DE4105647A1

DE4105647A1 - Verfahren und vorrichtung zum optischen ueberwachen der laserbearbeitung von materialien

Info

Publication number: DE4105647A1
Application number: DE4105647A
Authority: DE
Inventors: Jun Angel Luis Ortiz; John Lewis Schneiter
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1990-03-05
Filing date: 1991-02-22
Publication date: 1991-09-19
Anticipated expiration: 2011-02-23
Also published as: JP2648401B2; US5026979A; GB2241779A; JPH04224092A; IT1247130B; DE4105647C2; FR2659039B1; ITMI910563A0; GB9104387D0; FR2659039A1; ITMI910563A1; GB2241779B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Laserbearbeitung von Materialien und mehr im besonderen auf Verfahren und Vorrichtung, die optische Sensoren benutzen, um die Operationen der Laserbearbeitung von Materialien im wesentlichen in Jetztzeit nachzuweisen, zu überwachen und zu regeln.

Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf die folgenden Patentanmeldungen bzw. Patente:
US-Patentanmeldung Serial-Nr. 0 74 87 092 vom 2. März 1990 sowie US-PS 49 60 970.

Die Laserverarbeitung von Materialien, wie sie bekannt ist und in der vorliegenden Anmeldung benutzt wird, bezieht sich auf die Leistungsfähigkeit von Verfahren, wie Schneiden, Schweißen, Bohren und Löten, unter Anwendung eines kontinuierlichen oder gepulsten Laserstrahles. Die mittlere Leistung eines solchen Laserstrahles kann im Bereich von etwa einem Watt bis zu hunderten von Watt liegen, wobei die jeweilige Leistung ausgewählt wird auf der Grundlage des jeweils ausgeführten Verfahrens. Die Laserstrahlleistung, die für die Bearbeitung von Materialien benötigt wird, ist im allgemeinen sehr viel größer als die Laserstrahlleistung, die für andere Systeme auf Lasergrundlage benötigt wird, wie Kommunikationssysteme. In einem frühen Stadium der Lasertechnologie wurde ein Laserstrahl, der direkt von einer Laserquelle emittiert wurde, zur Laserbearbeitung von Materialien benutzt. Die Mobilität solcher Lasersysteme war begrenzt, und es war schwierig, solche Systeme in eine Herstellungsumgebung wirksam einzufügen. Laserquelle und optische Komponenten mußten nahe bei Bearbeitungspunkten auf einem Werkstück angeordnet werden.

Die Übertragung von Laserstrahlen durch Lichtleitfasern mit Leistungen, die für die Bearbeitung von Materialien geeignet sind, förderte die Flexibilität der Bearbeitungssysteme auf Laserbasis stark. Die Übertragung von Strahlen hoher Leistung durch eine Lichtleitfaser ergab jedoch Schwierigkeiten, die bei der Übertragung von Strahlen geringer Energie durch optische Fasern nicht auftraten. So waren z. B. Techniken zum Injizieren von Strahlen geringer Leistung, wie sie in Kommunikationssystemen benutzt werden, in eine Lichtleitfaser im allgemeinen für die Injektion von Strahlen hoher Leistung nicht geeignet. Tatsächlich kann die Anwendung einer Technik zum Injizieren eines Strahles geringer Leistung für die Injektion eines Strahles hoher Leistung zur Beschädigung der Lichtleitfaser führen. Es sind verschiedene Techniken für die wirksame Injektion von Laserstrahlen hoher Leistung in eine Lichtleitfaser zur Übertragung z. B. in den US-Psen 45 64 736: 46 76 586 und 46 81 396 offenbart.

Die Übertragung von Strahlen hoher Leistung durch Lichtleitfasern machte es unnötig, eine Laserquelle und optische Komponenten nahe einem Werkstück anzuordnen, was ohne den Einsatz einer Lichtleitfaser erforderlich wäre, um einen von einer Quelle emittierten Laserstrahl zur Bearbeitungspunkten auf einem Werkstück zu dirigieren. Mit der Übertragung von Laserstrahlen hoher Leistung durch Lichtleitfasern wird ein Ausgangsende jeder Lichtleitfaser in einem Ausgangs-Kopplungsgerät angeordnet, das Einrichtungen zum Kollimieren und Fokussieren des aus dem Ausgangsende der Faser austretenden Strahles einschließt. Das Ausgangs-Kopplungsgerät wird leicht relativ zu einem Werkstück bewegt, z. B. durch einen von einem Computer kontrollierten Roboterarm. Die Anzahl der Fasern und ihrer jeweiligen Austrittsenden nahe Bearbeitungspunkten auf einem Werkstück kann variieren.

Die Überwachung der Bearbeitung von Materialien bei Einsatz von Systemen auf der Grundlage von Lichtleitfasern ist sehr viel schwieriger als das Überwachen des Bearbeitens, wenn direkt ein von der Laserquelle emittierter Strahl zum Bearbeiten benutzt wird. Im einzelnen muß bei der Übertragung mittels Lichtleitfasern ein Benutzer des Systems während der Bearbeitung und zusätzlich zur Laserquelle ein Strahleninjektionssystem, einen Ausgangskoppler und eine Lichtleitfaser überwachen. Ein Versagen irgendeiner dieser Komponenten kann zu einem Versagen des gesamten Systems führen.

Es gibt auch Systeme, die das Laserbearbeiten von Materialien durch Timesharing verbessern, bei dem einem Laserstrahl mehrere optische Fasern zur Verfügung stehen. Solche Systeme sind in den US-Psen 47 39 162 und 48 38 631 beschrieben. Hersteller von Timesharing-Systemen schließen die Robolase Systems, Inc. von Costa Mesa, Kalifornien und Lumonics Corp. von Livonia, Mich. ein. Durch Anwendung solcher Timesharing-Systeme kann ein Strahl, der von einer Laserquelle erzeugt wurde, zeitlich geschachtelt über mehrere Lichtleitfasern übertragen werden. Die jeweiligen Austrittsenden der Lichtleitfasern können nahe Bearbeitungspunkten auf einem oder mehreren Werkstücken angeordnet werden.

Laserstrahl-Timesharing-Systeme, die manchmal als Multiplexer bzw. Mehrfachkoppler bezeichnet werden, haben die Flexibilität und Effizienz der Laserbearbeitung von Materialien weiter erhöht. Die Regelung und Überwachung solcher Mehrfachkoppler-Systeme ist nicht nur wichtiger, sondern auch schwieriger. Der Systembenutzer muß eine Laserquelle, einen Mehrfachkoppler, mehrere Strahlinjektionssysteme, mehrere Koppler und mehrere Lichtleitfasern überwachen.

Mit dem Fortschreiten der Laserbearbeitung von Materialien von der direkten Verwendung eines von einer Quelle emittierten Laserstrahles zur Benutzung mehrerer Strahlen, die von mehreren Fasern emittiert werden, wurde eine kompliziertere Regelung und Überwachung der Verfahren erforderlich. Die Regelungs- und Überwachungssysteme erleichtern vorzugsweise das Erzielen erwünschter Bearbeitungsergebnisse und unterstützen die Verhinderung von Beschädigungen der Bearbeitungsausrüstung. Die Regelungs- und Überwachungssysteme sollten jedoch nicht die Operationen bei der Laserbearbeitung der Materialien verlangsamen, um zu vermeiden, daß Vorteile der Nutzung der Lichtleitfaser/Laser-Technologie, wie eine Verminderung der Verarbeitungszeit, verlorengehen.

Darüber hinaus ist es bevorzugt, daß die Regelungs- und Überwachungssysteme im wesentlichen in Jetztzeit arbeiten. Der Begriff "Jetztzeit", wie er in der vorliegenden Anmeldung benutzt wird, bedeutet die tatsächliche Zeit, in der jede diskrete Verfahrensoperation ausgeführt wird. So kann z. B. eine diskrete Verfahrensoperation das Bohren eines Loches sein. Es ist im höchsten Grade erwünscht, daß ein Regelungs- und Überwachungssystem in der Lage ist, gleichzeitig mit und während jeder diskreten Operation, Daten zu empfangen, so daß für den Fall erforderlicher Einstellungen an der Bearbeitungsausrüstung solche Einstellungen vorgenommen werden können, bevor ein nächstes Loch gebohrt wird, d. h. vor einer nächsten Verfahrensoperation. Es sollte klar sein, daß die Zeit, die für die Ausführung einer diskreten Verfahrensoperation erforderlich ist, kurz sein mag, wie wenige Mikrosekunden. Das Regelungs- und Überwachungssystem muß daher seine Funktionen sehr rasch ausführen.

Eine gesamte Verfahrensoperation schließt natürlich im allgemeinen viele diskrete Verfahrensoperationen ein. Man betrachte z. B. das Laserbohren von Teilen eines Brenners und Nachbrenners eines Flugzeugtriebwerkes. Diese Teile bestehen aus hochtemperaturbeständigen Stahllegierungen und erfordern das Bohren von zehntausenden von Löchern mit Durchmessern von etwa 0,05 cm (entsprechend 0,02 Zoll), die in einem Winkel von 20° zur Oberfläche gebohrt werden, wobei die Wandstärken im Bereich von etwa 0,05 cm bis etwa 0,20 cm (entsprechend 0,02 bis 0,08 Zoll) variieren können. Um die gesamte Verfahrensoperation rechtzeitig abzuschließen, sollte das Überwachen und Regeln der Bildung eines jeden Loches rasch ausgeführt werden.

Ein bekanntes Verfahren zum Überwachen der Laserbohr- Operationen wird als Luftströmungs-Testen bezeichnet. Für ein Luftströmungs-Testen wird ein Werkstück, wie ein Brennerteil eines Flugzeugtriebwerkes, aus der Bohrvorrichtung herausgenommen, und es wird ein bekannter Druckunterschied über das Werkstück angelegt. Die sich ergebende Luftströmung wird gemessen, um ein Maß für den Strömungswiderstand zu erhalten. Der Strömungswiderstand steht in Beziehung zur gebohrten Fläche, d. h. dem Durchmesser und der Gestalt der gebohrten Löcher. Das Luftströmungs-Testen findet jedoch nicht in Jetztzeit statt, da das Laserbearbeiten eines Werkstückes während eines Luftströmungs-Testes nicht stattfinden kann. Eine Beschränkung eines Luftströmungs-Testes ist es auch, daß es kein Indikator für andere geometrische Eigenschaften der Löcher ist, z. B. die umgegossene Schichtdicke, die Lochverjüngung bzw. Erweiterung usw.

Ein anderes bekanntes Verfahren zum Überprüfen der Ergebnisse eines Laserbohrens ist das sogenannte "Stift- Überprüfen". Bei einem Stift-Überprüfen wird das Bohren beendet, und dann führt man Stifte aufeinanderfolgend zunehmenden Durchmessers nacheinander in ausgewählte Löcher ein. Das Stift-Überprüfen ergibt eine etwaige Anzeige des Lochdurchmessers, da lasergebohrte Löcher selten genau gerade verlaufen und so die Einführung der Stifte blockieren. Das Stift-Überprüfen ist auch weder ein zuverlässiger Indikator anderer geometrischer Eigenschaften der Löcher, noch findet es in Jetztzeit statt. Darüber hinaus werden beim Stift-Überprüfen nur ausgewählte Löcher untersucht, und es mag sein, daß man Unterschiede zwischen den Löchern nicht feststellt.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren und System zum Nachweisen und Überwachen der Laserbearbeitung von Materialien im wesentlichen in Jetztzeit zu schaffen. Eine weitere Aufgabe ist die Schaffung von Verfahren und System zum Nachweisen und Überwachen der Laserbearbeitung von Materialien, die die Bearbeitungsoperationen nicht verlangsamen. Weiter soll Verfahren und System zum Nachweisen und Überwachen des Laserbearbeitens von Materialien geschaffen werden, die ein kontinuierliches Überwachen der Bearbeitungsoperationen gestatten und ein Anzeichen der geometrischen Eigenschaften geben, einschließlich der um gegossenen Schichtdicke und der Lochverjüngung bzw. Locherweiterung. Eine weitere Aufgabe ist die Schaffung von Verfahren und System zum Nachweisen und Überwachen des Laserbearbeitens von Materialien, die gleichzeitig mit den Bearbeitungsoperationen stattfinden. Weiter sollen Verfahren und System geschaffen werden, die optische Sensoren benutzen, um das während einer Laserbearbeitung von Materialien erzeugte Plasma zu überwachen und über Daten, die durch die Sensoren geliefert werden, die Regelung der Bearbeitungsoperationen zu gestatten.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Regelungssystems, das die Beibehaltung der Leistungsfähigkeit bei der Laserbearbeitung von Materialien erleichtert. Weiter sollen Verfahren und System zum Überwachen und Regeln der Leistungsfähigkeit von Komponenten zum Laserbearbeiten von Materialien geschaffen werden.

Das erfindungsgemäße System zum Überwachen und Regeln der Laserbearbeitung von Materialien schließt eine Einrichtung zum Nachweisen optischer Signale während der Bearbeitungsoperationen und eine Einrichtung zum Bestimmen der Durchbruchszeit des Laserstrahles ein. Ein Verfahren gemäß der Erfindung zum Laserbearbeiten eines Werkstückes schließt die Stufen des optischen Überwachens des Werkstückes und der Bestimmung der Durchbruchszeit des Laserstrahles ein. Durch Bestimmen der Durchbruchszeit im wesentlichen in Jetztzeit liefert die vorliegende Erfindung rechtzeitige Information zum Regeln der Bearbeitungsoperationen.

Die Durchbruchszeit des Laserstrahles, wie sie in der vorliegenden Anmeldung benutzt wird, bezieht sich auf den Zeitbruchteil, zu dem der Durchbruch festgestellt wird, verglichen mit der gesamten Laserimpuls-Dauer. Es ist bekannt, daß die Laserimpuls-Länge statt der Laserimpuls- Dauer dazu benutzt werden könnte, die Durchbruchszeit zu errechnen. Die Laserimpuls-Dauer ist gleich der Gesamtzeit, während der ein Laserimpuls auf ein Werkstück angewandt wird, während die Laserimpuls-Länge, wie sie im Stand der Technik und in der vorliegenden Anmeldung benutzt wird, die Zeitdauer zwischen Werten der Hälfte der maximalen Intensität des Strahlenimpulses bedeutet. Es kann entweder die Impulsdauer oder die Impulslänge benutzt werden, so lange eine Benutzung konsequent bzw. konsistent ist.

Durch kontinuierliches optisches Überwachen einer Materialbearbeitung durch Laserstrahlen mittels optischer Signale kann die genaue Zeit, zu der ein Strahl durch das Material hindurchbricht, bestimmt werden. Durch Vergleichen der Zeit, die für den Durchbruch durch das Material erforderlich ist, mit der Laserimpuls-Dauer erhält man Information hinsichtlich des gebohrten Loches.

Wird z. B. der Durchbruch gerade am Ende der Laserimpuls- Dauer nachgewiesen, dann kann die Durchbruchszeit im wesentlichen gleich 1 sein. Dies bedeutet, daß der Laserstrahl nicht mehr lange nach dem Durchbrechen durch das Werkstück angewandt worden ist. Dies wiederum bedeutet, daß ein Loch kleineren Durchmessers gebildet wurde. Wird dagegen ein Durchbruch am Beginn der Laserimpuls-Dauer festgestellt, dann kann die Durchbruchszeit z. B. gleich 0,2 sein, d. h. kleiner, als wenn der Durchbruch am Ende der Impulsdauer festgestellt wird. Dies bedeutet, daß der Laserstrahl für eine relativ lange Zeit angewandt wurde, z. B. 0,8 nach dem Durchbruch. Dies bedeutet andererseits daß ein Loch größeren Durchmessers gebildet wurde. Es sollte jedoch verstanden werden, daß die vorstehenden Beispiele nur der Veranschaulichung dienen.

Die vorliegende Erfindung sorgt für ein kontinuierliches Überwachen und Regeln der Laserbearbeitung von Materialien, und sie arbeitet im wesentlichen in Jetztzeit. Es ist wichtig, daß die vorliegende Erfindung die Geschwindigkeit der Laserbearbeitung von Materialien nicht beeinflußt, und daß sie gleichzeitig mit den Bearbeitungsoperationen ausgeführt wird. Die vorliegende Erfindung kann dazu benutzt werden, eine Anzeige anderer geometrischer Eigenschaften eines Loches zu liefern, einschließlich der neugegossenen Schichtdicke und der Lochverjüngung bzw. Locherweiterung. Darüber hinaus erleichtert die vorliegende Erfindung das Erhalten gleichbleibender Ergebnisse hoher Qualität bei der Laserbearbeitung von Materialien.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine teilweise isometrische und teilweise blockdiagrammartige Darstellung einer ersten Ausführungsform einer optischen Überwachungsvorrichtung;

Fig. 2 Signale, die während des Bohrens und beim Durchbruch durch die Vorrichtung der Fig. 1 erzeugt werden;

Fig. 3A und 3B Signale, die während des Bohrens und beim Durchbruch für verschiedene Materialdicken erzeugt werden;

Fig. 4 eine teilweise isometrische und teilweise blockdiagrammartige Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer optischen Überwachungsvorrichtung;

Fig. 5 eine detailliertere Ansicht des in Fig. 4 dargestellten Ausgangskopplers;

Fig. 6 eine detailliertere Darstellung des in Fig. 4 dargestellten Filters;

Fig. 7 eine dritte Ausführungsform einer optischen Überwachungsvorrichtung und

Fig. 8 eine detailliertere Darstellung eines in Fig. 7 gezeigten Ausgangskopplers.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer optischen Überwachungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Im einzelnen schließt das dargestellte optische Überwachungssystem eine Laserquelle 100 mit einem Koppler 102 zur Injektion in eine Lichtleitfaser und einen Hohlraummonitor 104, wie eine Fotodiode, ein. Eine Laserleistungs-Zuführung 106 ist mit dem Laser gekoppelt und liefert Leistung für nicht dargestellte Blitzlampen. Fig. 1 zeigt einen Laser 100, wie einen flächengepumpten Laser des Nd:YAG-Typs. Während andere Typen von Lasern benutzt werden können, sind flächengepumpte Laser bevorzugt, da sie eine hohe Energiedichte, eine große Tiefenschärfe haben, die ein Refokussieren zwischen Impulsen nicht erfordert sowie eine hohe Strahlqualität. Darüber hinaus gibt der Nd:YAG-Laser einen Strahl von 1,06 µm ab, was eine gute Wellenlänge für die Bearbeitung einer großen Anzahl von Materialien ist.

Die Vorrichtung schließt weiter eine Lichtleitfaser 108 ein, die zwischen der Laserquelle 100 und einem Ausgangskoppler 110 gekoppelt ist, der ein Koppler sein kann, wie er in der US-PS 47 99 755 dargestellt ist. Vorzugsweise sind beide Enden der Faser 108 zubereitet, wie in den US-PSen 46 76 586 und 46 81 396 gezeigt, so daß die Faser durch die Injektion von Laserlicht oder emittiertes Laserlicht nicht beschädigt wird. Wenn erwünscht, kann ein Licht- Multiplexer, wie er in der US-PS 47 39 162 gezeigt ist, benutzt werden, um das gleichzeitige Bearbeiten an mehreren Werkstückstellen zu gestatten. Der Koppler 110 ist von einem Manipulierungssystem gehalten, wie dem Maschinenwerkzeug des Modells HP-105 der S. E. Huffmann Corp., Clover, S. C. Ein oberer optischer Sensor 112 und ein unterer optischer Sensor 114, wie Fotodioden, können an einem nicht gezeigten Rahmen montiert und nahe einem Werkstück 116 angeordnet werden. Zum optischen Nachweisen können Fotodioden, Fototransistoren, Fotovervielfacher oder irgendwelche Einrichtungen, die geeignet sind, ein Signal zu erzeugen, das optische Charakteristika repräsentiert, benutzt werden. Eine Einheit 118 zur Datensammlung empfängt die Signale von den Fotodetektoren. Die Einheit 118 ist mit einem Regelcomputer 120 gekoppelt.

Der Computer 120 umfaßt einen Analog/Digital-Wandler, der bei einer Frequenz von 111 kHz arbeitet, um das Signal des optischen Sensors 104 umzuwandeln. Es können auch andere Frequenzen benutzt werden. Das umgewandelte Signal wird dann auf einen Entscheidungs-Algorithmus angewandt, wie einen Schwellenbetrieb, der den Nachweis oder die Bestimmung des Beginns und des Endes des Laserimpulses gestattet. Die sich von diesem Algorithmus ergebenden Daten repräsentieren die optische Impulsdauer. Innerhalb des Computers 120 werden die Daten der optischen Sensoren digitalisiert und dann mittels eines Digital-Algorithmus verarbeitet, der in einer speziellen Ausführungsform die Signal-Impulslänge bestimmt. Im allgemeinen wird der Inhalt des optischen Signals eine Funktion des Werkstückmaterials und der Werkstückdicke, der Wellenlänge des Laserlichtes, der Lochgeometrie sowie der Laser-Impulsenergie und -dauer sein.

Das optische Signal wird mittels eines Algorithmus zur Bestimmung der Impulslänge verarbeitet. Ein Schwellen- Entscheidungsalgorithmus wird auf die Daten des optischen Signals angewandt, die sich von dem Algorithmus zur Bestimmung der Impulslänge ergeben, um den Durchbruch zu bestimmen. Obwohl die vorstehende Beschreibung auf das Bohren gerichtet ist, kann die Erfindung auch für andere Prozesse der Laserbearbeitung von Materialien benutzt werden, z. B. das Kaschieren, Wärmebehandeln, Schneiden usw.

Die optischen Sensoren 112 und 114 könnten z. B. optische Sensoren sein, die im Handel erhältlich sind, wie das Modell YAG-100A, das von der EG & G, Salem, MA hergestellt wird oder ein Series AFM Fiberoptic Monitor der Antel Optronics Inc., Burlington Ontario, Kanada. Die Einheit 118 zur Datensammlung ist vorzugsweise ein Hochgeschwindigkeits-Datensammlungssystem, das Daten mit einer Rate von drei Mikrosekunden pro Probe aufnehmen kann. Das Datensammlungssystem kann z. B. ein im Handel erhältliches System sein, wie ein Burr Brown Model MPV90 A/D-Wandler, der in einem Computer der Motorola- Reihe 68020 gekoppelt ist.

Beim Betrieb wird der obere optische Sensor 112 dazu benutzt, optisch einen Laser-Wechselwirkungs-Plasma-Bereich nachzuweisen, und der untere optische Sensor wird benutzt, das Material-Durchbruchsplasma nachzuweisen. Mehr im besonderen wird der optische Sensor Signale erzeugen, die in Beziehung stehen zur Intensität des Lichtes, das während einer Operation zur Materialbehandlung erzeugt wird.

Die Fig. 2 veranschaulicht Signale, die während eines Laserbohrens unter Benutzung der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung erzeugt wurden. Im einzelnen stellt die vertikale Achse die Intensität (in willkürlichen Einheiten) und die horizontale Achse die Zeit dar. Ein Signal 122 ist das Signal, das von der Fotodiode 104 erzeugt wurde und das die Gesamtlaserimpuls-Dauer repräsentiert. ein Signal 124 ist das Signal, das vom optischen Sensor 112 erzeugt wurde, und das Daten hinsichtlich des Verhaltens des Laser- Wechselwirkungsplasmas liefert. Ein Signal 126 ist das Signal, das vom optischen Sensor 114 erzeugt wurde und Daten hinsichtlich dem Zeitbeginn des tatsächlichen Durchbruches liefert. Wie sich der Fig. 2 entnehmen läßt, wurde der Durchbruch bei etwa 0,002 Sekunden nachgewiesen.

Fig. 3A gibt Signale wieder, die vom oberen Sensor für eine Vielfalt von Materialdicken erzeugt wurden. Im einzelnen entsprechen die Signale 200, 202, 204, 206 und 208 in Fig. 3A den Signalen, die vom optischen Sensor 216 erzeugt wurden, wenn ein Bohren durch Materialien mit einer Dicke von etwa 1,5 mm, etwa 1,25 mm, etwa 1 mm, etwa 0,75 mm und etwa 0,50 mm vorgenommen wurde. Der besseren Übersichtlichkeit halber sind die Daten vertikal versetzt dargestellt. Die Signale 210, 212, 214, 216 und 218 in Fig. 3B entsprechen Signalen, die erzeugt wurden durch den optischen Sensor 218, wenn ein Bohren durch Materialien mit einer Dicke von etwa 1,5 mm, etwa 1,25 mm, etwa 1 mm, etwa 0,75 mm und etwa 0,50 mm erfolgte. Auch hier sind die Signale der größeren Klarheit halber vertikal versetzt dargestellt.

Die in den Fig. 2 und 3A und B dargestellten Signale wurden während tatsächlicher Bearbeitungsoperationen erzeugt. In Fig. 3A zeigen die Daten, daß die Impulsbreite der vom oberen Sensor erzeugten Signale abnimmt, wenn die Durchbruchszeit abnimmt. Man beachte das Signal 200, das beim Bohren eines etwa 1,5 mm dicken Materials erzeugt wurde, bei dem kein Durchbruch stattfand. Dieser Zustand ist die kein-Durchbruch-Grundlinie. Fig. 3B zeigt, daß die Impulsbreite des Signals, das von dem unteren Sensor erzeugt wurde, zunimmt, wenn die Durchbruchszeit abnimmt. Das Signal 210 gibt das für das etwa 1,5 mm dicke Material wieder, bei dem kein Durchbruch nachgewiesen wurde. Dieser Zustand ist die kein-Durchbruch-Grundlinie.

Bei einigen Operationen wird in Betracht gezogen, daß ein unterer Sensor wegen der Begrenzungen in der Arbeitsumgebung nicht benutzt werden kann. Es wären daher nur die Daten von einem oberen Sensor zu benutzen, um die Operationen zu überwachen und zu steuern. Würde man nur einen oberen Sensor benutzen, dann würde man zuerst die Dicke, z. B. etwa 1 mm, des Werkstückes bestimmen. Dann würde man eine Testprobe der gleichen Dicke benutzen, um Kalibrierungsdaten unter Verwendung sowohl des oberen als auch des unteren Sensors zu sammeln. Unter Benutzung der Sensoren kann eine Durchbruchszeit für das Loch erwünschten Durchmessers bestimmt werden sowie ein bevorzugtes Signal des oberen Sensors. Das bevorzugte Signal des oberen Sensors wäre dessen Signal, das erzeugt wird, wenn der bevorzugte Lochdurchmesser und die bevorzugte Durchbruchszeit vorhanden wären. Das bevorzugte Signal des oberen Sensors könnte man dann in Digitalform umwandeln und im Computer speichern.

Während der Operationen würde man ein Signal, das gerade vom oberen Sensor erzeugt wird, mit dem gespeicherten Signal des oberen Sensors vergleichen. Zur Ausführung des Vergleiches könnten viele Methoden, wie eine Korrelationsmethode benutzt werden. Würden Abweichungen über eine vorbestimmte Schwelle hinaus auftreten, dann mag eine Einstellung an den Bearbeitungskomponenten erforderlich sein.

Von den gesammelten Daten kann eine Durchbruchszeit errechnet werden, wie am besten in Fig. 2 gezeigt. Im einzelnen kann sowohl die gesamte Impulsdauer als auch die Zeit bestimmt werden, bei der der Durchbruch auftritt. Solche Daten sind von den Signalen erhältlich, die durch den Fotodetektor 104 und die optischen Sensoren 112 und/oder 114 erzeugt werden. Unter Benutzung dieser gesammelten Information und nachdem die Durchbruchszeit einmal bestimmt worden ist, kann der Regelungscomputer 120 Einstellungen an den Bearbeitungsoperationen für die Materialien vornehmen, um die erwünschten Ergebnisse zu erzielen.

Fig. 4 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform einer optischen Überwachungsvorrichtung. Im einzelnen veranschaulicht Fig. 4 eine Laserquelle 300 und eine erste Lichtleitfaser 302, die zwischen der Laserquelle 300 und einem Ausgangskoppler 304 gekoppelt ist. Eine zweite Lichtleitfaser 306 koppelt den Ausgangskoppler 304 mit einem Filter 308. Laserquelle 300 und Filter 308 sind mit einem Impulslängen-Vergleicher 310 gekoppelt. Der Impulslängen-Vergleicher kann vollständig aus Hardware, Software oder einer Kombination von Hardware und Software verwirklicht werden. Ein anderer Eingang zum Impulslängen- Vergleich 310 erfolgt vom optischen Sensor 312, der unter und im wesentlichen benachbart einem Werkstück 314 angeordnet ist. Ein Fotodetektor 315, der innerhalb oder an der Laserquelle 300 montiert ist, liefert dem Impulslängen- Vergleicher 310 ein weiteres Eingangssignal. Der Impulslängen-Vergleicher 310 erzeugt eine erste Ausgabe 01, eine zweite Ausgabe 02 und eine dritte Ausgabe 03, die dann mit einer Laserregelung, einem Werkstückmanipulator und einer Anzeige gekoppelt werden können.

Fig. 5 zeigt eine detailliertere Ansicht des Ausgangskopplers 304. Im einzelnen überträgt die Faser 302 während des Betriebes einen ersten divergierenden Strahl 316 von der Laserquelle 300. Der Strahl 316 trifft auf eine erste kollimierende Linse 318, die einen ersten kollimierten Strahl 320 emittiert. Der Strahl 320 trifft auf eine strahlerweiternde Linse 322, die einen zweiten divergierenden Strahl 324 emittiert. Der divergierende Strahl 324 trifft auf eine zweite kollimierende Linse 326. Die zweite kollimierende Linse emittiert einen zweiten kollimierten Strahl 328, der im wesentlichen ungestört durch einen Spiegel 330 hindurchtritt. Der Spiegel 330 ist so überzogen, daß er Wellenlängen von 1,06 µm bei 45° vollständig durchläßt. Solche Überzüge sind an sich bekannt. Der zweite kollimierte Strahl trifft dann auf eine erste fokussierende Linse 332, die einen Strahl 334 auf ein Werkstück 314 fokussiert. Durch Wechselwirkung des fokussierten Strahles mit dem Werkstück 324 wird ein Plasma erzeugt, und ein Bild 336 des erzeugten Plasmas wird zum Spiegel 330 reflektiert. Das reflektierte Bild des Plasmas wird dann zu einem zweiten Spiegel 338 gerichtet. Der Spiegel 338 richtet das Bild zu einer zweiten fokussierenden Linse 340, die ein optisches Bildsignal 342 auf eine Lichtleitfaser 306 fokussiert, um es zum Filter 308 zu übertragen. Statt einer einzelnen Faser 306 könnte auch ein Faserbündel benutzt werden. Darüber hinaus könnte die Linse 340 eine von vielen Linsenarten sein und sie kann so gar weggelassen werden so lange das optische Bildsignal des Plasmas in die Faser injiziert wird.

Fig. 6 zeigt detaillierter den Filter 308. Im einzelnen empfängt der Filter 308 als Eingangssignal das optische Bildsignal 342, das am Ausgangsende der Lichtleitfaser 306 emittiert wird und auf eine kollimierende Linse 344 trifft. Ein kollimierter Strahl 346 trifft auf einen Spiegel 348, der den Strahl 346 in einen ersten Abschnitt 350 und einen zweiten Abschnitt 351 aufspaltet. Der Spiegel 348 ist vorzugsweise so überzogen, daß er nur 1,06 µm-Signale reflektiert, wenn er im Winkel von 45° angeordnet ist. Diese Anordnung wird benutzt, weil ein Teil des Bearbeitungsstrahles vom Werkstück zum Ausgangskuppler zurückreflektiert werden kann. Ein Teil des durch die Faser 306 übertragenen Signals kann daher tatsächlich ein Signal des Bearbeitungsstrahles enthalten und nicht nur Signale, die für das durch den Strahl gebildete Plasma repräsentativ sind. Die für das Plasma repräsentativen Signale sind im allgemeinen Breitbandsignale und sie würden daher im wesentlichen ungestört als zweiter Abschnitt 351 durch den Spiegel 348 übertragen werden. Der erste Strahlabschnitt 350 trifft auf einen Impulsspitzen-Filter 352, der nur optische Signale mit einer Wellenlänge von 1,06 µm überträgt. Ein gefilterter Strahl 354 wird zu einer Fokussierungslinse 356 übertragen, die einen gefilterten Strahl 385 auf einen Fotodetektor 360 fokussiert. Das vom Fotodetektor 360 gelieferte Signal ist repräsentativ für die Impulsdauer.

Der zweite Strahlabschnitt 351 trifft auf einen zweiten Filter 362, der nur Signale einer Wellenlänge überträgt, die z. B. kleiner als 1,06 µm ist. Es können viele verschiedene Filtervorrichtungen benutzt werden, so lange die Signale des Bearbeitungsstrahles, d. h. Signale mit einer Wellenlänge von 1,06 µm nicht übertragen werden. Ein gefilterter Strahl 364 trifft auf eine fokussierende Linse 366, die den Strahl 368 auf einen zweiten Fotodetektor 370 fokussiert. Das vom Fotodetektor 370 erzeugte Signal ist repräsentativ für das während der Materialbearbeitung erzeugte Plasma. Die Ausgangssignale F1 und F2, die von den Fotodetektoren 360 und 370 geliefert werden, leitet man zu einem Impulslängen-Vergleicher 310 für die weitere Verarbeitung. Im einzelnen können die Signale verstärkt und dann in Digitalform umgewandelt werden.

Beim Betrieb der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform wird ein Strahl von der Quelle 300 durch die Lichtleitfaser 302 zum Ausgangskoppler 304 übertragen. Wie mit Bezug auf Fig. 8 noch erläutert werden wird, fokussiert an diesen Strahl dann auf das Werkstück 314. Das aufgrund des auf das Werkstück 314 auftreffenden Strahles erzeugte Plasma schafft ein Bildsignal, das durch den Ausgangskoppler und die Lichtleitfaser 306 zum Filter 308 zurück übertragen wird. Das Bildsignal liefert Information hinsichtlich der Intensität des Plasmas. Die Plasmaintensität steht in direkter Beziehung zu den Prozeßoperationen, wie der Laserstrahlintensität. Die durch das Bildsignal gelieferten Daten können daher zur Bearbeitungsregelung benutzt werden.

Tritt der Durchbruch ein, dann erzeugt auch der optische Sensor 312 ein Signal, das zum Impulslängen-Vergleicher 310 übertragen wird. Der Fotodetektor 315 liefert ein Signal, das repräsentativ ist für die gesamte Impulslängendauer. Aus dieser Information kann die Durchbruchszeit bestimmt werden. Ist diese Durchbruchszeit größer oder kleiner als erwartet, dann können Einstellungen vorgenommen werden, um erwünschtere Bearbeitungsergebnisse zu erhalten. So kann z. B. die Laserstrahlenergie oder die relative Position des Ausgangskopplers zum Werkstück eingestellt werden.

Der Betrieb der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform ist ähnlich dem der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform. Der in Fig. 1 gezeigte optische Sensor 112 ist jedoch in der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform durch ein Linsensystem innerhalb des Ausgangskopplers 304 ersetzt. In einigen Konfigurationen kann ein Linsensystem innerhalb des Ausgangskopplers bevorzugt sein, da es Probleme beseitigt, die mit der Verunreinigung durch Bohrspritzer in Zusammenhang stehen und den Sensor frei hält von Verunreinigungsstücken.

Eine dritte Ausführungsform eines optischen Überwachungssystems ist in Fig. 7 dargestellt. Diese Ausführungsform schließt eine Laserquelle 400 ein, die mit einem Computer 402 gekoppelt ist. Ein Spiegel 404 und eine fokussierende Linse 406 werden benutzt, um einen Strahl 408 von der Laserquelle 400 in eine Lichtleitfaser 410 zu injizieren. Der Spiegel 404 ist vollständig durchlässig für 1,06 µm-Signale, und daher wird der Strahl 408 im wesentlichen unbeeinträchtigt durch den Spiegel 404 übertragen. Die Lichtleitfaser 410 ist mit einem Ausgangskoppler 412 gekoppelt, der einen Bearbeitungsstrahl 414 auf ein Werkstück 416 überträgt. Der Spiegel 404 ist auch mit einem 1,06 µm-Filter 418, einer fokussierenden Linse 420 und einem Fotodetektor 422 ausgerichtet.

Wie in Fig. 8 gezeigt, schließt der Ausgangskoppler 412 eine erste kollimierende Linse 424 und eine den Strahl erweiternde Linse 426 ein. Eine zweite kollimierende Linse 428 ist mit der Linse 426 ausgerichtet, und eine fokussierende Linse 430 ist mit der Linse 428 ausgerichtet.

Während des Betriebes wird der Strahl 408, der von der Quelle 400 emittiert wird, durch die Linse 406 in die Faser 410 injiziert. Der Strahl wird durch die Lichtleitfaser zu einem Ausgangskoppler 412 übertragen und von diesem als erster divergierender Strahl 432 emittiert. Der Strahl 432 trifft auf die Linse 424, die einen ersten kollimierten Strahl 434 bildet. Der erste kollimierte Strahl trifft auf eine den Strahl erweiternde Linse 426, die einen zweiten divergierenden Strahl 436 bildet. Dieser trifft auf die Linse 428, die einen zweiten kollimierten Strahl 438 bildet, der auf die fokussierende Linse 430 trifft, die einen Strahl 414 bildet, der auf ein Werkstück fokussiert werden kann.

Während des Bearbeitens wird, wie bereits oben erwähnt, ein Plasma erzeugt, und es wird ein Bild des Plasmas durch die Linsenvorrichtung innerhalb des Kopplers 412 und durch die Lichtleitfaser zurück übermittelt. Das Bildsignal ist im wesentlichen ein Breitbandsignal, kann jedoch einige 1,06 µm-Signale enthalten, aufgrund der Reflexion des Strahles 414 durch das Werkstück. Das Bildsignal wird von der Lichtleitfaser emittiert und durch den Spiegel 404 zum Filter 418 reflektiert. Der Filter 418 wird benutzt, um alle 1,06 µm-Signale zu blockieren, so daß nur die tatsächlichen Signale des Plasmabildes durch die Linse 420 auf den Fotodetektor 422 fokussiert werden. Das Signal des Detektors 422 ist daher repräsentativ für das während des Bearbeitens gebildete Plasma, und ein solches Signal kann zum Regeln der Operationen benutzt werden. Obwohl in Fig. 7 nicht gezeigt, könnten sowohl ein oberer als auch ein unterer Sensor am Werkstück als auch ein Sensor innerhalb der Laserquelle 400 benutzt werden, wie im Zusammenhang mit den oben beschriebenen Ausführungsformen erläutert.

Aus der vorhergehenden Diskussion sollte deutlich geworden sein, daß die vorliegende Erfindung ein kontinuierliches Überwachen des Laserbearbeitens von Materialien gestattet und im wesentlichen in Jetztzeit arbeitet. Wichtigerweise verlangsamt keine Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung die Bearbeitungsgeschwindigkeit und läuft im wesentlichen gleichzeitig mit den Bearbeitungsoperationen ab. Die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erzeugten Daten können auch dazu benutzt werden, eine Anzeige anderer geometrischer Eigenschaften gebohrter Löcher zu liefern, die die umgeschmolzene Schichtdicke und die Lochverjüngung bzw. -erweiterung einschließen. So könnten z. B. während einer Kalibrierungsoperation, die an einer Testprobe ausgeführt wird, Daten gesammelt werden, und von solchen Daten, die erwünschte Ergebnisse liefern, könnte man Vergleiche während des Bearbeitens vornehmen. Wird eine Abweichung von den erwünschten Signalen nachgewiesen, könnte man an den Bearbeitungskomponenten Einstellungen vornehmen. Das erfindungsgemäße Überwachungssystem kann auch dazu benutzt werden, daß Versagen anderer Systemkomponenten anzuzeigen, wie einen Bruch in einer Lichtleitfaser oder einen Ausfall von Laserstrahl/Laser- Blitzlampe, wie sich aus einer plötzlichen Veränderung in der Plasmaintensität ergibt, die nicht einem Durchbruch durch ein Werkstück zuzuschreiben ist.

Claims

1. Vorrichtung zum Überwachen der Laserbearbeitung eines Werkstückes, wobei die Vorrichtung umfaßt:
eine Einrichtung zum optischen Überwachen des Bearbeitetens und zum Erzeugen eines Bearbeitungssignals, das für die Bearbeitung repräsentativ ist;
eine Einrichtung zum Interpretieren der Bearbeitungssignale und zum Erzeugen eines interpretierten Ausgangssignals und eine Einrichtung zum Regeln der Materialbearbeitung auf der Grundlage des interpretierten Ausgangssignals der Interpretierungseinrichtung und durch Erzeugen eines Regelungssignals, das an eine Komponente zur Laserbearbeitung angelegt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die optische Überwachungseinrichtung umfaßt:
einen ersten optischen Sensor, der so angeordnet ist, daß er das Werkstück auf der gleichen Seite beobachtet, auf die ein Laserstrahl angewendet werden soll.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die optische Überwachungseinrichtung umfaßt:
einen zweiten optischen Sensor, der so angeordnet ist, daß er das Werkstück auf einer Seite betrachtet, die der gegenüberliegt, auf die ein Laserstrahl angewandt wird.

4. Vorichtung nach Anspruch 1, worin die optische Überwachungseinrichtung umfaßt:
einen dritten optischen Sensor, der so angeordnet ist, daß er ein Signal erzeugt, das repräsentativ ist für eine Länge eines Laserstrahlimpulses, der von einer Laserquelle emittiert wird, wobei der der Laserstrahlimpuls zur Ausführung der Materialbearbeitung benutzt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die optische Überwachungseinrichtung eine Fotodiode umfaßt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Interpretierungseinrichtung eine Einrichtung zum spektralen Analysieren von Daten von der optischen Überwachungseinrichtung umfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Regelungseinrichtung eine Einrichtung zur Bestimmung der Durchbruchszeit umfaßt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, worin die Regelungseinrichtung weiter umfaßt:
eine Einrichtung zum Regeln des Fokussierens eines Materialbearbeitungs-Laserstrahles auf eine Brennebene und eine Einrichtung zur Verursachung relativer Bewegung zwischen der Brennebene und dem Werkstück.

9. Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstückes, wobei die Bearbeitungsvorrichtung umfaßt:
eine Einrichtung zum Aufbringen eines Laserstrahles auf ein Werkstück,
eine Einrichtung zum optischen Überwachen der Bearbeitung und zum Erzeugen eines Bearbeitungssignals, das für die Bearbeitung repräsentativ ist,
eine Einrichtung zum Interpretieren des Bearbeitungssignals und zum Erzeugen eines interpretierten Ausgangssignales und eine Einrichtung zum Regeln der Materialbearbeitung auf der Grundlage des interpretierten Ausgangssignales der Interpretierungseinrichtung und durch Erzeugen eines Regelungssignales, das an eine Komponente zur Laserbearbeitung angelegt wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, worin die Einrichtung zum Aufbringen eines Laserstrahles umfaßt,
eine Leistungsquelle,
eine mit der Leistungsquelle gekoppelte Laserstrahlquelle, einen Ausgangskoppler und
eine Lichtleitfaser, die zwischen der Leistungsquelle und dem Ausgangskoppler gekoppelt ist, um einen Laserstrahl, der von der Leistungsquelle emittiert wird, zum Ausgangskoppler zu übertragen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, worin die optische Überwachungseinrichtung umfaßt:
einen ersten optischen Sensor, der so angeordnet ist, daß er das Werkstück auf der gleichen Seite betrachtet, auf die ein Laserstrahl angewandt werden soll.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, worin die optische Überwachungseinrichtung umfaßt:
einen zweiten optischen Sensor, der so angeordnet ist, daß er das Werkstück auf einer Seite betrachtet, die der Seite gegenüberliegt, auf die ein Laserstrahl angewandt werden soll.

13. Vorrichtung nach Anspruch 9, worin die optische Überwachungseinrichtung umfaßt:
einen dritten optischen Sensor, der so angeordnet ist, daß er ein Signal erzeugt, das repräsentativ ist für eine Länge eines Laserstrahl-Impulses, der von einer Laserquelle emittiert wird, wobei der Laserstrahl-Impuls zur Ausführung der Materialbearbeitung benutzt wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 9, worin die optische Überwachungseinrichtung eine Fotodiode umfaßt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 9, worin die Interpretierungseinrichtung eine Einrichtung zum Analysieren von Daten von der optischen Überwachungseinrichtung umfaßt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 9, worin die Regelungseinrichtung eine Einrichtung zum Bestimmen der Durchbruchszeit umfaßt und die Regelungseinrichtung weiter eine Einrichtung zum Fokussieren eines Materialbearbeitungs-Laserstrahls auf eine Brennebene und eine Einrichtung zur Verursachung relativer Bewegung zwischen der Brennebene und dem Werkstück umfaßt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 9, worin die Einrichtung zum Interpretieren des Verarbeitungssignals und zum Erzeugen eines interpretierten Ausgangssignals eine Einrichtung zur Impulslängen-Bestimmung umfaßt, die einen Impulslängen- Vergleicher einschließt.