensor zuführt.

Erfindungsgemäß wird also das Strahlenbündel, welches zur Überwachung und Beobachtung des Arbeitsvorganges eingesetzt werden soll und in der Detektorvorrichtung in Teil-Strahlenbündel aufgespalten wird, zunächst durch den Laser-Bearbeitungskopf hindurchgeleitet. Die Detektor­ vorrichtung wird dann so an den Laser-Bearbeitungskopf angekoppelt, daß sie das Strahlenbündel aus dessen Beobach­ tungskanal empfängt. Auf diese Weise werden Probleme mit der Zugänglichkeit der geometrischen Bereiche an dem Werkstück, von denen das Strahlenbündel ausgeht, vermieden. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, daß für die wärmeempfindliche Komponenten enthaltende Detektorvorrich­ tung ein größerer Abstand von den heißen Bereichen des Werkstückes gewonnen wird. Dabei kann Nutzen aus den Kühleinrichtungen gezogen werden, die sich im allgemeinen in den Bearbeitungsköpfen von Hochleistungsschweiß- und -schneidvorrichtungen befinden. Außerdem können die ohnehin vorhandenen "Cross-Jets" als effektiver Schutz gegen Verschmutzungen genutzt werden.

Wie bereits erwähnt, sind bei der Schweiß- und Schneid­ vorrichtung nach der US-PS 52 72 312 mehrere Sensoren vorhanden, wobei eine selektive optische Trenneinrich­ tung vorgesehen ist, welche das von dem Werkstück aus­ gehende Strahlenbündel in Teil-Strahlenbündel teilt, die unterschiedlichen Sensoren zugeführt werden. Bei einer derartigen Vorrichtung schlägt die vorliegende Erfindung als besonders vorteilhaft vor, daß die selek­ tive optische Trenneinrichtung durch mindestens einen Spiegel gebildet ist, der so weit in den Strahlengang des Strahlenbündels hineinragt, daß er ein aus einem bestimmten geometrischen Bereich des Werkstücks her­ rührendes Teil-Strahlenbündel aus dem gesamten Strahlen­ bündel abtrennt und auf einen diesem geometrischen Be­ reich zugeordneten Sensor lenkt. Während also die in der US-PS 52 72 312 beschriebene selektive optische Trenneinrichtung auf unterschiedliche optische Eigen­ schaften der Teil-Strahlenbündel setzt, die mit ihrer unterschiedlichen Wellenlänge zusammenhängen, benutzt die erfindungsgemäße selektive optische Trenneinrich­ tung die unterschiedliche geometrische Lage der Teil- Strahlenbündel im Gesamtstrahlenbündel. Auf diese Weise wird die selektive optische Trenneinrichtung im wesent­ lichen wellenlängen-unabhängig einsetzbar, was die Va­ riabilität ihrer Verwendbarkeit deutlich erhöht.

Besonders bevorzugt wird dabei diejenige Ausgestaltung, bei welcher der Spiegel derart in den Strahlengang des Strahlenbündels hineinragt, daß er das von der Dampf­ kapillare des Werkstücks ausgehende Teil-Strahlenbündel zu einem ersten Sensor passieren läßt, während er das Teil-Strahlenbündel, welches von einem in Richtung der Relativbewegung zwischen Laser-Bearbeitungskopf und Werk­ stücks voraus- und/oder nacheilenden geometrischen Bereich ausgeht, auf einen zweiten Sensor lenkt. Dies ist diejenige Ausführungsform der Erfindung, welche zur Erfüllung derselben Funktionen, die in der US-PS 52 72 312 beschrie­ ben sind, zweckmäßigerweise eingesetzt wird.

Die optische Trenneinrichtung kann dabei zwei Spiegel enthalten, welche jeweils zwei gegenüberliegende achs­ ferne Teil-Strahlenbündel auf mindestens einen Sensor ablenken. Mit dieser Ausgestaltung der Erfindung lassen sich also zwei geometrische Bereiche, die, bezogen auf die Richtung der Relativbewegung zwischen Laser-Bearbei­ tungskopf und Werkstück, auf gegenüberliegenden Seiten der Dampfkapillare liegen, erfassen bzw. beobachten.

Die Anordnung kann so getroffen sein, daß die beiden Spiegel über einen solchen Winkel gegen die optische Achse eingestellt sind, daß sie die ihnen zugeordneten Teil-Strahlenbündel auf denselben Sensor lenken. Bei dieser Ausführungsform werden also die beidseits der Dampf­ kapillare liegenden geometrischen Bereiche des Werk­ stückes nicht unterschieden; sie werden "symmetrisch" behandelt. Diese Ausgestaltung eignet sich deshalb besonders dann, wenn die Vorrichtung ohne apparativen Umbau bei zwei entgegengesetzten Richtungen der Relativbewegung zwischen Laser-Bearbeitungskopf und Werkstück eingesetzt werden soll.

Grundsätzlich ist es auch möglich, die in der erwähnten US-PS 52 72 312 beschriebene selektive optische Trenn­ einrichtung, also einen in einem bestimmten Wellenlängen­ bereich selektiv reflektierenden oder in einem bestimmten Wellenlängenbereich selektiv durchlässigen Spiegel beizu­ behalten. Da jedoch die Selektivität derartiger Spiegel niemals einhundertprozentig ist, empfiehlt es sich, diese bekannte selektive optische Trenneinrichtung durch eine "geometrische Komponente" zu ergänzen. Diese besteht vorzugsweise darin, daß im Strahlengang vor mindestens einem Sensor eine Maske angeordnet ist, die eine Durch­ gangsöffnung enthält, welche aus dem gesamten auf den Sensor gerichteten Strahlenbündel diejenigen Strahlen durchläßt, die von einem bestimmten Bereich in der Umge­ bung der im Werkstück erzeugte Dampfkapillare ausgehen. Diese Ausgestaltung macht sich die oben schon erwähnte Tatsache zunutze, daß verschiedene Umgebungsbereiche der Dampfkapillare Sekundärstrahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen aussenden. Da bei ihr sowohl ein selektiv reflektierender bzw. selektiv durchlässiger Spiegel also auch eine Maske eingesetzt werden, kombiniert sie im oben genannten Sinne "optische" mit "geometrischen" Methoden.

Bei den bekannten Vorrichtungen der eingangs genannten Art wurde auf den IR-empfindlichen Sensor ausschließlich derjenige Bereich des Werkstückes abgebildet, welcher in Bewegungsrichtung des Bearbeitungskopfes gesehen der Dampfkapillare (dem "Schweißherd") nacheilt. Bei zwei­ dimensionalem Schweißen ("XY-Schweißen") war es deshalb erforderlich, für den Detektorkopf eine zusätzliche Drehachse um die Achse des abgehenden Laserstrahles vorzusehen, damit der Detektorkopf nacheilend auf die gerade geschweißte Naht hin orientiert werden konnte. Eine solche zusätzliche Drehachse läßt sich mit einer Ausgestaltung der Erfindung erübrigen, bei welcher im Strahlengang eine Einrichtung, z. B. eine Maske, angeordnet ist, welche die vom Schweißherd ausgehenden Strahlen abfängt oder einer gesonderten Auswertung zuführt, und bei welcher die Abbildungsoptik so ausgestaltet ist, daß die von außerhalb des Schweißherdes liegenden Bereichen des Werkstückes ausgehenden Strahlen rotationssymmetrisch auf einen Sensor abgebildet werden.

Die Detektorvorrichtung sollte an dem dem Beobachtungs­ kanal des Laser-Bearbeitungskopfes benachbarten Ende einen in seiner Neigung einstellbaren Umlenkspiegel aufweisen. Mit Hilfe dieses Umlenkspiegels gelingt es, alle vom Bereich der Dampfkapillare bzw. deren Umgebung am Werkstück ausgehende Strahlen richtig in die an den Laser-Bearbeitungskopf anmontierte Detektorvorrichtung einzulenken.

Bei den Sensoren handelt es sich vorzugsweise um (selbst­ verständlich für die entsprechende Wellenlänge) lichtem­ pfindliche Elemente, die gegebenenfalls gegen andere Wellenlängen durch geeignete Filter abgeschirmt sind, insbesondere um Photodioden.

Es kann sich jedoch empfehlen, wenn die lichtempfindli­ chen Elemente (zeitweise) gegen CCD-Kameras austausch­ bar sind. Die direkte visuelle Betrachtung des Gebietes auf dem Werkstück, auf welchen der Bearbeitungslaser­ strahl auftrifft, kann in vielerlei Hinsicht, z. B. zu Justagezwecken, nützlich sein. Auch bei in Betrieb be­ findlicher Vorrichtung ist diese Austauschmöglichkeit sinnvoll: dann kann beispielsweise die Dynamik des Schmelz­ bades durch eine CCD-Kamera beobachtet werden, auf welche das entsprechende Teil-Strahlenbündel abgebildet wird.

Wenn die Vorrichtung nur für eine spezielle Relativ­ bewegung zwischen Werkstück und Schweißkopf ausgelegt zu sein braucht, kann auch ein Ausführungsform gewählt werden, bei welcher die selektive optische Trenneinrichtung eines der von ihm erzeugten Teil-Strahlenbündel auf ein lichtempfindliches Element, insbesondere eine Photodiode, ein anderes von ihm erzeugtes Teil-Strahlenbündel auf eine CCD-Kamera lenkt.

Grundsätzlich ist es nicht unbedingt erforderlich, die beobachtete bzw. erfaßte Zone auf der Werkstück-Ober­ fläche auf den oder die Sensoren durch ein besonders optisches System abzubilden. Gleichwohl empfiehlt es sich, wenn die Vorrichtung eine Abbildungsoptik im Strahlengang des gesamten Strahlenbündels enthält, da dann die Trennung der einzelnen Teil-Strahlenbündel leichter gelingt und die Empfindlichkeit der Detektorvorrichtung größer ist.

Die Abbildungsoptik kann dabei von einem Teleskop gebil­ det sein.

Die oben geschilderte Aufgabe wird, was die anzubauende Detektorvorrichtung betrifft, durch die im Anspruch 14 beschriebene Erfindung gelöst; vorteilhafte Weiter­ bildungen sind in den Ansprüchen 15 bis 25 angegeben. Wegen der Vorteile dieser verschiedenen Ausführungsfor­ men wird auf die entsprechenden Ausführungen oben zur Laser-Bearbeitungsvorrichtung selbst verwiesen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1: einen Schnitt durch einen Laser-Bearbeitungs­ kopf mit hieran befestigter Detektorvorrichtung;

Fig. 2: einen Schnitt durch eine alternative Ausführungs­ form der Detektorvorrichtung, wobei die Schnitt­ ebene senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 1 steht.

In der Fig. 1 ist ein Laser-Bearbeitungskopf insge­ samt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet. Er umfaßt einen Körper 2, der aus mehreren, lösbar miteinander verbundenen Körperteilen 2a, 2b, 2c zusammengesetzt ist. Durch den gesamten Körper 2 ist ein Durchgangs­ kanal 3 für den (nicht dargestellten) Bearbeitungs­ laserstrahl hindurchgeführt. Der Durchgangskanal 3 be­ sitzt ein dem Bearbeitungslaser zugewandtes erstes Ende 4 im Körperteil 2a und ein zweites Ende 5 im Körperteil 2c, welches dem zu bearbeitenden Werkstück 6 benach­ bart ist.

Durch den Körper 2 des Laser-Bearbeitungskopfes 1 sind außerdem mehrere Hilfskanäle geführt, welche der Zufuhr von Arbeits- und Schutzgasen zum Werkstück 6 bzw. zur Kühlung in an und für sich bekannter Weise dienen. Auf die nähere Ausgestaltung dieser Hilfskanäle kommt es im vorliegenden Zusammenhang nicht an; sie sind daher nicht dargestellt.

An dem Laser-Bearbeitungskopf 1 ist in hier nicht näher dargestellter Weise lösbar eine Detektorvorrichtung befestigt, welche insgesamt mit dem Bezugszeichen 15 versehen ist. Die Detektorvorrichtung 15 umfaßt ein schaft­ artiges Verbindungsteil 16, dessen in der Zeichnung links gelegenes, freies Ende in eine Öffnung 17 des oberen Körperteiles 2a des Laser-Bearbeitungskopfes 1 eingeschoben ist, sowie einen Detektorkopf 18.

Das Verbindungsteil 16 der Detektorvorrichtung 15 wird von einer Stufenbohrung 19 durchzogen, deren Achse im wesentlichen senkrecht zur Achse des Durchgangskanales 3 im Laser-Bearbeitungskopf 1 steht. An der Stufe, welche sich zwischen dem Bereich kleineren Durchmessers und dem Bereich größeren Durchmessers der Stufenbohrung 19 bildet, ist eine erste, plankonvexe Linse 20 angeordnet.

Der Detektorkopf 18 der Detektorvorrichtung 15 ist mit einem halsartigen Ansatz 21 versehen, der in den Bereich größeren Durchmessers der Stufenbohrung 19 des Verbin­ dungsteiles 16 eingeschoben ist. Durch den halsartigen Ansatz 21 des Detektorkopfes 18 verläuft ebenfalls eine Stufenbohrung 22, die koaxial zur Stufenbohrung 19 des Verbindungsteiles 16 ist. An der Stufe, welche sich zwischen dem Bereich größeren Durchmessers und dem Bereich kleineren Durchmessers der Stufenbohrung 22 im halsarti­ gen Ansatz 21 bildet, liegt eine zweite, plankonkave Linse 23. Die Linsen 20 und 23 bilden ein Teleskop, dessen Abbildungseigenschaften dadurch eingestellt wer­ den können, daß der halsartige Ansatz 21 des Detektor­ kopfes 18 mehr oder weniger tief in die Stufenbohrung 19 des Verbindungsteiles 16 eingeführt wird. Die jeweils richtige Relativposition das Detektorkopfes 18 gegenüber dem Verbindungsteil 16 und damit der Abstand zwischen den beiden Linsen 20, 23 des Teleskopes läßt sich in geeigneter, in der Zeichnung nicht dargestellter Weise fixieren.

Der halsartige Ansatz 21 des Detektorkopfes 18 ist an seinem innerhalb des Detektorkopfes 18 liegenden Ende mit zwei Trageflächen 24, 25 versehen, welche unter unterschiedlichen Winkeln gegen die Achsen der Stufen­ bohrungen 19, 22 und damit gegen die Achse des durch die Linsen 20, 23 gebildeten Teleskopes angestellt sind. Auf den beiden Trageflächen 24, 25 ist jeweils ein Spie­ gel 26, 27 befestigt. Beide Spiegel 26, 27 reichen mit ihren einander zugewandten Rändern verhältnismäßig nahe an die optische Achse der Detektorvorrichtung 15 heran, so daß zwischen den beiden Spiegeln 26, 27 ein verhält­ nismäßig schmaler Spalt 28 im Bereich der optischen Achse verbleibt.

Der halsartige Ansatz 21 ist mit einem im wesentlichen hohlzylindrischen Gehäuse 29 des Detektorkopfes 18 ver­ bunden und kann mit diesem gegebenenfalls auch einstückig sein. Im Innenraum 30 des Gehäuses 29 ist auf der opti­ schen Achse der Detektorvorrichtung 15 ein erster Sensor 31 angeordnet, bei dem es sich insbesondere um einen UV-empfindlichen Sensor handeln kann.

Ein zweiter Sensor 32, der beim dargestellten Ausführungs­ beispiel als IR-empfindlicher Sensor ausgestaltet ist, befindet sich in einer Radialbohrung 33 des Gehäuses 29. Zwischen dem Sensor 32 und der Stufenbohrung 22 stellt eine Radialbohrung 34 im halsartigen Ansatz 21 des Detektorkopfes 18 eine Verbindung her.

Durch den Körper 2 des Laser-Bearbeitungskopfes 1 ist ein Beobachtungskanal 35 gelegt, der unter einem spitzen Winkel zur Achse des Durchgangskanales 3 für den Bearbei­ tungslaserstrahl steht und insbesondere im Körperteil 2b des Laser-Bearbeitungskopfes 1 zu erkennen ist. Am oberen Ende des Beobachtungskanales 35 ist, beim darge­ stellten Ausführungsbeispiel im Körperteil 2a des Laser- Bearbeitungskopfes 1, ein Umlenkspiegel 36 befestigt, dessen Neigung zur Justage des Strahlenganges in nicht näher dargestellter Weise veränderbar sein kann. Der Umlenkspiegel 36 ist bei dem hier gezeigten Ausführungs­ beispiel teilweise in einem Verbindungsraum 37 unterge­ bracht, welcher in dem an dem Laser-Bearbeitungskopf 1 angebrachten Endbereich des Verbindungsteiles 16 der Detektorvorrichtung 15 ausgebildet ist und eine Verbindung zwischen der Stufenbohrung 19 der Detektorvorrichtung 15 und dem Beobachtungskanal 35 des Laser-Bearbeitungskopfes 1 herstellt.

Der oben beschriebene Laser-Bearbeitungskopf 1 mit angebau­ ter Detektorvorrichtung 15 arbeitet wie folgt:
Zum Schneiden, Schweißen oder sonstigen Bearbeiten des Werkstückes 6 wird auf dieses durch den Durchgangskanal 3 des Laser-Bearbeitungskopfes 1 hindurch ein Bearbei­ tungslaserstrahl fokussiert. Der Bearbeitungs-Laserstrahl schmilzt das Werkstück 6 auf und erzeugt dabei in an und für sich bekannter Weise in diesem eine Dampfkapilla­ re, die in der Zeichnung mit dem Bezugszeichen 6b ver­ sehen ist. Das Werkstück 6 wird in der durch den Pfeil 39 gekennzeichneten Richtung vorgeschoben, derart, daß sich in dem dem Brennfleck des Bearbeitungs-Laserstrahles vorauseilenden Bereich des Werkstückes 6 eine Schmelze bildet, die mit zunehmender Entfernung von der Dampfkapil­ lare 6b erstarrt.

Es ist bekannt, daß von dem in der Nähe des Schweißherdes liegenden Bereich des Werkstückes 6 unterschiedliche Strahlungen ausgehen, die zur Kontrolle des Bearbeitungs­ prozesses und dessen Regelung eingesetzt werden können. Wegen Einzelheiten wird auf die bereits eingangs erwähnte US-PS 52 72 312 verwiesen. Im vorliegenden Zusammenhang genügt es zu wissen, daß aus der eigentlichen Dampfkapil­ lare 6b Strahlung im UV-Bereich zwischen ungefähr 200 nm und 450 nm austritt, aus der bestimmte Informationen über den Schweißvorgang selbst gewonnen werden können. Der aufgeschmolzene bzw. stark erhitzte Bereich des Werkstückes 6, welcher der Dampfkapillare 6b in Bewegungs­ richtung 39 vorauseilt, sendet dagegen IR-Strahlung aus, insbesondere im Bereich zwischen 800 nm und ungefähr 1300 nm, die zur Qualitätskontrolle der erzeugten Schweißnaht oder dergleichen eingesetzt werden kann und insbesondere darüber Auskunft gibt, in welchem Umfange in der entstan­ denen Schweißnaht oder dergleichen Löcher oder Poren entstanden sind.

Der in Bewegungsrichtung 39 nacheilende Bereich 6c des Werkstückes 6 dagegen ist von der eigentlichen Schweißung noch nicht erfaßt und strahlt daher im allgemeinen auch keine oder nur vernachlässigbar wenig Eigenstrahlung aus. Gleichwohl kann es sinnvoll sein, diesen Bereich unter Fremdbeleuchtung zu beobachten. Hierauf wird wei­ ter unten eingegangen.

Mit der Detektorvorrichtung 15 werden alle Bereiche 6a bis 6c des Werkstückes 6 beobachtet bzw. abgetastet. Zur näheren Erläuterung ist jeweils ein von diesen drei geometrischen Bereichen 6a bis 6c ausgehender Strahl als Repräsentant eines entsprechenden Teil-Strahlenbündels in der Zeichnung dargestellt:
Ein von dem Bereich 6a des Werkstückes 6 ausgehender IR-Strahl trägt das Bezugszeichen 40a. Ein aus dem un­ mittelbaren Schweißherd, also der Mündungsstelle der Dampfkapillare 6b austretender UV-Strahl ist mit dem Bezugszeichen 40b versehen. Ein von dem noch verhältnis­ mäßig kalten, der Dampfkapillare 6b in Bewegungsrichtung 39 vorauseilenden Bereich 6c des Werkstücks 6 ausgehender Strahl, bei dem es sich beispielsweise um einen Fremd­ lichtstrahl handeln kann, ist durch das Bezugszeichen 40c gekennzeichnet.

Alle herausgegriffenen Strahlen 40a, 40b, 40c passieren den Beobachtungskanal 35 des Laser-Bearbeitungskopfes 1 und werden vom Umlenkspiegel 36 in die Stufenbohrung 19 der Detektorvorrichtung 15 reflektiert. Die Strahlen 40a bis 40c durchlaufen dann die beiden Teleskoplinsen 20 und 23, wobei das Gesamt-Strahlenbündel seinen Durchmesser ändert, und treffen dann am Ende der Stufenbohrung 22 des Detektorkopfes 18 auf die selektive, durch die beiden Spiegel 26 und 27 gebildete optische Trenneinrichtung.

Der aus dem Bereich 6a des Werkstückes 6 kommende Strahl 40a, welcher (wie alle aus diesem Bereich stammende Strahlen) im oberen Bereich des Gesamt-Strahlenbündels zu finden ist, trifft auf den oberen Spiegel 27 und wird von diesem (auf Grund seiner entsprechenden Schräg­ stellung gegenüber der optischen Achse) auf den IR-Sensor 32 reflektiert.

Der Strahl 40b, der aus dem Bereich 6b des Werkstückes 6 kommt, liegt innerhalb des Gesamt-Strahlenbündels verhältnismäßig achsnah und passiert daher, wie der Zeichnung zu entnehmen ist, den Spalt 28 zwischen den Spiegeln 26 und 27 und trifft dann auf den UV-Sensor 31.

Der Strahl 40c schließlich, der vom Bereich 6c des Werk­ stückes 6 herrührt, liegt innerhalb des Bündels in dem­ jenigen achsfernen Bereich, welcher in der Zeichnung unten dargestellt ist, trifft daher auf den Spiegel 26 und wird (wegen der verglichen mit dem Spiegel 27 etwas anderen Schrägstellung gegenüber der optischen Achse) ebenfalls auf den IR-Sensor 32 reflektiert. Wie ersichtlich, gelingt es durch die beschriebene Detektorvorrichtung 15, das achsnahe Teil-Strahlenbündel 40b, welches aus dem Bereich 6b des Werkstückes 6 stammt, von den achsfernen Teil-Strahlenbündeln 40a und 40c, die aus gegenüber der Bewegungsrichtung des Werkstückes 6 vor- und nacheilenden Bereichen 6a und 6c des Werkstückes 6 stammen, zu trennen, so daß eine getrennte Verarbeitung der in den Sensoren 31 und 32 gewonnenen Signale möglich ist.

Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel ist primär für diejenige, bereits aus der US-PS 52 72 312 bekannte Aufgabe gedacht, beim Schweißen bzw. Schneiden des Werkstückes 6 sowohl die UV-Strahlen 40b zu beobachten, die von der Dampfkapillare 6b ausgehen und Informationen über die Schweißparameter liefern, als auch diejenigen Strahlen 40a zu erfassen, die von der Schmelze bzw. dem gerade erstarrenden Material ausgehen und Informationen über eine eventuelle Porosität oder Löcher in der Schweiß­ naht enthalten. Strahlen 40c, die von dem in Bewegungs­ richtung 39 des Werkstückes 6 nacheilenden Bereich 6c ausgehen, werden also bei dieser normalen Betriebsart nicht erfaßt. Die doppelte Anordnung der Spiegel 26 und 27 hat bei dieser Vorrichtung den Sinn, gegebenenfalls die Schweißrichtung 39 umkehren zu können, ohne apparative Veränderungen vornehmen zu müssen. Dann nämlich stellt der Bereich 6c des Werkstückes 6 den in Bewegungsrichtung des Werkstückes 6 vorauseilenden Bereich dar, der die IR- Strahlen aussendet. In diesem Falle tritt der Umlenkspiegel 26 in Funktion.

Aus dem Obigen wird umgekehrt deutlich, daß es möglich ist, statt zweier Spiegel 26 und 27 gegebenenfalls auch nur einen Spiegel zu verwenden, wenn die Detektorvorrichtung 15 stets nur bei einer Richtung der Relativbewegung zwischen Laser-Bearbeitungskopf 1 und Werkstück 6 betrieben wird.

Die Sensoren 31 und 32 können zum Einjustieren der De­ tektorvorrichtung 15 (zeitweise) durch nicht dargestellte Fernsehkameras (CCD-Kameras) ersetzt werden.

Bei einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist neben dem IR-empfindlichen Sensor 32 im Gehäuse 29 des Detektorkopfes 18 eine Fernsehkamera permanent instal­ liert. Die beiden Spiegel 26 und 27 sind nunmehr - anders als beim Ausführungsbeispiel, welches in der Zeichnung dargestellt ist - so gegenüber der optischen Achse der Detektorvorrichtung 15 angestellt, daß einer dieser beiden Spiegel 26, 27 nach wie vor den in Bewegungsrichtung 39 des Laser-Bearbeitungskopfes 1 nacheilenden Bereich 6a auf den IR-Sensor 32, der andere Spiegel 26, 27 dagegen den vorauseilenden Bereich 6c zu Beobachtungszwecken auf die Fernsehkamera abbildet. Hierzu kann der Bereich 6c des Werkstückes 6, wie oben bereits angedeutet, mit Fremdlicht beleuchtet werden.

In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Detektorvorrichtung 115 dargestellt, welche anstelle der Detektorvorrichtung 15 von Fig. 1 an den Laser-Bearbei­ tungskopf 1 angebaut werden kann. Die Schnittebene von Fig. 2 ist senkrecht zu derjenigen von Fig. 1 gelegt; die Blickrichtung ist also in Fig. 1 von oben nach unten. Die in Fig. 2 gezeigte Detektorvorrichtung 115 ähnelt in vielen Aspekten der Detektorvorrichtung 15 von Fig. 1; entsprechende Teile sind daher mit demselben Bezugzeichen zzgl. 100 gekennzeichnet. Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich auf die Erläuterung von Unterschieden zwischen den beiden Ausführungsbeispielen.

Die Detektorvorrichtung 115 von Fig. 2 besitzt ein über die gesamte axiale Länge einstückiges Außengehäuse 116, in dessen Innenraum die verschiedenen Komponenten eingeschoben und befestigt sind. Wiederzufinden aus Fig. 1 sind, in Fig. 2 von links nach rechts gehend, der Umlenkspiegel 136, der in einem im Gehäuse 116 ver­ drehbaren Führungsteil 152 gehalten ist, sowie die plankon­ vexe Linse 120, die Teil des abbildenden Teleskopes und in einer Hülse 153 verschiebbar geführt ist. Das Strahlenbündel, welches das Teleskop durchsetzt hat, trifft nunmehr auf einen unter einem Winkel von etwa 45° gegen die optische Achse angestellten Spiegel 126, der in einem bestimmten Wellenlängenbereich selektiv durchlässig ist. Statt einer selektiven Durchlässigkeit kann auch eine selektive Reflektivität gewählt werden. Dies bedeutet, daß aus dem gesamten Strahlenbündel, welches das Teleskop durchsetzt und aus dem die Dampf­ kapillare 6b umgebenden Bereich 6a bis 6c von Fig. 1 herrührt, nur bestimmte Strahlen mit einer bestimmten Wellenlänge, also beispielsweise nur Strahlen aus dem Bereich 6b der Dampfkapillare selbst, durch den Spiegel 126 hindurchgelassen werden. Dieses Teil-Strahlenbündel setzt nunmehr seinen Weg entlang der optischen Achse fort und trifft auf eine Maske 150, die eine Durchgangs­ öffnung 151 enthält. Position und Form dieser Maske sind so gewählt, daß die die Durchgangsöffnung 151 passie­ renden Strahlen ausschließlich aus dem gewünschten Bereich des Werkstückes, z. B. eben aus dem Bereich der Dampfkapil­ lare 6b, stammen. Die Durchgangsöffnung 151 der Maske 150 stellt also eine die Selektivität des Spiegels 126 ergänzende Maßnahme dar, so daß der selektiv reflektie­ rende Spiegel 126 zusammen mit der Maske 150 bei diesem Ausführungsbeispiel die optisch selektive Trenneinrich­ tung bildet. Die nunmehr sowohl optisch (nach der Wellen­ länge) als auch geometrisch ausgesonderten Strahlen treffen auf den ersten Sensor 131, bei dem es sich beispielsweise um einen UV-Sensor handeln kann.

Durch Reflexion an dem Spiegel 126 entsteht ein zweites Teil-Strahlenbündel mit anderer Wellenlänge, welches aus einem oder mehreren anderen Bereich(en) des Werkstücks 6, z. B. den Bereichen 6a und 6c, herrührt und gegenüber der optischen Achse der Detektoreinrichtung 115 um etwa 90° abgelenkt und in eine Radialbohrung 133 des Gehäuses 116 gerichtet wird. Diese Radialbohrung 133 führt zu einem zweiten, in Fig. 2 nicht mehr dargestellten Sensor, bei dem es sich dann z. B. um einen Infrarotsensor handeln kann. Auch diesem Sensor ist eine Maske 154 vorgeschaltet, der Durchgangsöffnungen 155, 156 enthält. Form und Lage dieser Durchgangsöffnungen 155 und 156 der Maske 154 sind so gewählt, daß die entsprechenden Bereiche (im Beispiel die Bereich 6a und 6c) des Werkstückes 6 auf sie abgebildet werden, daß also nur von diesen Bereichen (im Beispiel 6a und 6c) ausgehende Strahlung auf den zweiten Sensor gelangen können.

Selbstverständlich können auch bei der Detektorvorrichtung 115 nach Fig. 2 der Sensor 131 und der nicht dargestellte zweite Sensor bedarfsweise durch Fernsehkameras (CCD- Kameras) ersetzt werden. Die Funktionsweise dieser Detek­ torvorrichtung 115 entspricht weitestgehend derjenigen, die oben für die Detektorvorrichtung 15 beschrieben wurde; hierauf kann Bezug genommen werden.

Claims (26)

1. Vorrichtung zum Bearbeiten, beispielsweise Schwei­ ßen und Schneiden, eines Werkstückes mittels eines Bearbeitungslaserstrahles mit

• a) einem Laser, der den Bearbeitungslaserstrahl erzeugt;
• b) einem Laser-Bearbeitungskopf, durch den ein Durch­ gangskanal für den Bearbeitungslaserstrahl hindurch­ geführt ist;
• c) einer Detektorvorrichtung mit mindestens einem Sensor, welchem zu Zwecken der Überwachung und Steuerung des Bearbeitungsvorganges ein von dem Werkstück ausge­ hendes Strahlenbündel zugeführt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

• d) ein Beobachtungskanal (35) durch den Laser-Bearbeitungs­ kopf (1) hindurchgeführt ist und im Betrieb von dem vom Werkstück (6) ausgehenden Strahlenbündel (40a, 40b, 40c) durchtreten wird;
• e) die Detektorvorrichtung (15; 115)) so an den Laser- Bearbeitungskopf (1) angebaut ist, daß sie das im Betrieb aus dem Beobachtungskanal (35) austretende Strahlenbündel (40a, 40b, 40c) aufnimmt und dem Sensor (31, 32; 131, 132) zuführt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher mehrere Sensoren vorhanden sind und eine selektive optische Trenneinrichtung vorgesehen ist, welche das von dem Werkstück ausgehende Strahlenbündel in Teil-Strahlen­ bündel trennt, die unterschiedlichen Sensoren zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive optische Trenneinrichtung durch mindestens einen Spiegel (26, 27) gebildet ist, der so weit in den Strahlengang des Strahlenbündels (40a, 40b, 40c) hineinragt, daß er ein aus einem bestimmten geometrischen Bereich (6a, 6b, 6c) des Werkstückes (6) herrührendes Teil-Strahlenbündel (40a, 40b, 40c) aus dem gesamten Strahlenbündel (40a, 40b, 40c) abtrennt und auf einen diesem geometrischen Bereich (6a, 6b, 6c) zugeordneten Sensor (31, 32) lenkt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (26, 27) so in den Strahlengang des Strahlenbündels (40a, 40b, 40c) hineinragt, daß er das von der Dampfkapillare (6b) des Werkstücks (6) ausgehende Teil-Strahlenbündel (40b) zu einem ersten Sensor (31) passieren läßt, während er das Teil-Strahlen­ bündel (40a), welches von dem in Richtung (39) der Rela­ tivbewegung zwischen Laser-Bearbeitungskopf (1) und Werkstück (6) der Dampfkapillare (6b) voraus- und/oder nacheilenden geometrischen Bereich (6a, 6c) ausgeht, auf einen zweiten Sensor (32) lenkt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Spiegel (26, 27) enthält, welche jeweils zwei gegenüberliegende, achsferne Teil-Strahlenbündel (40a, 40b) auf mindestens einen Sensor (32) ablenken.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spiegel (26, 27) unter einem solchen Winkel gegen die optische Achse angestellt sind, daß sie die ihnen zugeordneten Teil-Strahlenbündel (40a, 40c) auf denselben Sensor (32) lenken.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die selek­ tive optische Trenneinrichtung von einem in einem bestimmten Wellenlängenbereich selektiv reflektierenden oder in einem bestimmten Wellenlängenbereich selektiv durchlässigen Spiegel gebildet wird, dadurch gekennzeich­ net, daß im Strahlengang vor mindestens einem Sensor (131) eine Maske (150, 154) angeordnet ist, die mindestens eine Durchgangsöffnung (151, 155, 156) enthält, welche aus dem gesamten auf den Sensor (131) gerichteten Strah­ lenbündel diejenigen Strahlen durchläßt, die von mindestens einem bestimmten Bereich in der Umgebung der im Werkstück erzeugten Dampfkapillare ausgehen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang eine Einrichtung, z. B. eine Maske, angeordnet ist, welche die vom Schweißherd ausgehenden Strahlen abfängt oder einer gesonderten Auswertung zuleitet, und daß die Abbildungsoptik so ausgestaltet ist, daß die von außerhalb des Schweißherdes liegenden Bereichen des Werkstückes ausgehenden Strahlen rota­ tionssymmetrisch auf einen Sensor abgebildet werden.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorvorrichtung (115) an dem dem Beobachtungskanal (35) des Laser-Bear­ beitungskopfes (1) benachbarten Ende einen in seiner Neigung einstellbaren Umlenkspiegel (136) aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (31, 32; 131) lichtempfindliche Elemente, insbesondere Photodioden, sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindlichen Elemente gegen CCD-Kameras austauschbar sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive optische Trennein­ richtung (26, 27; 120) das eine der von ihm erzeugten Teil- Strahlenbündel auf ein lichtempfindliches Element, insbe­ sondere eine Photodiode, ein anderes von ihm erzeugtes Teil-Strahlenbündel auf eine CCD-Kamera lenkt.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Abbildungsoptik (20, 23; 120) im Strahlengang des gesamten Strahlenbündels (40a, 40b, 40c) enthält.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik (20, 23; 120) von einem Teleskop gebildet ist.

14. Detektorvorrichtung zum Anbau an eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei welcher mehrere Sensoren vorhanden sind und eine selektive optische Trenneinrichtung vorgesehen ist, welche das von dem Werkstück ausgehende Strahlenbündel in Teil-Strahlen­ bündel trennt, die unterschiedlichen Sensoren zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive optische Trenneinrichtung durch mindestens einen Spiegel (26, 27) gebildet ist, der so weit in den Strahlengang des Strahlenbündels (40a, 40b, 40c) hineinragt, daß er ein aus einem bestimmten geometrischen Bereich (6a, 6b, 6c) des Werkstückes (6) herrührendes Teil-Strahlenbündel (40a, 40b, 40c) aus dem gesamten Strahlenbündel (40a, 40b, 40c) abtrennt und auf einen diesem geometrischen Bereich (6a, 6b, 6c) zugeordneten Sensor (31, 32) lenkt.

15. Detektorvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Spiegel (26, 27) so in den Strah­ lengang des Strahlenbündels (40a, 40b, 40c) hineinragt, daß er das von der Dampfkapillare (6b) des Werkstücks (6) ausgehende Teil-Strahlenbündel (40b) zu einem ersten Sensor (31) passieren läßt, während er das Teil-Strahlen­ bündel (40a), welches von dem in Richtung (39) der Rela­ tivbewegung zwischen Laser-Bearbeitungskopf (1) und Werkstück (6) der Dampfkapillare (6b) voraus- und/oder nacheilenden geometrischen Bereich (6a, 6c) ausgeht, auf einen zweiten Sensor (32) lenkt.

16. Detektorvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie zwei Spiegel (26, 27) enthält, welche jeweils zwei gegenüberliegende, achsferne Teil- Strahlenbündel (40a, 40b) auf mindestens einen Sensor (32) ablenken.

17. Detektorvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Spiegel (26, 27) unter einem solchen Winkel gegen die optische Achse angestellt sind, daß sie die ihnen zugeordneten Teil-Strahlenbündel (40a, 40c) auf denselben Sensor (32) lenken.

18. Detektorvorrichtung zum Anbau an eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei welcher mehrere Sensoren vorhanden sind und eine selektive optische Trenneinrichtung vorgesehen ist, welche das von dem Werkstück ausgehende Strahlenbündel in Teil-Strahlen­ bündel trennt, die unterschiedlichen Sensoren zugeführt werden, und einen in einem bestimmten Wellenlängenbereich selektiv reflektierenden oder in einem bestimmten Wellen­ längenbereich selektiv durchlässigen Spiegel umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang vor mindestens einem Sensor (131) eine Maske (150, 154) angeordnet ist, die mindestens eine Durchgangsöffnung (151, 155, 156) enthält, welche aus dem gesamten auf den Sensor (131) gerichteten Strahlenbündel diejenigen Strahlen durchläßt, die von mindestens einem bestimmten Bereich in der Umgebung der im Werkstück erzeugten Dampfkapillare ausgehen.

19. Detektorvorrichtung zum Anbau an eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Strahlengang eine Einrichtung, z. B. eine Maske, angeordnet ist, welche die vom Schweißherd ausgehenden Strahlen abfängt oder einer gesonderten Auswertung zuführt, und daß die Abbildungsoptik so ausge­ staltet ist, daß die von außerhalb des Schweißherdes liegenden Bereichen ausgehenden Strahlen rotationssymmet­ risch auf einen Sensor abgebildet werden.

20. Detektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß sie an dem dem Beobachtungskanal (35) des Laser-Bearbeitungskopfes (1) benachbarten Ende einen in seiner Neigung einstell­ baren Umlenkspiegel (136) aufweist.

21. Detektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (31, 32; 131) lichtempfindliche Elemente, insbesondere Photodioden, sind.

22. Detektorvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die lichtempfindlichen Elemente gegen CCD-Kameras austauschbar sind.

23. Detektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive optische Trenneinrichtung (26, 27; 126) das eine der von ihm erzeugten Teil-Strahlenbündel auf ein lichtempfindliches Element, insbesondere eine Photodiode, ein anderes von ihm erzeugtes Teil-Strahlenbündel auf eine CCD-Kamera lenkt.

24. Detektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Abbildungsoptik (20, 23; 120) im Strahlengang des gesamten Strahlenbündels (40a, 40b, 40c) enthält.

25. Detektorvorrichtung nach Anspruch 24, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abbildungsoptik (20, 23, 120) von einem Teleskop gebildet ist.