DE4024519A1 - Verfahren zur laserbearbeitung eines werkstueckes und vorrichtung zu seiner durchfuehrung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Laserbearbeiten eines Werkstückes und mehr im besonderen das Bestimmen des Durch­ bruches während des Bohrens unter Anwendung eines Lasers.

Von den drei primären Laser-Bearbeitungsaktivitäten, des Schneidens, Schweißens und Bohrens präsentiert das Bohren das schwierigste Kontrollproblem. Man betrachte zum Beispiel das Laserbohren von Teilen eines Flugturbinenbrenners oder -nachbrenners. Diese Teile bestehen aus hochtemperaturbeständi­ gen Stahllegierungen und erfordern das Bohren von Zehntausen­ den von etwa 0,05 cm (0,02 Zoll) dicken Löchern, die in einem Winkel von 20 Grad zur Oberfläche gebohrt werden, wobei die Wandstärke zwischen etwa 0,05 und 0,20 cm (0,02 bis 0,08 Zoll) variieren kann. Es gibt derzeit nur zwei brauchbare Techniken zur Überprüfung von Locheigenschaften (des Durchmessers, der Gestalt, der umgestalteten Schichtdicke usw.) für die Prozeß­ steuerung, nämlich das Luftströmungstesten und das Stifttesten.

Beim Luftströmungstesten wird das Werkstück aus der Bohrvor­ richtung entnommen und ein bekannter Druckunterschied an das Werkzeug gelegt. Die sich ergebende Luftströmung wird gemessen, um ein Maß für den Strömungswiderstand zu ergeben. Dies wiede­ rum ergibt ein Maß für den gebohrten Bereich, das heißt den Durchmesser der gebohrten Löcher und ihrer Gestalt, da die Anzahl der gebohrten Löcher bekannt ist. Dieses Verfahren ist recht zuverlässig für den mittleren Lochdurchmesser und die mittlere Gestalt, jedoch nur für ziemlich große Ansammlun­ gen von Löchern, nicht jedoch Echtzeit in dem Sinne, daß das Laserbearbeiten stattfinden kann, während der Strömungstest ausgeführt wird. Es ist kein zuverlässiger Indikator für an­ dere geometrische Eigenschaften, z.B. die umgeformte Schicht­ dicke, die Lochverjüngung usw.

Beim Stiftchecken wird das Bohren beendet, und dann führt man nacheinander Stifte mit zunehmendem Durchmesser in die Löcher ein. Das Stiftchecken gibt nur einen etwaigen Indikator der Lochdurchmesser, weil die Laser-gebohrten Löcher selten sehr gerade sind und so das Einführen der Stifte blockieren. Es ist auch kein zuverlässiger Indikator anderer geometrischer Eigen­ schaften, noch ist es ein Echtzeitprozeß.

Während optische Techniken benutzt werden können, sind sie wegen des vorhandenen Winkels und der Länge der Löcher unzuver­ lässig. Darüber hinaus macht die große Anzahl von Löchern das optische Überwachen schwierig.

Ein erwarteter indirekter Indikator der Eigenschaften, wie des Durchmessers, eines Laser-gebohrten Loches ist die "Durch­ bruchszeit" oder der Bruchteil der Zeit bis zum Durchbruch, verglichen mit der gesamten Laserimpulslänge. Je länger die Durchbruchszeit, um so kleiner ist der Lochdurchmesser, weil nach dem Durchbruch der Laserlichtimpuls das gebohrte Loch ver­ größert.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Laserbearbeitungssystem zu überwachen und insbesondere die Durchbruchszeit während des Laserbohrens zu bestimmen.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Laserbearbeiten eines Werkstückes umfaßt eine Einrichtung zum Anwenden von Impuls­ laserlicht auf das Werkstück, um Vibrationen darin zu verur­ sachen, eine Einrichtung zum akustischen Überwachen der Vibra­ tionen in dem Werkstück und eine Einrichtung, um zu bestimmen, wenn sich die Vibrationen ändern.

Ein Verfahren gemäß der Erfindung zum Laserbearbeiten eines Werkstückes umfaßt das Rütteln des Werkstückes durch Anwenden von Laserimpulslicht darauf, das akustische Überwachen der Vibrationen in dem Werkstück und das Feststellen, wenn sich diese Vibrationen ändern.

Fig. 1 zeigt teilweise isometrisch und teilweise als Block­ diagramm eine Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2A zeigt einen während des Bohrens auf ein Werkstück auftreffenden Laserstrahl, während

Fig. 2B den Durchbruch zeigt und

Fig. 3 Signale wiedergibt, die während des Bohrens und beim Durchbruch erzeugt werden.

Fig. 1 zeigt einen Laser 10, wie einen flächengepumpten Laser (FPL) des Nd:YAG-Typs. Währnd andere Laserarten benutzt werden können, sind FPLs bevorzugt, da sie eine hohe Energiedichte, eine große Felddichte aufweisen, die ein Refokussieren zwischen den Impulsen nicht erfordern, und weil die Strahlqualität bei höheren Leistungen besser wird. Darüber hinaus gibt der Nd:YAG- Laser eine Wellenlänge von 1,06 µm ab, die geeignet ist für die Bearbeitung einer großen Anzahl von Materialien. Der Laser 10 weist eine Anregungseinrichtung, wie nicht gezeigte Bild­ röhren, auf, die durch die Leistungszuführung 11 mit Energie versehen und gesteuert werden. Der Laser 10 hat auch einen optischen Sensor 13, wie eine Fotodiode, der auf der Außensei­ te eines total reflektierenden Hohlraumspiegels angeordnet ist, um eine Lichtstreuung zu überwachen, da ein solcher Spiegel tatsächlich nicht "total" reflektiert. Ein Ausgangssignal vom Sender 13 geht zum Computer 26. Ein Ausgangslichtstrahl 12 des Lasers 10 wird durch die plankonvexe Linse 14 in eine Lichtleitfaser 16 fokussiert. Vorzugsweise sind beide Enden der Faser 16 so zubereitet, wie in den US-PSen 46 76 586 und 46 81 396 gezeigt, so daß ihre Umhüllung durch das injizierte oder emittierte Laserlicht nicht beschädigt wird. Wenn er­ wünscht, können Licht-Mehrfachkoppler, wie sie in der US-PS 47 39 162 und in der DE-OS 37 42 553 gezeigt sind, benutzt werden, um das gleichzeitige Bearbeiten einer Vielzahl von Werkstückstellen zu gestatten.

Die Faser 16 wird vorzugsweise nahe dem Werkstück 18 mittels eines Ausgangskopplers 20 gehalten, wie er in der US-PS 47 99 755 gezeigt ist.Der Lichtstrahl 12 wird durch die plan­ konvexe Linse 21 auf das Werkstück 18 fokussiert. Wenn er­ wünscht, kann die Linse 21 in den Kuppler 20 eingebaut oder weggelassen sein, was von dem erwünschten Durchmesser der ge­ bohrten Löcher abhängt. Wenn erwünscht, kann der Koppler 20 auch vollständig weggelassen werden. Der Laser 10 kann, wenn erwünscht, nahe dem Werkstück 18 angeordnet sein, wobei der Strahl 12 direkt auf das Werkstück 18 auftrifft, d.h. ohne die Linsen 14 und 21, die Faser 16 und den Koppler 20. Der Koppler 20 wird von einem Handhabungssystem 19, wie einem Ma­ schinenwerkzeug des Modells HP-105, hergestellt von der S.E. Huffman Corp., Clover, S.C., getragen. Wenn erwünscht, kann der Koppler 20 an einer festgelegten Stelle angeordnet sein und das Werkstück 18 ist auf einer steuerbaren Positio­ niereinrichtung montiert, da in jeder der beiden Ausführungs­ formen die relative Position des Werkstückes 18 bezüglich des Kopplers 20 steuerbar ist.

Das Werkstück 18 kann aus einem Metall, z.B. Stahl oder Alu­ minium, einem Kunststoff oder allgemein irgendeinem festen Material bestehen, das in der Lage ist, durch das Laserbohren induzierte Vibrationen zu übertragen, wenn es durch Impulse angeregt wird. Darüber hinaus kann das Werkstück 18 entweder stationär oder beweglich, z.B. rotierend, sein. Obwohl ein hohler rechtwinkliger Kreiszylinder gezeigt ist, kann das Werk­ stück 18 auch andere Gestalten haben.

Ein akustischer Sensor 22, wie ein Beschleunigungsmeßgerät oder Kontaktmikrofon, ist am Werkstück 18 oder auf einer nicht gezeigten Grundplatte montiert, die das Werkstück 18 trägt. Alternativ kann ein Mikrofon nahe dem Werkstück 18 ange­ ordnet sein, doch führt dies zu einer unerwünschten Aufnahme von Umgebungsrauschen. Das Signal des Sensors 22 wird einem Antifalt-Tiefpaßfilter (LPF) 24 zugeführt, das eine Sperr­ frequenz von etwa 150 kHz hat, obwohl auch andere Frequenzen benutzt werden können. Rotiert das Werkstück 18, dann können nicht gezeigte Gleitringe oder die Telemetrie benutzt werden, um das Signal des akustischen Senders 22 dem LPF 24 zuzuführen. Das Ausgangssignal des LPF 24 wird einem Computer 26 zugeführt. Die Ausgangssignale des Computers 26 werden der Leistungszu­ führung 11 sowie dem Handhabungssystem 19 zugeführt.

Beim Betrieb, und wie in Fig. 3 gezeigt, wird ein vom Laser 10 emittierter Lichtimpuls 28 durch den Sensor 13 festge­ stellt und das entsprechende Signal dem Computer 26 zugeführt. Der Impuls 28 wird auch vom Kuppler 20 emittiert und erhitzt, wie in Fig. 2A gezeigt, das Material des Werkstückes 18 zur Verdampfung und zum Auswurf eines turbulenten Plasmas 30 hoher Geschwindigkeit aus dem Material unter Bohren eines Loches 32. Vibrationen entstehen im nicht gebohrten Material des Werkstückes 18 als Ergebnis des Auswurfes des Plasmas 30 und von nicht gezeigtem geschmolzenem Material.

Die Eigenschaften des Loches 32, z.B. sein Durchmesser, die Schichtdicke des gebildeten Kraters usw., hängen von der Ener­ gie des Impulses 28 ab. Wenn der Impuls auch nach dem Durch­ bruch noch weiter vorhanden ist, vergrößert sich der Loch­ durchmesser. Die Eigenschaften hängen auch von der Position der Brennebene des Laserstrahles auf dem Werkstück 18 ab, wenn die Linse 21, sei es im Kuppler 20 oder außerhalb davon, vorhanden ist. Befindet sich die Brennebene auf der Oberfläche des Werkstückes 18, dann wird ein Loch größeren Durchmessers gebohrt, als wenn sie sich unterhalb der Oberfläche befindet.

Die turbulente Strömung verursacht vibrationen im Werkstück 18 aufgrund der allgemein geringen Dämpfung. Diese Vibrationen werden vom Sensor 22 als Signal 34 in Fig. 3 im wesentlichen augenblicklich empfangen wegen der allgemein hohen Schallge­ schwindigkeit im Werkstück 18. Beim Durchbruch, wie in Fig. 2B dargestellt, wird Material des Werkstückes 18 nicht länger stark verdampft, so daß die Vibrationen und das Signal 34 stark und meßbar vermindert werden.

Der Computer 26 umfaßt einen Analog/Digital-Wandler, der bei einer Frequenz von 111 kHz arbeitet, um das Signal des opti­ schen Sensors 13 umzuwandeln. Es können auch andere Frequenzen benutzt werden. Das umgewandelte Signal wird dann einem Ent­ scheidungs-Algorithmus zugeführt, wie einer Schwellenoperation, die die Feststellung des Beginns und des Aufhörens des Laser­ impulses gestattet. Die sich aus diesem Algorithmus ergeben­ den Daten repräsentieren die Länge t_l des optischen Impulses.

Der Computer 26 umfaßt auch einen Analog/Digital-Wandler für das Signal vom LPF 24, der bei einer Probenfrequenz von 333 kHz arbeitet, obwohl andere Frequenzen benutzt werden können. In diesem Falle hätte der LPF 24 eine Sperrfrequenz, die nicht größer ist als die halbe Probenfrequenz, was in Übereinstimmung steht mit dem Nyquist-Kriterium. Innerhalb des Computers 26 werden die Vibrationsdaten des LPF 24 digitalisiert und dann von einem Digitalfilter-Algorithmus verarbeitet, der als Band­ paßfilter wirkt, und in einer besonderen Ausführungsform Sperr­ frequenzen zwischen etwa 40 und 80 kHz hat. Diese Frequenzen werden durch die Vibrationen aufgrund der turbulenten Auswurf­ strömung verursacht. Im allgemeinen ist das interessierende Paßband eine Funktion von Material und Dicke des Werkstückes 18, der Wellenlänge des Laserlichtes 12, der Lochgeometrie, der Starrheit der das Werkstück 18 haltenden Befestigungsein­ richtung usw.

Die Bandpaß-filtrierte Wellenform wird mittels eines raschen Fourier-Transformationsalgorithmus (FFT) verarbeitet, der eine Spektralanalyse ausführt. Bei einer speziellen Ausführungs­ form hat jeder Laserimpuls von etwa 4 ms eine Gesamtheit von 1536 Proben erzeugt. Die ersten 128 Proben wurden spektral durch den FFT-Algorithmus analysiert. Dann erfolgte eine ver­ schiebung von 21 Proben, und es wurden, beginnend von den ersten 20 Proben, 128 Proben spektral analysiert. Das Verfah­ ren wurde wiederholt, bis alle 1536 Proben analysiert waren.

Es wurde ein Schwellen-Entscheidungsalgorithmus auf die tem­ poralen Spektraldaten angewendet, die sich vom FFT ergeben haben, um den Durchbruch zu bestimmen. Dies kann ein einfaches Schwellenniveau sein, das auf einen bestimmten Bruch gesetzt wird, z.B. eine Hälfte, der maximal erwarten Amplitude der gefilterten Frequenzen, um festzustellen, ob diese Frequenzen bei einer bestimmten Zeit während des Drillens vorhanden sind oder nicht. Die Ausgangsdaten dieses Schwellen-Entscheidungs­ algorithmus sind die akustische Signalimpulslänge t_d.

In Fig. 3 sind das akustische Signal 34 und das Laserlicht­ signal 28 gezeigt. Der Computer 26 errechnet das Verhältnis von t_l zu t_d, d.h. die Durchbruchszeit, die ein indirektes Maß des Lochdurchmessers ist. Diese errechnete Durchbruchszeit wird mit einer erwarteten Durchbruchszeit verglichen, die aus früheren Bohrdaten erhalten ist, die auf einer Diskette im Computer 26 gespeichert sind.

Diese Information wird benutzt, ein Steuersignal auf die Lei­ stungszuführung 11 anzuwenden, um die Laserimpulsenergie zu steuern, und es wird auch ein Steuersignal auf das Handha­ bungssystem 19 angewandt, um den relativen Abstand zwischen Werkstück 18 und Kopper 20 zu ändern. Dies ändert die Brenn­ ebene des Lichtimpulses 28 mit Bezug auf das Werkstück 18. Durch Ändern dieser beiden Variablen kann während des nächsten Laserimpulses 28 ein annehmbares Loch gebohrt werden. Ist die tatsächliche Durchbruchszeit länger als die erwartete Durch­ bruchszeit (ein zu kleiner Lochdurchmesser), dann erhöht man die Leistung des Laserimpulses 10 und ordnet die Brennebene näher an der Oberfläche des Werkstückes 18 an. Ist die tat­ sächliche Durchbruchszeit kürzer als die erwartete Durch­ bruchszeit (ein zu großer Lochdurchmesser), dann wird die Leistung des Laserimpulses 10 vermindert und die Brennebene weiter unterhalb der Oberfläche des Werkstückes 18 angeordnet. Ist die Linse 21 nicht vorhanden, dann wird nur die Leistung des Laserimpulses gesteuert. Wird die Durchbruchszeit plötzlich länger, dann könnte dies einen Defekt im optischen System, z.B. einen Fehler in der Faser 16, anzeigen. Der Computer 26 kann dies überwachen und der Bedienungsperson ein Alarmsignal geben.

Obwohl sich die vorstehende Beschreibung mit dem Bohren befaßt, kann die Erfindung auch auf andere Verfahren angewendet werden, z.B. das Oberflächenüberziehen, Wärmebehandeln, Schneiden usw., weil dabei auch ausgestoßenes Material und damit Vibrationen im Werkstück 18 erzeugt werden. In einem solchen Falle kann der Computer 26 programmiert werden, um eine Änderung in der Schallsignatur, z.B. Frequenzen, die sich von einem Aufhören der Vibration bei einer spezifischen Frequenz unterscheiden, festzustellen.

Claims (16)

1. Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstückes, umfas­ send:
eine Einrichtung zum Anwenden von Impulslaserlicht auf das Werkstück, um Vibrationen darin zu verursachen,
eine Einrichtung zum akustischen Überwachen der Vibrationen in dem Werkstück und
eine Einrichtung zur Feststellung von Änderungen bei den Vibrationen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Einrichtung zum An­ wenden eine Lichtleitfaser mit einem ersten Ende zur Auf­ nahme von Laserlicht sowie einem zweiten Ende und einen Aus­ gangskuppler umfaßt, der mit dem zweiten Ende gekoppelt ist und zur Anordnung nahe dem Werkstück eingerichtet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Einrichtung zum Über­ wachen ein Beschleunigungsmeßgerät umfaßt, das an dem Werk­ stück befestigt werden kann.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Einrichtung zum Fest­ stellen eine Einrichtung zum spektralen Analysieren der Vi­ brationen und eine Schwelleneinrichtung umfaßt, um zu ent­ scheiden, wann sich der spektrale Inhalt ändert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, worin die Einrichtung zum Be­ stimmen eine Einrichtung zum Bandpaßfiltrieren der Vibratio­ nen umfaßt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, worin die Bandpaßfiltrier-Ein­ richtung einen Banddurchlaßbereich bzw. Bandpaß von etwa 40 bis 80 kHz aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, weiter umfassend einen optischen Sensor, geeignet zur Anordnung in dem Laser und gekoppelt mit der Bestimmungseinrichtung.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, worin die Bestimmungseinrichtung das Verhältnis einer Vibrationsimpulslänge zur Laserimpuls­ länge bestimmt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Einrich­ tung zum Fokussieren des Laserlichtes auf eine Brennebene, eine Einrichtung, um relative Bewegung zwischen der Einrich­ tung zum Anwenden und dem Werkstück zu verursachen, das mit der Bestimmungseinrichtung gekoppelt ist, um die Position der Brennebene mit Bezug auf das Werkstück zu verändern so­ wie eine steuerbare Leistungszuführung, die mit dem Laser und der Bestimmungseinrichtung gekoppelt ist, um die Energie des Laserlichtes zu steuern.

10. Vorrichtung zum Bestimmen des Durchbruches während des Im­ pulslaser-Bohrens eines Werkstückes, umfassend:
eine Einrichtung zum akustischen Überwachen von Vibrationen, die durch das Bohren in dem Werkstück verursacht werden und
eine Einrichtung zum Bestimmen von Änderungen des Spektral­ gehaltes der Vibrationen.

11. Verfahren zum Laserbearbeiten eines Werkstückes, umfassend:
Rütteln des Werkstückes durch Anwenden von Impulslaserlicht darauf,
akustisches Überwachen der Vibrationen im Werkstück und
Feststellen, wann sich die Vibrationen ändern.

12. Verfahren nach Anspruch 11, weiter umfassend das Ändern der Laserimpulsenergie und der Brennebene des Laserlichtes auf dem Werkstück.

13. Verfahren nach Anspruch 11, worin die Bestimmungsstufe das Bestimmen, wann sich der Spektralgehalt der Vibrationen ändert, umfaßt.

14. Verfahren nach Anspruch 11, worin die Bestimmungsstufe das Frequenzfiltern der Vibrationen, das spektrale Analysieren der filtrierten Vibrationen und das Bestimmen des Schwell­ wertes im analysierten Spektrum umfaßt.

15. Verfahren nach Anspruch 11, weiter umfassend das Überwachen der Laserimpulslänge.

16. Verfahren nach Anspruch 11, weiter umfassend das Ändern der Beziehung der Brennebene des Laserlichtes zum Werkstück.