DD227364A1

DD227364A1 - Anordnung zur steuerung von verfahrensparametern bei der werkstoffbearbeitung mittels laserstrahlen

Info

Publication number: DD227364A1
Application number: DD26858484A
Authority: DD
Inventors: Klaus-Juergen Luck; Hartmut Mueller
Original assignee: Univ Schiller Jena
Priority date: 1984-10-22
Filing date: 1984-10-22
Publication date: 1985-09-18

Abstract

Die Anordnung zur Steuerung von Verfahrensparametern ist fuer die bekannten Verfahrenshauptgruppen der Werkstoffbearbeitung mittels Laserstrahl, wie z. B. Stoffeigenschaftsaendern, Abtragen und Fuegen anwendbar. Um ein repraesentatives Steuersignal fuer mindestens einen Verfahrensparameter zu erzeugen, soll ein moeglichst grosser Anteil der reflektierten Laserstrahlung oder Waermestrahlung erfasst werden. Dazu sind die erforderlichen Strahlungsempfaenger nahe an der Bearbeitungszone anzuordnen. Die Loesung besteht fuer eine Anordnung mit einer den Laserstrahl umgebenden Schutzgasduese darin, den Strahlungsempfaenger unmittelbar neben der Schutzgasduesenaustrittsoeffnung der Schutzgasduese anzubringen. Eine Ausfuehrungsvariante der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das untere Ende der den Laserstrahl umgebenden Schutzgasduese durch ein Kalorimeter gebildet wird, welches eine als Schutzgasduesenaustrittsoeffnung wirkende zentrische Oeffnung besitzt. Fig. 2

Description

Titel der Erfindung

Anordnung zur Steuerung von Verfahrensparametern bei der _/^ae»j/werkstoffbearbeitung mi-H~te>

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, die bei der Laserwerkstoffbearbeitung die Steuerung der Laserausgangsleistung oder des Abstandes zwischen Fokussieroptik und Werkstückwerkstoffoberfläche oder der Relativgeschwindigkeit zwischen Laserstrahl und Werkstückwerkstoff in Abhängigkeit von der Temperatur in der Werkstückwerkstoff-Bearbeitungszone und damit von der eingebrachten Laserstrahlungsenergie bzw. eines bestimmten Bearbeitungsergebnisses ermöglicht« Sie ist für alle bekannten Verfahrenshauptgruppen der Werkstoffbearbeitung mittels Laserstrahl, wie z. B. Stoffeigenschaftsändern, Abtragen und Fügen anwendbar.

Die Laserwerkstoffbearbeitung beruht auf einer definierten Umwandlung der Laserstrahlungsenergie in Wärme der Werkstückwerkstoff-Bearbeitungszone und dessen Umgebung. CJe nach dem Energie-Zeit-Verhalten und der räumlichen Verteilung der Strahlungsflußdichte wird die Werkstückwerkstof f-Bearbeitungszone aufgeheizt, geschmolzen oder verdampft. Der Energieeintrag in die Werkstückwerkstoffoberfläche muß der jeweiligen Laserwerkstoffbearbeitung ange-

paSt sein. Aus diesem Grund ergibt sich die Notwendigkeit einer Kontrolle während der Bearbeitung und einer Steuerung des Laserenergietransfers in den Werkstückwerkstoff für jedes Laserwerkstoffbearbeitungsverfahren und deren Verfahrensvarianten.

Bestimmende Größen für den Laserenergietransfer sind die Laserleistung bei CW-Betrieb des Lasers bzw. die Laserimpulsenergie bei Impuls-Laserbetrieb und der Abstand der Fokussierungsoptik zur Werkstückwerkstoffoberfläche (LaserstrahlungsfluSdichte), die Relativgeschwindigkeit zwischen Laserstrahl und Werkstückwerkstoff sowie das Reflexionsvermögen der Werkstückwerkstoff-Bearbeitungszone. Da das Reflexionsvermögen der Werkstückwerkstoff-Bearbeitungszone bei der jeweiligen Laserwellenlänge wesentlich von der Oberflächengüte und von der Temperatur der Werkstückwerkstoff-Bearbeitungszone abhängt, diese aber wiederum von der in den VVerkstückwerkstoff absorbierten Laserleistungs- bzw. Impulsenergie, der Laserstrahlungsfiußdichte und der Relativgeschwindigkeit zwischen Laserstrahl und Werkstückwerkstoff abhängen, ist das Reflexionsvermögen des Werkstückwerkstoffes indirekt eine Funktion der obigen drei Einflußgrößen. Damit ist prinzipiell eine Kontroll- und Steuerungsmöglichkeit der Laserleistung respektive Impulsenergie, oder des Abstandes zwischen Fokussierungsoptik und Werkstückwerkstoffoberfläche oder der Relativgeschwindigkeit zwischen Laserstrahl und Werkstückwerkstoff mit Hilfe des Reflexionsvermögens der Werkstückwerkstoff-Bearbeitungszone bei der jeweiligen Laserwellenlänge hinsichtlich der Optimierung bestimmter Bearbeitungsergebnisse gegeben. Bei den in der Praxis am häufigsten angewendeten Laserstrahlbearbeitungsverfahren wir.d der Laserstrahl senkrecht auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückwerkstoffes gerichtet, so daß immer ein Teil der Laserstrahlung von der Oberfläche reflektiert wird. Bei der Verwendung einer bestimmten, konstanten Laserwellenlänge hängt der reflektierte Strahlungsanteil hauptsächlich vom Werkstückwerkstoff, von der Temperatur der Werkstückwerkstoff-Bearbeitungszone und

von der sich während der Bearbeitung ändernden Werkstückwerkstoff oberflächengüte ab. Die Erwärmung der Werkstückwerkstoff-Bearbeitungszone und die dabei auftretenden Veränderungen der Oberflächengüte bedingen einander und sind werkstoffspezifisch. Die räumliche reflektierte Strahlungsflußdichteverteilung (räumliche Reflexionsstrahlungscharakteristik) ist von der Oberflächengüte abhängig. So wird bei Rauhtiefenwerten der Werkstückwerkstoffoberfläche, die wesentlich kleiner sind als die Laserwellenlänge (R_fc«A) raehr"spiegelnde" Reflexion vorliegen, als bei Rauhtiefenwerten, deren Betrag annähernd gleich oder größer als die Wellenlänge ist. Dann wird man zunehmend mehr diffuse Reflexion erwarten können. Somit erhält man bei der Messung der gesamten reflektierten Laserstrahlung oder der reflektierten Laserstrahlung innerhalb eines bestimmten konstanten Raumwinkels bei verschiedenen Relativgeschwindigkeiten zwischen Laserstrahl und Werkstückwerkstoff und unter sonst konstanten Laserbearbeitungsparametern und Werkstück?· werkstoffeigenschaften auch verschiedene Meßwerte für die reflektierte Laserstrahlung. Unterschiedliche Meßwertbeträge der reflektierten Laserstrahlung würde man analog bei unterschiedlichen Abständen zwischen Fokussierungsoptik und Werkstückwerkstoffoberfläche oder bei unterschiedlichen Laserleistungen unter sonst konstanten Laserbearbeitungsparametern sowie Werkstückwerkstoffeigenschaften erhalten. Diese unterschiedlichen Meßwertbeträge der reflektierten Laserstrahlung sind ein Kennzeichen für unterschiedlich in dem Werkstückwerkstoff eingebrachte Laserstrahlungsenergien und damit eng verbunden für unterschiedliche Bearbeitungs- ^r ergebnisse.

Analog konnte man sich auch eine Kontroll- und Steuerungsmöglichkeit der obig genannten drei Einflußgrößen mit Hilfe der von der Werkstückwerkstoff-Bearbeitungszone emittierten Wärmestrahlung oder der Wärme- und reflektierten Strahlung hinsichtlich der Optimierung bestimmter Werkstückwerkstoff-Bearbeitungsergebnisse vorstellen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In der FR - PS 24 50660 wird eine Apparatur zur Behandlung metallischer Werkstücke mittels Laserstrahlung beschrieben, die eine reflektierende Einrichtung beinhaltet, welche dafür vorgesehen ist, die vom metallischen Werkstückwerkstoff reflektierte Strahlung wieder auf die Werkstückwerkstoff-Bearbeitungszone zu fokussieren. Dies geschieht mit Hilfe einer reflektierenden Kugelkappe, deren Krümmungsmittelpunkt sich im Bearbeitungspunkt auf der Werkstückwerkstoff oberfläche befindet. Zum anderen ist dia Kugelkappe zugleich mit einer Schutzgaszu- und -abführung, mit einer Kühlung und mit Strahlungsempfängern versehen, welche erlauben "physikalische und chemische Parameter der behandelten Oberfläche" über den reflektierten Strahlungsanteil zu messen.

Die Anwendung dieser Apparatur wird durch die Notwendigkeit der Herstellung einer entsprechenden gut reflektierenden Kugelkappe erschwert· Die gemeinsame Halterung von Laserkopf, Kugelkappe mit Kühlsystem und Schutzgaszuführung sowie Strahlungsempfängern und Fokussiereinrichtung erscheint hinsichtlich der statischen und dynamischen Stabilität der Apparatur nachteilig. Zum andern wird die Anwendung der Apparatur durch die Notwendigkeit des Vorhandenseins ebener, glatter Werkstückwerkstoffoberflächen eingeschränkt. Die beliebige Bearbeitung von VVerkstückwerkstoff oberflächen mit komplizierten herausragenden Elementen ist mit der obigen Anordnung nicht möglich, da eine Kollissionsgefahr der Kugelkappe mit dem Werkstückwerkstoff besteht. Weiterhin ist eine Zuführung von Zusatzwerkstoff unter verschiedenen Winkeln zur Werkstückwerkstoffoberfläche, insbesondere beim Laser-Fügen, Laser-Plattieren oder Laser-Legieren problematisch. Damit ist die Kompatibilität der obigen Apparatur hinsichtlich verschiedener Laserbearbeitungsaufgaben eingeschränkt.

Die US - PS 4 121 087 enthält eine Meßanordnung, die die Kontrolle und Steuerung der Laserleistung oder des Abstandes

Fokussierungsoptik - Werkstückwerkstoffoberfläche oder der. Relativgeschwindigkeit zwischen Laserstrahl und Werkstück beim Laserschweißen mittels der reflektierten und gestreuten Laserstrahlung oder eines Strahlungsanteils ermöglicht. Wird nur ein Strahlungsempfänger verwendet, so ist dieser zwecks Erfassung eines möglichst großen Strahlungsanteils nahe der Schweißnaht zu positionieren. Dies dürfte erfahrungsgemäß problematisch sein, da Kalorimeter u. a. große, selbständige Baueinheiten sind, die nicht optimal - d. h. einem möglichst großen Raumwinkel erfassend positioniert werden können.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein repräsentatives Steuersignal für mindestens einen Verfahrensparameter zu erzeugen, indem ein möglichst großer Anteil der reflektierten Laserstrahlung oder der Wärmestrahlung erfaßt wird.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den erforderlichen Strahlungsempfänger nahe an der Bearbeitungszone anzuordnen, ohne daß dadurch der Bearbeitungsvorgang behindert oder das Anwendungsgebiet der Laserbearbeitungsanlage eingeschränkt wird.

Die Lösung besteht für eine Anordnung zur Steuerung von Verfahrensparametern bei der Laserwerkstoffbearbeitung mit einer den Laserstrahl umgebenden Schutzgasdüse darin, den Strahlungsempfänger unmittelbar neben der Schutzgasdüsenaustrittsöffnung der Schutzgasdüse anzubringen.Wird eine einfache kegelförmige Düse verwendet, so kann der Strahlungsempfänger an der Düsenwand verschiebbar angeordnet werden.

Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß die Düsenöffnung klein sein kann, so daß der Verbrauch an Schutzgas gering ist. Desweiteren ist die Realisierung der Anordnung durch einfaches Aufstecken der Empfänger unkompliziert und kompatibel·

Zur optischen Dämpfung der von der Werkstoffoberfläche reflektierten und emittierten elektromagnetischen Strahlung sind dem Strahlungsempfänger optische Filter vorgeschaltet. Weiterhin ist es zweckmäßig, die Empfänger- bzw. Filterflächen durch weitere Schutzgasdüsen vor Verunreinigungen zu schützen.

Eine andere Ausgestaltungsvariante der Erfindung erhält man, wenn das untere Ende der den Laserstrahl umgebenden Schutzgasdüse durch ein Kalorimeter gebildet wird, welches eine als Schutzgasdüsenaustrittsöffnung wirkende zentrische Öffnung besitzt. Die Innenfläche des Kalorimeters soll dabei eine trichterförmige Gestalt aufweisen und mit vielen kleinen Gasdüsenöffnungen versehen sein, die ein Beschlagen der Strahlungsabsorbierenden Trichterinnenfläche mit verdampfenden Werkstoff oder aus der Bearbeitungszone herausgeschleuderten Partikeln verhindern sollen. Vor dem Kalorimeter können wiederum optische""-RLlJtOr= angebracht sein. Diese müssen ebenfalls eine zentrische öffnung für den Durchtritt der Laserstrahlung und des Schutzgases besitzen« Verunreinigungen werden durch zusätzliche, vertikal zur Laserstrahlachse angeordnete Schutzgasdüsen vermieden.

Da in bestimmten Bearbeitungsverfahren, wie z. B. beim Laser-Trennen und Laser-Bohren der Laserstrahl den Werkstoff durchdringt, muß sich in diesen Fällen eine die Laserstrahlung spiegelnd reflektierende Fläche hinter dem Werkstück befinden. Diese spiegelnde Fläche kann auch bei fehlendem Werkstück zur Bestimmung der Lasereffektivleistung herangezogen werden.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in der Zeich-nung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert:

Fig. 1 zeigt eine Anordnung, bei der ein oder mehrere Strahlungsempfänger 1 unmittelbar neben der Schutzgasdüsenaustrittsöf fnung 4 der den Laserstrahl 2 umgebenden Schutzgasdüse 3 angeordnet sind. Vor den jeweils gewählten Strahlungsempfängern 1 befinden sich je nach Meßaufgabe (Reflexions- oder Temperaturmessung) optische Filter 5. Die Strahlungsempfänger 1 und die optischen Filter 5 müssen auf die Werkstückwerkstoff-Bearbeitungszone 7 gerichtet sein und zusätzlich mit je einer Schutzgasdüse oder einem Schutzgasdüsensystem 6 versehen werden, die dafür sorgen sollen, daß die optischen Filter 5 der Strahlungsempfänger nicht mit Werkstückwerkstoffdämpfen bzw. -partikeln verunreinigt werden. Das Ausführungsbeispiel schließt eine Verschiebung der Strahlungsempfänger 1 an der Düsenwand in minus z-Richtung, außerhalb der Schutzgasdüse 3 ein. Eine Kühlung 10 der Strahlungsempfänger 1 sollte je nach Bedarf möglich sein. In einem frei wählbaren aber konstantem Abstand₍hg zur Schutzgasdüsenaustrittsöffnung 4 befindet sich eine Spiegelfläche 9. Eine Bearbeitung von Werkstückwerkstoffoberflächen mit komplizierten herausragenden Elementen 8 ist mit diesem Ausführungsbeispiel möglich, ohne daß eine Kollissionsgefahr besteht.

Figur 2 zeigt schematisch eine kalorimetrische Meßanordnung, die prinzipiell die Schutzdüseriaustrittsöffnung mit einem Kalorimeter vereinigt. Das untere Ende der den Laserstrahl 2 umgebenden Schutzgasdüse 3 wird durch ein Kalorimeter 13 gebildet, welches im Trichtermittelpunkt eine zentrische Schutzgasdüsenaustrittsöffnung 15 besitzt. Die Empfängerfläche des Kalorimeters 12 soll eine trichterförmige Gestalt aufweisen und mit vielen kleinen Schutzgasaustrittsdüsen 11 versehen sein. Sie sollen dafür sorgen, daß die Empfängerfläche 12 des Kalorimeters 13 nicht durch ver-

dampften Werkstückiverkstoff oder durch Werkstoffpartikel ^verunreinigt werden. Vor dem Kalorimeter können optische Filter 5 angebracht sein. Diese müssen ebenfalls eine zentrische Öffnung 14 für den Durchtritt der Laserstrahlung und des Schutzgases besitzen. Verunreinigungen der optischen Filter durch verdampften Werkstückwerkstoff oder durch Werkstoffpartikel werden durch zusätzliche, vertikal zur Laserstrahlachse angeordnete Schutzgasdüsen 6 vermieden. Bei der Verwendung optischer Filter 5 vor dem Kalorimeter kann man eventuell auf die vielen kleinen Schutzgasaustrittsdüsen 11 verzichten.

Claims

Erfindungsanspruch

1. Anordnung zur Steuerung von Verfahrenspäramtern bei der Werkstoffbearbeitung mittels Laserstrahlen, welche eine den Laserstrahl umgebende Schutzgasdüse sowie mindestens einen Strahlungsempfänger enthält, der einen reflektierten Anteil der Laserstrahlung erfaßt und daraus ein Steuersignal für mindestens einen Verfahrensparamter erzeugt, dadurch gekennzeichnet," daß der Strahlungsempfänger (1) unmittelbar neben der Düsenaustrittsöffnung (4) der Schutzgasdüse (3) angebracht ist.

2. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsempfänger (1) an der kegelförmig ausgebildeten Wand der Schutzgasdüse (3) verschiebbar angeordnet ist.

3» Anordnung nach Punkt 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Strahlungsempfänger (1) optische Filter (5) vorgeschaltet sind.

4. Anordnung nach Punkt 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Strahlungsempfänger (1) bzw. Filtern (5) weitere Schutzgasdüsen (6) angeordnet sind.

5. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Ende der den Laserstrahl umgebenden Schutzgasdüse (3) durch ein Kalorimeter (13) gebildet wird, welches eine als Schutzgasdüsenaustrittsöffnung wirkende zentrische öffnung (15) besitzt.

6. Anordnung nach Punkt 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängerfläche (12) des Kalorimeters eine trichterförmige Gestalt besitzt und mit vielen kleinen Gasdüsenöffnungen (11) versehen ist.

7. Anordnung nach Punkt 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Kalorimeter (13) optische Filter (5) angebracht sind, die eine zentrische "Öffnung (14)

für den Durchtritt der Laserstrahlung und des Schutzgases besitzen.

8. Anordnung nach einem der Punkte 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß neben den optischen Filtern (5) vertikal zur Laserstrahlachse weitere Schutzgasdüsen (6) angeordnet sind.

9. Anordnung* nach einem der Punkte 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in einem bestimmten Abstand zum Strahlungsempfänger (1) bzw. der Schutzgasdüsenaustrittsöffnung (4 bzw. 15) eine die Laserstrahlung reflektierende Spiegelfläche (9) vorhanden ist.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen