DE3626944A1

DE3626944A1 - Verfahren und vorrichtung zum fokussieren und steuern einer hochleistungsenergiequelle

Info

Publication number: DE3626944A1
Application number: DE19863626944
Authority: DE
Inventors: Werner Dr Ing Jueptner; Ruediger Dr Ing Rothe; Gerd Dr Ing Sepold
Original assignee: Bremer Institut fuer Angewandte Strahltechnik BIAS GmbH
Current assignee: Bremer Institut fuer Angewandte Strahltechnik BIAS GmbH
Priority date: 1986-08-08
Filing date: 1986-08-08
Publication date: 1988-02-18

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 8 zur Durchführung des Verfah rens.

Zum Verbinden (Schweißen), Schneiden oder Härten von Werk stücken, bei denen besonders feine Bearbeitungen notwendig sind, verwendet man in zunehmendem Maße Laserstrahlen (bei der Bearbeitung von Stahl insbesondere CO₂-Laser). Der Laserstrahl muß auf das Werkstück fokussiert werden, was im allgemeinen mit Hilfe von Fokussierspiegeln relativ kurzer Brennweiten geschieht. Der Fokussierspiegel ist in einem Arbeitskopf der Apparatur angebracht und befindet sich somit ganz kurz vor dem Werkstück. Werkstück und Vor richtung bzw. Laserstrahl werden relativ zueinander be wegt.

Der Laserstrahl tritt aus einer Öffnung im Arbeitskopf aus. Diese Öffnung wird im allgemeinen so klein wie möglich ausgebildet. Der Laserstrahl muß somit möglichst exakt koaxial zur Austrittsöffnung verlaufen. Weiterhin bewirkt eine außermittige Lage der Austrittsöffnung zum Laserstrahl kegel (nach dem Fokussieren) eine Ablenkung des Fokuspunk tes von der Längsmittelachse des Laserstrahls. Durch eine schlechte Fokussierung aber wird die Bearbeitungsqualität gesenkt.

Weiterhin muß der Auftreffort des fokussierten Laserstrahls auf dem Werkstück kontrolliert werden, damit sowohl seine Lage in der Horizontalen als auch in der Tiefe gesehen exakt den geforderten Bedingungen entspricht.

Aus der DE-OS 34 11 140 ist ein Verfahren zum Fokussieren eines Lasers bekannt, bei dem man bei ausgeschaltetem Laser in dessen Strahlengang an einer definierten Stelle ein Endoskop einbringt und mit dessen Hilfe die Lage der Austrittsöffnung bezüglich des Arbeitspunktes bzw. der vorgesehenen Arbeitslinie (z. B. Schweißnaht) ausrichtet. Dieses Verfahren funktioniert zwar zufriedenstellend, jedoch kann eine kontinuierliche Überwachung bei ange schaltetem Laserstrahl nicht erfolgen, da das Endoskop sich im Strahlengang befindet.

Ausgehend vom oben genannten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren und Vorrich tung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß eine exakte Fokussierung und Steuerung während des Laserbetriebs möglich wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß man während des Laserbetriebes ein mindestens ring-sektor-förmiges Feld rings um den bzw. koaxial zum Laserstrahl bzw. dessen Auftreffort auf dem Werkstück beobachtet und den Laser strahl entsprechend dem Beobachtungsergebnis fokussiert bzw. steuert.

Es wird also zwar nicht der Auftreffort selbst beobach tet, aber doch die allernächste Umgebung, so daß man die Lage des Laserstrahls zur Austrittsöffnung und zum Auftreffort durch Analyse der Umgebung "interpolieren" kann und entsprechend dem Beobachtungsergebnis die Fokussierung bzw. Steuerung vornimmt.

Vorzugsweise beleuchtet man das Feld mit einem weiteren (Abbildungs-)Laser geringerer Energie. Auf diese Weise ist es möglich, Informationen auch über diejenigen Ab schnitte des Werkstückes oder der eigentlichen Vorrich tung (Rand der Austrittsöffnung) zu erhalten, die nicht durch das vom Werkstück aufgrund dessen Erhitzung ausge sandte Licht beleuchtet werden. Hierbei ist es von Vor teil, wenn man die Bildinformation aus dem Feld um den Laserstrahl nur in einem begrenzten Wellenlängenband beobachtet, und zwar insbesondere in dem Wellenband, in dem die Wellenlänge des Abbildungslasers liegt. Auf diese Weise bekommt man eine relativ gleichmäßige Beleuchtungs stärke, da der Abbildungslaser in dem ausgefilterten Be reich eine hohe Leuchtdichte erzeugt, während das vom Werkstück (bzw. vom Plasma) ausgesandte Licht in einem sehr schmalen Wellenlängenband nur eine geringe Intensi tät aufweist, obwohl die Gesamtstrahlungsleistung sehr hoch sein kann. Weiterhin wird vorzugsweise in einem Wellenlängenbereich beobachtet (bzw. beleuchtet), der außerhalb des vom "Arbeits-"Laser erzeugten Wellenlängen bereichs liegt. Dadurch ist gewährleistet, daß reflektier te Strahlung des Arbeits-Lasers die Beobachtung nicht stören kann.

Besonders einfach gestaltet sich das Verfahren dann, wenn man die Beobachtung durch die Optik des Lasers vornimmt, da dann kein Parallaxefehler od. dgl. auftreten kann und die Apparatur besonders einfach wird.

Vorzugsweise wandelt man die Bildinformation aus dem beo bachteten Feld in elektrische Signale um bzw. digitalisiert sie und erzeugt mittels einer Datenverarbeitungsanlage (i. w. S.) dann Steuerungssignale zum Nachführen bzw. Fokussieren des Laserstrahls, wenn die Bildinformation von einem vorgegebenen bzw. gespeicherten Muster oder von einem Intensitätswert abweicht. Diese besonders wichtige, vorteilhafte Möglichkeit ist gegenüber dem eingangs erwähn ten bekannten Verfahren dadurch gegeben, daß Beobachtung und Bearbeitung gleichzeitig stattfinden können. Man kann damit die Lage des Auftreffortes des Laserstrahls "automa tisch" dem Verlauf z. B. einer Schweißfuge nachführen oder auch - beim Trennen - einer geeigneten Markierung nachlau fen lassen.

Die insbesondere zur Durchführung des eingangs beschriebe nen Verfahrens geeignete Vorrichtung zeichnet sich da durch aus, daß zusätzliche optische Vorrichtungen vorge sehen sind, die derart ausgebildet und in der Nähe des Lichtweges des Laserstrahls angeordnet sind, daß Licht strahlen mit einer dem Laserstrahl im wesentlichen entge gengesetzten Ausbreitungsrichtung, die ihren Ursprung in der Nähe bzw. rings um den Laserstrahl bzw. dessen Auf treffort auf dem Werkstück haben, vom Laserstrahl fort, in eine Abbildungsoptik projiziert werden.

Um die den Strahl des Arbeitslasers fokussierenden Elemente gleichzeitig für die Beobachtung bzw. Erzeugung eines Bil des verwenden zu können, ist es von Vorteil, wenn die zu sätzlichen optischen Vorrichtungen vom Werkstück aus ge sehen nach dem fokussierenden Element vorgesehen und der art ausgerichtet sind, daß dieses fokussierende Element Wirk-Bestandteil der Beobachtungsoptik ist.

Vorzugsweise wird die Bildinformation, die im wesentli chen parallel bzw. rings um den Laserstrahl vorliegt, über einen Spiegel in die Abbildungsoptik abgelenkt, der eine mittige Öffnung aufweist, durch welche der Strahl des Ar beitslasers ungehindert hindurchtreten kann.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung, zu deren Erläuterung Zeichnungen dienen. Hierbei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht der erfindungs gemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Wellenlängen- Lagen,

Fig. 3 eine schematisierte Darstellung der vorliegen den Bildinformation, und

Fig. 4 eine geschnittene, perspektivische Ansicht eines typischen zu verschweißenden Werkstücks.

In Fig. 1 ist ein schematisierter Längsschnitt durch eine Vorrichtung gezeigt, die ein Gehäuse 1 umfaßt, an dessen unterem Ende ein Arbeitskopf 4 angebracht ist. Der Strahl 2 eines hier nicht dargestellten CO₂-Lasers fällt mittig durch das Gehäuse 1 und wird von einem Umlenkspiegel 3 im Arbeitskopf 4 auf einen Fokussierspiegel 5 geworfen, der den Laserstrahl 2 durch eine Austrittsöffnung 18 hindurch auf ein Werkstück 6 unter dem Arbeitskopf 4 fokussiert. Der Fokus-Punkt befindet sich hierbei in einer gewissen Tiefe s unter der Oberfläche des Werkstückes 6.

Im rechten Winkel zu dem nach unten ragenden Gehäuse 1 ist ein seitlicher Tubus 8 angebracht, der zum einen einen wieder vertikal (in Fig. 1) angeordneten Tubus 17 aufweist, an dem ein Abbildungslaser 16 fixiert ist, vor dem ein Ab bildungsobjektiv 15 angeordnet ist.

Der Tubus 8 weist an seinem dem Gehäuse 1 gegenüberlie genden Ende eine Fernsehkamera 14 mit dazugehörigem Beobachtungsobjektiv 13 auf, vor dem wiederum ein Filter 12 angeordnet ist.

Die optischen Achsen des Abbildungslasers 16 mit Abbil dungsobjektiv 15 und der Fernsehkamera 14 mit Beobachtungs objektiv 13 stehen senkrecht aufeinander und schneiden sich in einem Punkt im seitlichen Tubus 8. In diesem Punkt liegt ein teildurchlässiger Spiegel 11 im 45°-Winkel zu beiden optischen Achsen, und zwar derart, daß das vom Beobachtungslaser 16 ausgesandte Licht vom Spiegel 11 in Richtung auf den Strahl 2 des Arbeitslasers gesandt wird und das aus dieser Richtung auf die Kamera 14 hin gerich tete Licht durch den Spiegel 11 hindurchtritt und durch das Filter 12 und das Beobachtungsobjektiv 13 in die Kamera 14 gelangt.

Die nach dem teildurchlässigen Spiegel 11 gemeinsame op tische Achse von Kamera 14 und Abbildungslaser 16 schneidet den Laserstrahl 2 bzw. dessen Mittenachse im rechten Winkel. An dieser Schnittstelle ist ein Spiegel 9 im Gehäuse 1 im rechten Winkel zum Laserstrahl 2 und der gemeinsamen optischen Achse angebracht, der eine im we sentlichen mittige ellipsenförmige Öffnung 10 aufweist. Der Spiegel 9 ist hierbei so angeordnet, daß der Laser strahl 2 durch die Öffnung 10 ungehindert hindurchtreten kann und die Oberflächenebene den Schnittpunkt der vorer wähnten optischen Achsen schneidet.

Durch diese Anordnung ist gewährleistet, daß aus dem Ab bildungslaser 16 und dessen Objektiv 15 über den Spiegel 11 reflektiertes Licht auf den Spiegel 9 fällt und im we sentlichen parallel bzw. koaxial zum Laserstrahl 2 nach unten, in Richtung auf den Umlenkspiegel 3 und von diesem über den Fokussierspiegel 5 auf das Werkstück 6 geleitet wird. Der Umlenkspiegel 3 und der Fokussierspiegel 5 sind hierbei größer dimensioniert, als dies für die ausschließli che Reflektion bzw. Fokussierung des Laserstrahls 2 notwen dig wäre.

Vom Werkstück 6 reflektiertes Licht des Abbildungslasers 16 sowie Licht, das vom verdampfenden Material des Werk stücks 6 ausgesandt wird, fällt über den Fokussierspiegel 5, den Umlenkspiegel 3 und den Lochspiegel 9 durch den teildurchlässigen Spiegel 11, das Filter 12 und das Beo bachtungsobjektiv 13 in die Kamera 14. Weiterhin fällt vom Rand der Austrittsöffnung 18 im Arbeitskopf 4 reflektier tes Licht des Abbildungslasers 16 über die Spiegelanord nung usw. in die Kamera 14. Das daraus sich ergebende Bild ist in Fig. 3 gezeigt. Bei dieser Darstellung wird davon ausgegangen, daß das Werkstück 6 aus zwei miteinander zu verbindenden Blechen 6′ und 6′′ besteht, die zur Vorberei tung der Schweißnaht mit der üblichen Kerbe 19 versehen sind. In dem in Fig. 3 gezeigten schematisierten Bild wird mit dem Pfeil A ein Abbildungsloch (dunkel) bezeichnet, das durch die Öffnung 10 im Spiegel 9 entsteht. Rings um das Abbildungsloch A ist ein ringförmiger erster Bildausschnitt B gezeigt, der die Oberfläche des Werkstücks 6 mit der darin liegenden Kerbe 19 zeigt. Der Bildausschnitt B wird von einem zweiten Bildausschnitt C umgeben, der den Rand der Austrittsöffnung 18 zeigt. Mit D ist der Bildrand be zeichnet, der sich aus dem optischen Element mit dem ge ringsten wirksamen Durchmesser ergibt.

Aus der in Fig. 3 gezeigten Bildinformation kann also zum einen die Lage des Laserstrahls 2 relativ zum Werkstück 6 und zur Austrittsöffnung 18 exakt bestimmt werden, da der Laserstrahl 2 aufgrund der vorgegebenen geometrischen An ordnung des Spiegels 9 bzw. seiner Öffnung 10 zum Strahl 2 in jedem Fall konzentrisch zur Fläche A liegt. Wenn somit der innere Rand des zweiten Bildausschnittes C bzw. der äußere Rand des ersten Bildausschnittes B nicht konzen trisch zum Abbildungsloch A liegen, so ist der Strahl 2 des Lasers nicht exakt konzentrisch zur Austrittsöffnung 18 justiert. Eine entsprechende Nachjustierung ist damit leicht möglich.

Wenn weiterhin die Verbindungslinie zwischen den zwei Ab bildungsabschnitten der Kerbe 19 im ersten Bildausschnitt B nicht durch das Zentrum des Abbildungsloches A verläuft, bedeutet dies, daß der Auftreffort 7 des Laserstrahls 2 nicht exakt mittig zur Kerbe 19 liegt. Ein entsprechendes Nachführen ist dann notwendig.

Zum Einstellen des Auftreffortes 7 relativ zum Werkstück 6 bzw. zur Kerbe 19 wird bei einer bevorzugten Ausführungs form das aus der Fernsehkamera 14 kommende Signal einer Signalauswerteinheit (Mikroprozessor) zugeführt, die im einfachsten Fall das Ausgangssignal auf Symmetrie unter suchen kann. Es wird in diesem Fall der (virtuelle) Bild mittelpunkt bestimmt und die (virtuelle) Verbindungslinie zwischen den Abbildungspunkten der Kerbe 19 im Feld B be stimmt. Das Werkstück 6 wird dann so lange zur Vorrichtung nachgestellt, bis der Bildmittelpunkt auf der Verbindungs linie liegt. Selbstverständlich sind auch andere Verfah rensweisen denkbar.

Um ein Bild mit möglichst hohem Störabstand bzw. zeitlich gleichmäßigem, vom Arbeitsvorgang unabhängigem Signalver lauf der Fernsehkamera 14 zu erzeugen, legt man, wie in Fig. 2 gezeigt, nicht nur den Durchlaßbereich c des Fil ters 12 symmetrisch zur Wellenlänge b des Abbildungslasers 16, sondern wählt auch die Wellenlänge, auf der das Abbil dungssystem arbeitet, anders als die Wellenlänge des Ar beitslasers, der normalerweise bei niedrigeren Wellenlän gen (abhängig vom zu bearbeitenden Material) arbeitet, als dies für eine einwandfreie Signalwandlung einer Fern sehkamera zuträglich ist. Wenn dann z. B. am Rand der Aus trittsöffnung 18 reflektierte Strahlung des Arbeitslasers auf das Filter 12 trifft, so wird diese u. U. für die Fern sehkamera viel zu hohe Energie durch das Filter 12 absor biert. Weiterhin wird die sehr hohe Gesamtenergie, die im Spektrum d des durch die Erhitzung entstehenden Plasmas entsteht, nur in dem schmalen Durchlaßbereich c des Fil ters 12 zur Fernsehkamera 14 hindurchgelassen. In diesem schmalen Bereich ist aber die Energie des Abbildungslasers 16 höher, so daß die Abbildung in erster Linie durch das exakte, fokussiert arbeitende Beleuchtungssystem bewerk stelligt wird. Somit treten im wesentlichen keine das Bild störenden Helligkeitsschwankungen auf, die durch zeitli che Schwankungen der Strahlungsenergie des Plasmas ent stehen.

Bezugszeichenliste 1 Gehäuse
2 (Arbeits-)Laserstrahl
3 Umlenkspiegel
4 Arbeitskopf
5 Fokussierspiegel
6 Werkstück
7 Auftreffort
8 Seitlicher Tubus
9 Lochspiegel
10 Öffnung
11 Teildurchlässiger Spiegel
12 Filter
13 Beobachtungsobjektiv
14 Kamera
15 Abbildungsobjektiv
16 Abbildungslaser
17 Vertikaltubus
18 Austrittsöffnung
19 Kerbea CO₂-Laser
b HeNe-Laser
c Filterdurchlaßkurve
d Plasma-SpektrumA Abbildungsloch
B 1. Bildausschnitt
C 2. Bildausschnitt
D Bildrand

Claims

1. Verfahren zum Fokussieren und Steuern einer Hochleistungsenergiequelle, insbesondere eines Lasers, relativ zu einem Werkstück, wobei der Laserstrahl mit tels einer Optik fokussiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß man während des Laserbetriebs ein mindestens ring-sektor förmiges Feld ringsum den bzw. koaxial zum Laserstrahl bzw. dessen Auftreffort auf dem Werkstück beobachtet und den Laserstrahl entsprechend dem Beobachtungsergeb nis fokussiert bzw. steuert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß man das ringförmige Feld mit einem weiteren Laser vorzugsweise geringerer Energie (Abbildungslaser) beleuchtet.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Bildinforma tion aus dem ringförmigen Feld nur in einem begrenzten Wellenlängenband beobachtet.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, da durch gekennzeichnet, daß man die Bildinformation in demjenigen Wellenlängenband beobachtet, in dem die Wellenlänge des Abbildungslasers liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß man die Wellenlänge des Abbildungslasers unterschiedlich von der des Beobachtungslasers wählt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Beobachtung durch die Optik des Lasers vornimmt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Bildinfor mation aus dem ringförmigen Feld in elektrische Signale umwandelt (digitalisiert) und mittels einer Datenverar beitungsanlage dann Steuersignale zum Nachführen bzw. Fokussieren des Laserstrahls erzeugt, wenn die Bildin formation von einem vorgegebenen (gespeicherten) Muster bzw. Intensitätswert abweicht.

8. Vorrichtung zum Fokussieren und Steuern einer Hochleistungsenergiequelle, insbesondere eines Lasers, dessen Strahl über eine in einem Gehäuse befindliche Optik auf ein Werkstück fokussiert wird, dadurch gekenn zeichnet, daß zusätzliche optische Vorrichtungen (9, 10) vorgesehen sind, die derart ausgebildet und in der Nähe des Lichtweges des Laserstrahls (2) angeordnet sind, daß Lichtstrahlen mit einer dem Laserstrahl (2) im wesentli chen entgegengesetzten Ausbreitungsrichtung, die ihren Ursprung in der Nähe bzw. rings um den Laserstrahl (2) bzw. dessen Auftreffort (7) auf dem Werkstück (6) haben, vom Laserstrahl (2) fort, in eine Abbildungsoptik (13) projiziert werden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die zusätzlichen optischen Vorrichtungen (9, 10) vom Werkstück (6) aus gesehen nach dem/den fokussierenden Element/Elementen (5) der Optik (3, 5) vorgesehen und derart ausgerichtet sind, daß das fokussie rende Element (5) Wirk-Bestandteil der zusätzlichen Optik ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beleuchtungsquelle (Ab bildungslaser 16) vorgesehen ist, deren Licht im wesent lichen parallel zum Laserstrahl (2), vorzugsweise koaxial zu diesem geführt ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik (13) ein optisches Bandpaßfilter (12) umfaßt.

12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitten-Wellenlänge des Bandpaßfilters (12) mit derjenigen des Abbildungslasers (16) übereinstimmt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10-12, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht des Abbildungslasers (16) über einen teildurchlässigen Spiegel (11) od. dgl. in den Lichtweg der zusätzlichen optischen Vorrichtungen eingespiegelt wird.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-13, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen optischen Vorrichtungen mindestens einen Spiegel (9) umfassen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekenn zeichnet, daß der Spiegel (9) eine vorzugsweise mittige Öffnung (10) aufweist und derart winklig, vorzugsweise rechtwinklig zum Lichtwege des Laserstrahls (2) angeord net ist, daß der Laserstrahl (2) durch die Öffnung (10) hindurchtritt und auf die Spiegelfläche auftreffendes Licht mit im wesentlichen entgegengesetzter Ausbreitungs richtung in die Abbildungsoptik (13) projiziert wird.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-15, dadurch gekennzeichnet, daß der Abbildungsoptik (13) eine Fernsehkamera (14) nachgeschaltet ist, deren Aus gangssignale digitalisiert und in einem Rechner mit dort gespeicherten Bild- und/oder Intensitätswerten bzw. -Informationen in einer Vergleicherschaltung derart ver glichen werden, daß beim Auftreten von Unterschieden Steuersignale zum Nachführen bzw. Steuern der Vorrichtung und/oder des Werkstücks (6) abgegeben werden.