WO2020007984A1 - Verfahren und vorrichtung zum überprüfen einer fokuslage eines laserstrahls relativ zu einem werkstück - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum überprüfen einer fokuslage eines laserstrahls relativ zu einem werkstück Download PDF

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Ralf Bartmuss
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    • B23K26/21—Bonding by welding

Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for
  • the laser beam may not be correctly focused on the workpiece for various reasons.
  • the respective focus position i.e. the distance of the beam waist of the laser beam relative to the workpiece, at a respective position at which a welding point is to be set, can be checked beforehand by dog or by pilot light.
  • a check is typically inaccurate and error-prone.
  • Laser parameters such as the intensity or the power of the laser, the pulse frequency, etc. can be set.
  • the detected radiation intensity can also be used to infer certain events during the machining process, for example the point in time at which the workpiece is pierced by means of the laser beam.
  • the focus position of the laser beam in the beam direction of the laser beam can also be determined in this way.
  • DE 102 48 458 A1 has disclosed a method for setting a focus position of a laser beam directed onto a workpiece.
  • the laser beam emerges from a processing head with a displaceably arranged therein
  • the invention has for its object to provide a method and an apparatus for checking a focus position relative to a workpiece, with which the focus position can be checked in a simple manner.
  • this object is achieved by a method of the type mentioned at the outset, which comprises the following steps: focusing one
  • Laser beam at a plurality of positions along at least one trajectory on the workpiece, in particular on the workpiece and on at least one further, structurally identical workpiece, detecting radiation that occurs at a
  • the focus position of the laser beam can be checked by comparing a signal value determined at a respective position with a reference value which is formed from several, in particular from all available signal values. It can be exploited here that the focus position at the majority of the positions typically approximately corresponds to the nominal focus position, which e.g. is adjusted with the aid of focusing optics. Especially when machining workpieces that deviate from a flat geometry, i.e. for workpieces whose workpiece surface forms a three-dimensional geometry in space, e.g. in body construction, the actual focus position may deviate from the nominal focus position for individual positions, as explained below.
  • Such welding can be carried out with the aid of programmable or adjustable focusing optics.
  • the focusing optics or a corresponding control device knows the geometry or path curve to be generated in each case on the workpiece surface and is able to compensate for the guiding movement of a robot arm to which the focusing optics or a processing head with the focusing optics is attached. If there is a geometry or path curve to be welded in the space that can be reached by the focusing optics, the welding process is initiated.
  • This “on-the-fly” processing method poses a major challenge to the adjustment of the focus position and to the focus position control of the focusing optics, so that deviations from the nominal focus position can occur during welding processing at individual positions. Such deviations can be recognized by a signal value determined at the respective position with the
  • Signal values are used which are determined at a plurality of different positions along the trajectory on the (current) workpiece. However, it is also possible, additionally or alternatively, to use signal values for the formation of the reference value, which are determined during the welding processing of several identical workpieces with the same focusing device or with the same control device along one and the same trajectory.
  • welding processing of the workpiece can be determined at a plurality of positions along a path curve which forms a step seam, welding points with different seam geometry, e.g. with different seam length, or with other different parameters.
  • a direct comparison of the signal values at different positions along the trajectory and thus the formation of a meaningful reference value from the signal values at the plurality of positions is not readily possible.
  • the plurality of positions along a path curve which forms a step seam welding points with different seam geometry, e.g. with different seam length, or with other different parameters.
  • a reference value can be used for this position. It is also possible, for the formation of the reference value, to use signal values which occur at welding points with identical seam geometry along at least one path curve the same workpiece are formed, and welding spots with identical seam geometry, which are formed on different workpieces,
  • the mean value or the most frequent value is determined from the signal values as a reference value.
  • a typical (three-dimensional) workpiece is correct at the plurality of positions or
  • the spot position corresponds to the nominal focus position on the surface of the workpiece, i.e. they are "good” welding spots.
  • Average is typically the arithmetic mean, i.e. there is generally no weighting of the individual signal values.
  • the most frequently occurring signal value can be used as a reference value.
  • a frequency distribution is used for the signal values or creates a histogram by dividing the signal values into different classes or value intervals.
  • the most common signal value more precisely the class or the value interval in which most signal values are located, is used as a reference value in this case.
  • Corresponding radiation detector sensitive in the infrared wavelength range is detected.
  • a nominal focus position of the laser beam relative to the workpiece is determined in a preceding step and the focus position is set to the nominal focus position.
  • the nominal focus position can
  • Focus position i.e. the distance of the focus relative to the workpiece changes
  • the focusing optical element is shifted.
  • the setting of the focusing optics at which the detected radiation or the associated signal value is at a maximum is identified with the nominal focus position. It goes without saying that the nominal focus position can also be determined in other ways.
  • the focus position at the plurality of positions should approximately correspond to the nominal focus position. Due to the relative comparison of the focus positions at different positions, it is not necessary to determine the focus position in the manner described above, ie by adjusting the focusing optics or changing the focus position at each of the plurality of positions, rather it is sufficient when the nominal focus position is determined and set at a position. In a further variant, only the radiation detected during the time period of a respective laser pulse is used to determine a respective signal value
  • Radiation is detected, and to synchronize the time interval in which a respective laser pulse of the laser beam is generated. In this way it is ensured that a signal is evaluated only if the pulsed laser beam interacts with the workpiece and emits radiation in the process.
  • digital filtering can be carried out, for example, but it is also possible to use an average or an integral over the detected radiation
  • the method comprises: in particular welding machining of the workpiece at least at the plurality of positions along the path curve, the focus position being checked before machining, during machining and / or after machining of the workpiece.
  • a step seam with a plurality of welding spots is created along the path curve, since a continuous seam would heat the workpiece too much.
  • the checking of the focus position at the at least one, typically at all of the plurality of positions can be carried out before the (welding) processing of the
  • test welding spots are generated at the plurality of positions and the focus position is checked in the manner described above. If there is a deviation from the nominal focus position during the check at individual positions, this deviation can be corrected by the actual focus position at the respective position at the
  • the focus position can also be checked after the welding process has ended. In this case, by checking the focus position, a statement can be made about the quality of those carried out in the machining process
  • Welding can be made at the respective positions. In the event that the quality of the weld carried out is assessed as inadequate the workpiece can be reworked. You can also use the evaluation of the quality of (identical) welds on several workpieces
  • Welds along the trajectory can be determined.
  • a welding point can be set at a larger number of positions along the trajectory than would actually be required for the welding. In this way, a certain number of “not so good”
  • the focus position can also be checked during (welding) processing.
  • Position along the trajectory compared with a reference value, which is formed from the signal values at previously welded positions along the trajectory.
  • a reference value which is formed from the signal values at previously welded positions along the trajectory.
  • the average value over all signal values at the previously welded positions along the trajectory can be formed as a reference value.
  • processed positions for the formation of the reference value for example a reference value in the form of a moving average.
  • contamination of at least one optical element guiding the laser beam is inferred on the basis of a temporal decrease in the signal values during machining of the workpiece.
  • the signal values are typically stored over a longer period of time, ie for several successive machining processes, and a check is carried out to determine whether the signal values decrease over time or over the plurality of (welding) machining processes (continuously).
  • the optical element which is soiled during processing, for example due to splashes, can be, for example, a protective glass of the optics or a processing head that serves to guide the laser beam.
  • a faulty clamping of the workpiece is recognized on the basis of a change in the time profile of the signal values.
  • the workpiece part or parts to be welded are fixed with the aid of clamping elements or with the aid of a clamping device.
  • the clamping device can be set incorrectly, so that the workpiece is not at the specified distance or the path curve to be welded is not in a desired plane. This can be done using a
  • Deviation of the signal or on the basis of a change in the signal values can be detected, for example by an increase in a deviation of several
  • the clamps used to clamp the workpiece can also shield the workpiece in the area to be welded.
  • the respective signal value at the shielded position typically deviates significantly from the reference value.
  • a change in the focus position by means of metal vapor present in the beam path between a processing head for guiding the laser beam and the workpiece is concluded on the basis of a change in the signal values over time.
  • metal vapor is typically released, which is usually caused by a protective gas flow between the
  • the Machining head and the workpiece is removed. If the shielding gas flow is shielded by the workpiece itself, for example due to its three-dimensional geometry, or by a clamping or holding device for the workpiece, this leads to a change in the effective focus position of the laser beam due to the different refractive index of the metal vapor compared to air. This can also be recognized by changing the signal values. Typically, when metal vapor is present, the measured signal strength, ie the level of the signal values determined overall, increases io during the machining process.
  • a further aspect of the invention relates to a device of the type mentioned at the outset, comprising: a processing head for focusing the laser beam at a plurality of positions along at least one path curve on the workpiece, in particular on the workpiece and on at least one further, structurally identical workpiece, a radiation detector for Detecting radiation generated when the laser beam, in particular a respective laser pulse, interacts with the workpiece at the associated position, a control device which is designed to determine signal values which correspond to the detected radiation at a respective position and which is designed to Check the focus position at the at least one position by comparing the signal value at the position with a reference value formed from the signal values.
  • the processing head can be on a robot or on a robot arm
  • Machining process can be run with the help of the machining head.
  • a plurality of laser pulses can be generated in order to generate a plurality of test welding spots on the workpiece.
  • the intensity of the radiation generated here can be detected by the radiation detector.
  • the radiation detected by the radiation detector can be heat radiation in the infrared wavelength range, ie a variable which is dependent on the temperature of the workpiece is determined.
  • radiation detectors can be used which detect radiation in different wavelength ranges than in the infrared wavelength range. It goes without saying that the radiation detected by two or more different radiation detectors can also be used to determine a signal value at one and the same position.
  • the device comprises a laser source for generating the pulsed laser beam in particular, and the control device is preferably designed to use only the radiation detected during the period of a respective laser pulse to determine a respective signal value.
  • the evaluation of the detected radiation is carried out synchronized with the laser pulses. In this way it is ensured that the detected radiation is only evaluated during the period of a respective laser pulse in which an interaction with the workpiece can take place.
  • the laser source can be connected to the processing head, for example, via fiber optics or via a light guide cable.
  • the radiation sensor can be arranged in the laser source, ie the radiation propagating from the workpiece via the light guide cable into the laser source is detected.
  • the radiation sensor can also be arranged elsewhere,
  • the radiation for example within the machining head. It is also not absolutely necessary for the radiation to be detected coaxially, i.e. the
  • Radiation detector can also be off-center with respect to a beam axis of the
  • the machining head is not necessarily attached to a robot arm, i.e. any other movement device can be used which a movement of the
  • such a movement device can be a portal of a
  • a light guide cable does not necessarily have to be used for guiding the laser beam from the laser source to the processing head, but rather can
  • Laser beam can also be guided to the processing head in free beam propagation.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a device for welding
  • Fig. 3 is an illustration of a trajectory on the workpiece by a
  • Machining head is traversed and along which at ten
  • a corresponding number of test welding spots is generated in different positions by means of laser pulses
  • FIG. 1 shows an exemplary structure of a device 1 for welding machining of a workpiece 2, which has a machining head 3 in order to align a laser beam 4 with the workpiece 2 to be machined, which in the example shown is to be welded.
  • the laser beam 4 is generated by a laser source 5, which couples the laser beam 4 into the processing head 3 via an optical fiber 6.
  • the laser beam 4 emerges divergently from the optical fiber 6 and into one
  • Focusing optics 7, which have a focusing lens (not shown) and possibly has further optical elements in order to focus the laser beam 4 on the workpiece 2, more precisely at a nominal focus position FN.
  • the nominal focus position FN lies in a workpiece plane E, on which the upper side of the workpiece 2 is arranged at the position P1 shown in FIG. 1 for the welding processing of the workpiece 2.
  • the focused laser beam 4 strikes a deflecting mirror 8 and is subsequently deflected in two planar scanner mirrors 9a, 9b in the X direction and in the Y direction of an XYZ coordinate system.
  • the X scanner mirror 9a and the Y scanner mirror 9b are attached to galvanometers and can be rotated. The position of the axis of rotation of the galvanometer determines the deflection angle of the respective one
  • Laser beam 4 on the workpiece in the image field leaves the processing head 3 through an opening which is covered with a protective glass 10 in the form of a plane-parallel plate.
  • the laser beam 4 is oriented in the vertical direction, i.e. this strikes the workpiece plane E perpendicularly in order to determine the focus position F of the laser beam 4 relative to the workpiece 2 and to adjust the focus position F such that it has the nominal focus position FN on the upper side 2a of the workpiece 2
  • the device 1 has a radiation detector 13.
  • Radiation detector 13 can also be attached at another location, for example on the side of the processing head 3.
  • the radiation detector 13 detects radiation 11 which occurs when the laser beam 4 interacts, more precisely when laser pulses L1 to L20 interact (see FIG. 2). with the workpiece 2 in an interaction zone 12, in which the
  • the detected radiation 11 is thermal radiation in the IR wavelength range, which in a direction opposite to the beam direction of the laser beam 4
  • Beam path of the laser beam 4 and the optical fiber 6 passes through and is detected in the laser source 5 by the radiation detector 13. The at the
  • Interaction with the workpiece 2 resulting radiation 11 can be coupled out of the beam path of the laser beam 4, for example, via a coupling element in the form of a dichroic mirror.
  • the focus position F is varied in the propagation direction of the laser beam 4 (ie in the Z direction) with the aid of the focusing optics 7 and the radiation 11 generated at the (first) position P1 on the workpiece 2 is recorded.
  • the laser beam 4 is pulsed when the focus position F is varied and a number of twenty laser pulses L1 to L20 are generated during the variation of the focus position F (cf. FIG. 2). Based on the intensity I of the respective
  • Laser pulses L1 to L10 of detected radiation 11 can be determined where the nominal focus position FN is on the workpiece 2. This takes advantage of the fact that the detected radiation 11 has a maximum intensity I at the nominal focus position FN, which is achieved in the example shown with the tenth laser pulse L10.
  • the detected radiation 11 has a noise component. It is therefore not immediately clear which of the laser pulses L1 to L20 has the maximum intensity I and thus the nominal focus position FN
  • a control device 14 serves to assign a signal value S1 to S20 to a respective laser pulse L1 to L20. If the maximum value of the intensity I of a respective laser pulse L1 to L20 were determined as the signal value S1 to S20 in the control device 14 and the largest of these signal values S1 to S20 is assigned to the nominal focus position FN, this could be a noise peak that would falsify the result.
  • the radiation 11 detected by the radiation detector 13 is suitably processed in the control device 14 in order to determine a respective signal value S1 to S20.
  • a (digital) filtering of the intensity I of the detected radiation 11 can be carried out in the control device 14.
  • the signal value S1 to S20 can be determined or determined, for example, in the form of the mean value of the intensity I of a respective laser pulse L1 to L20.
  • the integral of the intensity I of the radiation 11 detected at a respective laser pulse L1 to L20 or another can also be used as the signal value S1 to S20 suitable measure for the intensity I of the respective laser pulse L1 to L20 can be determined.
  • the control device 14 For the evaluation of the detected radiation 11 in the control device 14, it is favorable that the control device 14 also controls the laser source 5 to generate the laser beam 4. In this way, the evaluation of the detected radiation 11 can be carried out synchronized with the generation of the laser pulses L1, ..., L20, i.e. the detected radiation 11 or the measurement signal is only during the time period At of a respective laser pulse L1, ..., L20 and not during the
  • Focusing optics 7 takes place at a predetermined speed, a position in the Z direction can be clearly assigned to a respective time t.
  • the focus position F shown in FIG. 1, which is located above the workpiece 2, corresponds to the fifth laser pulse L5.
  • the focusing optics 7, more precisely a focusing lens arranged in it, can be
  • Element for example a focusing lens, are shifted in the beam direction of the laser beam 4 until the nominal focus position FN on the workpiece 2 is reached.
  • the first position P1 corresponds to one in ten
  • Machining head 3 is moved. In order to check whether the focus position F during the movement along the trajectory B with the nominal
  • Focus position FN coincides, the path curve B to be traversed during the welding process is already traveled before the welding process and the laser beam 4 is activated at ten positions P1 to P10 along the path curve B in order to apply ten laser pulses L1 to L10 to the workpiece 2.
  • the intensity of the laser beam 4 is chosen so that ten test welding spots are formed on the workpiece 2 at the ten positions P1 to P10.
  • the intensity of the radiation 11 detected here is shown in FIG. 4a for the case that the focus position F at all ten positions P1 to P10 is correct, while FIG. 4b shows the case that the focus position F at the eighth position P8 from the
  • each of the ten is in the control device 14 in the manner described above in connection with FIG. 2
  • Laser pulses L1 to L10 assigned a signal value S1 to S10.
  • the focus position F coincides with the nominal focus position FN over all positions P1 to P10, i.e. that there is only a (significant) deviation from the nominal focus position FN at a small number of positions compared to the total number of positions P1 to P10.
  • the following check of the focus position F relative to the workpiece 2 is carried out individually for each of the ten positions P1 to P10.
  • the first position P1 is from
  • the signal value S8 at the eighth position P8 is not compared with an absolute value, but with a reference value RM, RMAX or RH, which forms a relative criterion, since this is derived from the signal values S1 to S10 is formed at all ten positions P1 to P10.
  • the focus position F is correct on all ten
  • Positions P1 to P10 correspond to the nominal focus position FN. Therefore, the respective signal value S1 to S10 is maximum at each of the ten positions P1 to P10 and all ten signal values S1 to S10 are of the same size.
  • the maximum value RMAX of the ten signal values S1 to S10 thus coincides with the mean value RM of the ten
  • Signal values S1 to S10 match. Both the mean value RM of the ten signal values S1 to S10 and the maximum value RMAX of the ten signal values S1 to S10 can be used as a reference value. Alternatively, the most frequent value of the ten signal values S1 to S10 can also be used as a reference value RH, which corresponds to each of the ten signal values S1 to S10 in the example shown in FIG. 4a. In the example shown in FIG. 4b, the signal value S8 at the eighth position P8 is smaller than at the other nine positions P1 to P 7, P9, P10, ie the focus position F at the eighth position P8 does not match the nominal focus position F. , In order to recognize the deviation, the signal value S8 at the eighth position P8 is controlled by the control device 14 using one of the three described above
  • Reference values RMAX, RH, RM compared.
  • the maximum value RMAX and the most frequent value RH correspond to the reference values RMAX, RH shown in FIG. 4a, while the reference value RM in the form of the mean value is reduced compared to the case shown in FIG. 4a.
  • the focus position F at the corresponding position P8 is not correct.
  • the focus position F at the eighth position P8 can be carried out by the programmable or controllable focusing optics 7 at the welding end before the welding processing is carried out
  • Processing is stopped, corrected appropriately. If necessary, the variation of the focus position F in the Z direction carried out in the manner described above in connection with FIG. 2 can be carried out at the eighth position P8 in order to determine the nominal focus position FN at the eighth position P8 for the correction.
  • the welding can be carried out at all positions P1 to P10 with the correct focus position F or with the nominal focus position FN. If necessary, the check of the focus position F described above after the
  • welding operations are performed again to assess the quality of the weld formed during the welding operation, which may be a stitched seam or a continuous weld. Alternatively, the quality of the weld seam formed during the welding process can be assessed visually.
  • the method described above can also be used during a
  • a respective signal value S1, S2, ... is determined from the radiation detected when a C-shaped welding point is set at a respective position P1, P2, ...
  • a reference value RM can be formed in the form of a moving average.
  • the reference value RMAX, RM, RH can alternatively be determined from a plurality of signal values S8, S8 ',... Which are determined in several welding processes on several different but structurally identical workpieces 2.
  • the plurality of signal values S8, S8 ',... Can be determined in each case at one and the same position P8 along a path curve B which is identical for all welded machined workpieces 2.
  • the clamping of the respective workpiece 2 should always take place in the same way with the aid of the clamping clips 16a, b.
  • RMAX, RM, RH it is also possible in this case to use several signal values S1, S2, ... at welding points P1, P2, ... which were welded on one and the same workpiece 2 with comparable welding parameters, additionally for the formation of a meaningful reference value RMAX, RM, RH for this type of welding geometry.
  • Optics, etc. used for the welding process. For example, based on a temporal decrease in the signal values S1, S2, ..., S10 in the
  • Protective glass 10 are closed.
  • the decrease in time of the signal values S1, S2, ... S10 is typically not in the case of a single welding process, but rather in the case of several welding processes, i.e. observed over a longer period of time. If the absolute value of the intensity I of the detected radiation 11 or the determined signal values S1, S2,... Falls below a threshold value, the protective glass 10 can be cleaned or, if necessary, replaced. It may also be possible that
  • a change in the signal values S1, S2,..., S10 over time can also be used to conclude that the workpiece 2 has been incorrectly clamped.
  • Such an incorrect clamping of the workpiece 2 can, for example, result in the workpiece or its surface 2a at the first position P1 shown in FIG. 1 not being arranged in the workpiece plane E, but being spaced apart from it in the Z direction.
  • the deviation of the signal values S1, S2, ... from the reference value RMAX, RM, RH is determined and evaluated at several successive positions P1, P2. The evaluation can be used to determine whether that whole workpiece 2 is inserted at an angle.
  • only a single signal value S1, S2, ... deviates significantly from the reference value RMAX, RM, RH in the case of a faulty (spot) weld.
  • Processing may also occur if the situation shown in FIG. 1 occurs
  • Clamping clamps 16a, b which are used for clamping or holding the workpiece 2, are inadvertently located at one of the positions P1 to P10 at which the workpiece 2 or the two workpiece parts are welded together, i.e. the clamps 16a, b shield the workpiece 2. Since the clamping clamps 16a, b typically consist of a different material than the workpiece 2, a typically significant deviation of the signal value S1, S2, ... from the reference value RMAX, RM, RH occurs at the corresponding position P1, P2, ... on. The deviation is generally significantly greater than the deviation of the signal value S1, S2, ... that occurs when the focus position F deviates from the nominal focus position FN. On the basis of the size of the deviation or the difference of the signal value S1, S2, ... from the reference value RMAX, RM, RH, it can therefore be concluded that the workpiece 2 has been clamped incorrectly.
  • the metal vapor 15 is typically from the with the help of an auxiliary or a protective gas stream (with the aid of a suitable gas nozzle)
  • the measured signal strength i.e. the intensity I of the determined signal values S1, S2,... overall, so that on the basis of the reduced level, which is typically only during an individual

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen einer Fokuslage eines insbesondere gepulsten Laserstrahls relativ zu einem Werkstück, umfassend: Fokussieren des Laserstrahls an einer Mehrzahl von Positionen entlang mindestens einer Bahnkurve auf dem Werkstück, insbesondere auf dem Werkstück und auf mindestens einem anderen, baugleichen Werkstück, Detektieren von Strahlung, die bei einer Wechselwirkung des Laserstrahls, insbesondere eines jeweiligen Laserpulses (L1, L2,..., L10), mit dem Werkstück an der zugehörigen Position erzeugt wird, Ermitteln von Signalwerten (S1, S2,..., S10), die der detektierten Strahlung an einer jeweiligen Position entsprechen, sowie Überprüfen der Fokuslage an mindestens einer der Positionen durch Vergleichen des Signalwerts (S8) an der Position mit einem aus den Signalwerten (S1, S2,..., S10) gebildeten Referenzwert (RM). Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Überprüfen einer Fokuslage eines gepulsten Laserstrahls relativ zu einem Werkstück.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Überprüfen einer Fokuslaqe eines Laserstrahls relativ zu einem Werkstück
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Überprüfen einer Fokuslage eines insbesondere gepulsten Laserstrahls relativ zu einem Werkstück.
Beim Setzen von Schweißpunkten auf das Werkstück bzw. generell bei einer schweißenden Bearbeitung kann der Laserstrahl aus unterschiedlichen Gründen nicht korrekt auf das Werkstück fokussiert sein. Um dies zu vermeiden, kann die jeweilige Fokuslage, d.h. der Abstand der Strahltaille des Laserstrahls relativ zum Werkstück, an einer jeweiligen Position, an der ein Schweißpunkt gesetzt werden soll, hündisch oder durch Pilotlicht vorab geprüft werden. Eine solche Prüfung ist jedoch typischerweise ungenau und fehlerbehaftet. Nach der schweißenden
Bearbeitung des Werkstücks ist es zudem günstig, das Werkstück nochmals auf fehlerhaft (weil nicht mit der korrekten Fokuslage) gesetzte Schweißpunkte bzw. Schweißungen zu prüfen.
Es ist bekannt, die bei der Wechselwirkung eines Laserstrahls mit einem Werkstück in einer Wechselwirkungszone erzeugte und von dieser emittierte
elektromagnetische Strahlung zu detektieren, beispielsweise um diese zur
Prozesssteuerung zu verwenden. Anhand der detektierten Strahlung können
Laserparameter wie die Intensität bzw. die Leistung des Lasers, die Pulsfrequenz, etc. eingestellt werden. Auch kann anhand der detektieren Strahlungsintensität auf bestimmte Ereignisse während des Bearbeitungsprozesses geschlossen werden, beispielsweise auf den Zeitpunkt des Durchstechens des Werkstücks mittels des Laserstrahls. Auch die Fokuslage des Laserstrahls in Strahlrichtung des Laserstrahls kann auf diese Weise bestimmt werden.
Aus der DE 102 48 458 A1 ist ein Verfahren zum Einstellen einer Fokuslage eines auf ein Werkstück gerichteten Laserstrahls bekannt geworden. Der Laserstrahl tritt aus einem Bearbeitungskopf mit einer darin verschiebbar angeordneten
Fokussieroptik aus. Bei dem Verfahren wird der Abstand zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück konstant gehalten. Die aus einem Bereich einer
Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück kommende Strahlung wird erfasst und die Fokussieroptik wird so verschoben, dass ein der erfassten Strahlung entsprechendes Signal einen größten Wert annimmt.
Aufgabe der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überprüfen einer Fokuslage relativ zu einem Werkstück bereitzustellen, mit denen die Fokuslage auf einfache Weise überprüft werden kann.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, welches folgende Schritte umfasst: Fokussieren eines
Laserstrahls an einer Mehrzahl von Positionen entlang mindestens einer Bahnkurve auf dem Werkstück insbesondere auf dem Werkstück und auf mindestens einem weiteren, baugleichen Werkstück, Detektieren von Strahlung, die bei einer
Wechselwirkung des Laserstrahls, insbesondere eines jeweiligen Laserpulses, mit dem Werkstück an der zugehörigen Position erzeugt wird, Ermitteln von
Signalwerten, die der detektierten Strahlung an der jeweiligen Position entsprechen, sowie Überprüfen der Fokuslage an mindestens einer der Positionen durch
Vergleichen des Signalwerts an der (mindestens einen) Position mit einem aus den Signalwerten an mehreren der Positionen, insbesondere aus den Signalwerten an allen Positionen, gebildeten Referenzwert.
Die Erfinder haben erkannt, dass sich die Fokuslage des Laserstrahls anhand eines Vergleichs eines an einer jeweiligen Position ermittelten Signalwerts mit einem Referenzwert überprüft werden kann, der aus mehreren, insbesondere aus allen verfügbaren Signalwerten gebildet wird. Hierbei kann ausgenutzt werden, dass die Fokuslage an der Mehrzahl der Positionen typischerweise annähernd mit der nominellen Fokuslage übereinstimmt, die z.B. mit Hilfe einer Fokussieroptik eingestellt wird. Insbesondere bei der Bearbeitung von Werkstücken, die von einer planen Geometrie abweichen, d.h. bei Werkstücken, deren Werkstückoberfläche eine dreidimensionale Geometrie im Raum bildet, z.B. im Karosseriebau, ergeben sich ggf. bei einzelnen Positionen Abweichungen der tatsächlichen Fokuslage von der nominellen Fokuslage, wie nachfolgend erläutert wird.
Eine solche beispielsweise schweißende Bearbeitung kann mit Hilfe einer programmierbaren bzw. einstellbaren Fokussieroptik durchgeführt werden. Die Fokussieroptik bzw. eine entsprechende Steuerungseinrichtung kennt hierbei die jeweils auf der Werkstückoberfläche zu erzeugende Geometrie bzw. Bahnkurve und ist in der Lage, die Führungsbewegung eines Roboterarms zu kompensieren, an der die Fokussieroptik bzw. ein Bearbeitungskopf mit der Fokussieroptik angebracht ist. Befindet sich eine zu schweißende Geometrie bzw. Bahnkurve in dem von der Fokussieroptik erreichbaren Raum, wird der Schweißvorgang eingeleitet. Diese Bearbeitungsweise„on-the-fly“ stellt eine große Herausforderung an die Einstellung der Fokuslage und an die Fokuslagen-Steuerung der Fokussieroptik dar, so dass sich bei der schweißenden Bearbeitung an einzelnen Positionen Abweichungen von der nominellen Fokuslage ergeben können. Derartige Abweichungen können erkannt werden, indem ein an der jeweiligen Position ermittelter Signalwert mit dem
Referenzwert verglichen wird.
Für die Bildung des Referenzwerts können alle oder ggf. eine Auswahl der
Signalwerte herangezogen werden, die an einer Mehrzahl von unterschiedlichen Positionen entlang der Bahnkurve an dem (aktuellen) Werkstück ermittelt werden. Es ist aber auch möglich, zusätzlich oder alternativ für die Bildung des Referenzwerts Signalwerte heranzuziehen, die bei der schweißenden Bearbeitung von mehreren baugleichen Werkstücken mit derselben Fokussiereinrichtung bzw. mit derselben Steuerungseinrichtung entlang ein- und derselben Bahnkurve ermittelt werden.
Letzteres ist insbesondere sinnvoll, wenn die Signalwerte während des
schweißenden Bearbeitens des Werkstücks an einer Mehrzahl von Positionen entlang einer Bahnkurve ermittelt werden, die eine Stepnaht bildet, wobei an den jeweiligen Positionen Schweißpunkte mit unterschiedlicher Nahtgeometrie, z.B. mit unterschiedlicher Nahtlänge, oder mit anderen unterschiedlichen Parametern erzeugt werden. In diesem Fall ist ein direkter Vergleich der Signalwerte an unterschiedlichen Positionen entlang der Bahnkurve und somit die Bildung eines aussagekräftigen Referenzwerts aus den Signalwerten an der Mehrzahl von Positionen nicht ohne weiteres möglich. Um den Referenzwert zu bilden, können in diesem Fall die
Signalwerte, die an ein- und derselben Position entlang der Bahnkurve an mehreren nacheinander schweißend bearbeiteten Werkstücken ermittelt werden, für die
Bildung eines Referenzwerts für diese Position verwendet werden. Es ist auch möglich, für die Bildung des Referenzwerts Signalwerte, die an Schweißpunkten mit identischer Nahtgeometrie entlang mindestens einer Bahnkurve an ein- und demselben Werkstück gebildet werden, und Schweißpunkte mit identischer Nahtgeometrie, die an unterschiedlichen Werkstücken gebildet werden,
heranzuziehen, um einen aussagekräftigen Referenzwert für diese Art von
Schweißpunkten zu bilden.
Wie weiter oben beschrieben wurde, wird hierbei ausgenutzt, dass typischerweise im Mittel eine korrekte Fokuslage eingestellt wird, so dass es nur an einzelnen Punkten bzw. Positionen zu Abweichungen von der nominellen Fokuslage kommt. Die
Durchführung eines Vergleichs mit einem Referenzwert, der von den an
unterschiedlichen Positionen ermittelten Signalwerten abhängig ist, hat gegenüber der Verwendung eines absoluten bzw. konstanten Referenzwerts den Vorteil, dass ein solcher absoluter Referenzwert abhängig ist von verschiedenen Einflussfaktoren wie dem Material und dem Leistungseintrag in das Werkstück, der Abbildung, etc. Durch die Verwendung eines relativen Referenzwerts, der von den an Signalwerten abhängt, die an ausgewählten Positionen oder an allen Positionen ermittelt werden, kann die Überprüfung der Fokuslage flexibel und unabhängig von
Technologietabellen für bestimmte Werkstück-Materialien, Laserparameter, etc. gehalten werden. Für die Durchführung des Verfahrens sollte die Mehrzahl bzw. die Anzahl der Positionen, aus denen der Referenzwert gebildet wird, nicht zu klein gewählt werden. Typischerweise sollten fünf oder mehr, in der Regel zehn oder mehr Positionen verwendet werden, um einen aussagekräftigen Referenzwert zu bilden, der die Beurteilung der Qualität eines Schweißpunkts an einer jeweiligen Position ermöglicht.
Bei einer Variante wird als Referenzwert aus den Signalwerten der Mittelwert oder der häufigste Wert bestimmt. Wie weiter oben beschrieben wurde, stimmt bei einem typischen (dreidimensionalen) Werkstück an der Mehrzahl von Positionen bzw.
Schweißpunkten die Fokuslage mit der nominellen Fokuslage an der Oberfläche des Werkstücks überein, d.h. es handelt sich um„gute“ Schweißpunkte. Bei dem
Mittelwert handelt es sich typischerweise um das arithmetische Mittel, d.h. es erfolgt in der Regel keine Gewichtung der einzelnen Signalwerte.
Alternativ kann als Referenzwert der am häufigsten vorkommende Signalwert verwendet werden. In diesem Fall wird für die Signalwerte eine Häufigkeitsverteilung bzw. ein Histogramm erstellt, indem die Signalwerte in unterschiedliche Klassen bzw. Werte-Intervalle eingeteilt werden. Der häufigste Signalwert, genauer gesagt die Klasse bzw. das Werte- Intervall, in dem sich die meisten Signalwerte befinden, wird in diesem Fall als Referenzwert verwendet.
Bei einer alternativen Variante wird als Referenzwert ein maximaler Wert der
Signalwerte verwendet. Wie in der eingangs zitierten DE 102 48 458 A1 beschrieben ist, ist bei einer optimalen Fokuslage, d.h. bei einer Fokuslage, bei welcher der Fokus bzw. die Strahltaille des Laserstrahls sich auf der Oberfläche des Werkstücks befindet, die bei der Wechselwirkung mit dem Werkstück detektierte Strahlung und somit der entsprechende Signalwert maximal. Dies gilt insbesondere, wenn es sich bei der detektierten Strahlung um Wärmestrahlung handelt, die von einem
entsprechenden, im infraroten Wellenlängenbereich sensitiven Strahlungsdetektor detektiert wird.
Bei einer weiteren Variante wird in einem vorausgehenden Schritt eine nominelle Fokuslage des Laserstrahls relativ zum Werkstück bestimmt und die Fokuslage wird auf die nominelle Fokuslage eingestellt. Die nominelle Fokuslage kann
beispielsweise auf die in der DE 102 48 458 A1 beschriebene Weise bestimmt bzw. eingestellt werden, d.h. es wird an einer Position entlang der Bahnkurve die
Fokuslage, d.h. der Abstand des Fokus relativ zum Werkstück, verändert,
beispielsweise indem die Fokussieroptik bzw. ein in dieser vorgesehenes
fokussierendes optisches Element verschoben wird. Diejenige Einstellung der Fokussieroptik, an der die detektierte Strahlung bzw. der zugehörige Signalwert maximal ist, wird mit der nominellen Fokusposition identifiziert. Es versteht sich, dass die nominelle Fokuslage auch auf andere Weise bestimmt werden kann.
Wie weiter oben beschrieben wurde, sollte die Fokuslage an der Mehrzahl von Positionen jeweils ungefähr mit der nominellen Fokuslage übereinstimmen. Durch den relativen Vergleich der Fokuslagen an unterschiedlichen Positionen ist es nicht erforderlich, die Bestimmung der Fokuslage auf die weiter oben beschriebene Weise, d.h. durch ein Verstellen der Fokussieroptik bzw. eine Veränderung der Fokuslage an jeder der Mehrzahl von Positionen durchzuführen, vielmehr ist es ausreichend, wenn die nominelle Fokusposition an einer Position bestimmt und eingestellt wird. Bei einer weiteren Variante wird zum Ermitteln eines jeweiligen Signalwerts nur die während der Zeitdauer eines jeweiligen Laserpulses detektierte Strahlung
herangezogen. Es hat sich als günstig erwiesen, das Zeitintervall, in dem die
Strahlung detektiert wird, und das Zeitintervall, in dem ein jeweiliger Laserpuls des Laserstrahls erzeugt wird, zu synchronisieren. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass eine Signalauswertung nur erfolgt, wenn der gepulste Laserstrahl mit dem Werkstück wechselwirkt und hierbei Strahlung abgibt. Um aus der während der Dauer eines einzelnen Laserpulses detektierten Strahlung einen Signalwert zu erzeugen, kann beispielsweise eine digitale Filterung erfolgen, es ist aber auch möglich, einen Mittelwert oder ein Integral über die detektierte Strahlung als
Signalwert zu verwenden.
Bei einer weiteren Variante umfasst das Verfahren: Insbesondere schweißendes Bearbeiten des Werkstücks zumindest an der Mehrzahl von Positionen entlang der Bahnkurve, wobei das Überprüfen der Fokuslage vor dem Bearbeiten, während des Bearbeitens und/oder nach dem Bearbeiten des Werkstücks erfolgt. In der Regel wird entlang der Bahnkurve eine Stepnaht mit einer Mehrzahl von Schweißpunkten erzeugt, da eine kontinuierliche Naht das Werkstück zu stark erwärmen würde.
Die Überprüfung der Fokuslage an der mindestens einen, typischerweise an allen der Mehrzahl von Positionen kann vor dem (schweißenden) Bearbeiten des
Werkstücks erfolgen. In diesem Fall werden an der Mehrzahl von Positionen Test- Schweißpunkte erzeugt und die Fokuslage wird auf die weiter oben beschriebene Weise überprüft. Ergibt sich bei der Überprüfung an einzelnen Positionen eine Abweichung von der nominellen Fokuslage, kann diese Abweichung korrigiert werden, indem die tatsächliche Fokuslage an der jeweiligen Position beim
nachfolgenden Bearbeitungsprozess an die nominelle Fokuslage angepasst wird.
Die Überprüfung der Fokuslage kann auch nach der Beendigung der schweißenden Bearbeitung erfolgen. In diesem Fall kann durch die Überprüfung der Fokuslage eine Aussage über die Qualität der in dem Bearbeitungsprozess durchgeführten
Schweißung an den jeweiligen Positionen vorgenommen werden. Für den Fall, dass die Qualität der durchgeführten Schweißung als unzureichend bewertet wird, kann das Werkstück nachbearbeitet werden. Auch kann anhand der Bewertung der Qualität von (identischen) Schweißungen, die an mehreren Werkstücken
durchgeführt wurden, die Anzahl der Schweiß-Positionen bei zukünftigen
Schweißungen entlang der Bahnkurve festgelegt werden. Beispielsweise kann in diesem Fall an einer größeren Anzahl von Positionen entlang der Bahnkurve jeweils ein Schweißpunkt gesetzt werden, als dies für die Schweißung eigentlich erforderlich wäre. Auf diese Weise kann eine gewisse Anzahl von„nicht so guten“
Schweißpunkten in Kauf genommen werden, ohne dass die Qualität der Schweißung als Ganzes zu stark abnimmt.
Schließlich kann die Überprüfung der Fokuslage auch während der (schweißenden) Bearbeitung erfolgen. In diesem Fall ist es in der Regel erforderlich, zunächst an mehreren Positionen eine schweißende Bearbeitung (z.B. Punktschweißen) vorzunehmen, bevor die Überprüfung der Fokuslage an den einzelnen Positionen auf die weiter oben beschriebene Weise durchgeführt werden kann, da für die Bildung eines aussagekräftigen Referenzwerts in der Regel an einer Mindestanzahl von Positionen ein Signalwert ermittelt werden muss.
Bei einer Weiterbildung wird während des schweißenden Bearbeitens des
Werkstücks zum Überprüfen der Fokuslage ein Signalwert an einer aktuellen
Position entlang der Bahnkurve mit einem Referenzwert verglichen, der aus den Signalwerten an vorausgehend schweißend bearbeiteten Positionen entlang der Bahnkurve gebildet wird. In diesem Fall kann als Referenzwert beispielsweise der Mittelwert über alle Signalwerte an den vorausgehend schweißend bearbeiteten Positionen entlang der Bahnkurve gebildet werden. Es ist aber auch möglich, nur eine vorgegebene Anzahl von Signalwerten an vorausgehend schweißend
bearbeiteten Positionen für die Bildung des Referenzwerts heranzuziehen, beispielsweise einen Referenzwert in Form eines gleitenden Mittelwerts.
Bei einer weiteren Variante wird anhand einer zeitlichen Abnahme der Signalwerte bei der Bearbeitung des Werkstücks auf Verschmutzungen an mindestens einem den Laserstrahl führenden optischen Element geschlossen. In diesem Fall werden typischerweise die Signalwerte über einen längeren Zeitraum, d.h. für mehrere aufeinander folgende Bearbeitungsprozesse, gespeichert und es wird überprüft, ob die Signalwerte über die Zeit bzw. über die Mehrzahl von (schweißenden) Bearbeitungsprozessen (kontinuierlich) abnehmen. Bei dem optischen Element, das bei der Bearbeitung z.B. aufgrund von Spritzern verschmutzt wird, kann es sich beispielsweise um ein Schutzglas der Optik bzw. eines Bearbeitungskopfs handeln, der zur Führung des Laserstrahls dient.
Bei einer weiteren Variante wird anhand einer Veränderung des zeitlichen Verlaufs der Signalwerte eine fehlerhafte Einspannung des Werkstücks erkannt. Für die typischerweise schweißende Bearbeitung werden das bzw. die zu schweißenden Werkstückteile mit Hilfe von Spannelementen bzw. mit Hilfe einer Spannvorrichtung fixiert. Beim Einspannen kann die Spannvorrichtung fehlerhaft eingestellt sein, so dass das Werkstück nicht im vorgegebenen Abstand bzw. die zu schweißende Bahnkurve nicht in einer gewünschten Ebene liegt. Dies kann anhand einer
Abweichung des Signals bzw. anhand einer Veränderung der Signalwerte erkannt werden, beispielsweise durch ein Ansteigen einer Abweichung mehrerer
aufeinanderfolgender Signalwerte von dem Referenzwert. Auch können die zum Einspannen des Werkstücks verwendeten Spannklammern (z.B. in Form von C- Klammern) das Werkstück in dem zu schweißenden Bereich abschirmen. In diesem Fall weicht typischerweise der jeweilige Signalwert an der abgeschirmten Position signifikant von dem Referenzwert ab.
Bei einer Variante wird anhand einer zeitlichen Veränderung der Signalwerte auf eine Veränderung der Fokuslage durch im Strahlweg zwischen einem Bearbeitungskopf zur Führung des Laserstrahls und dem Werkstück vorhandenen Metalldampf geschlossen. Bei der schweißenden Bearbeitung wird typischerweise Metalldampf freigesetzt, der in der Regel durch einen Schutzgasstrom zwischen dem
Bearbeitungskopf und dem Werkstück abgeführt wird. Wird der Schutzgasstrom durch das Werkstück selbst, beispielsweise aufgrund von dessen dreidimensionaler Geometrie, oder durch eine Spann- bzw. Halteeinrichtung für das Werkstück abgeschirmt, führt dies aufgrund des unterschiedlichen Brechungsindexes des Metalldampfs im Vergleich zu Luft zu einer Veränderung der effektiven Fokuslage des Laserstrahls. Diese kann ebenfalls anhand einer Veränderung der Signalwerte erkannt werden. Typischerweise nimmt beim Vorhandensein von Metalldampf die gemessene Signalstärke, d.h. der Pegel der ermittelten Signalwerte insgesamt io während des Bearbeitungsprozesses ab.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, umfassend: einen Bearbeitungskopf zum Fokussieren des Laserstrahls an einer Mehrzahl von Positionen entlang mindestens einer Bahnkurve auf dem Werkstück, insbesondere auf dem Werkstück und auf mindestens einem weiteren, baugleichen Werkstück, einen Strahlungsdetektor zum Detektieren von bei einer Wechselwirkung des Laserstrahls, insbesondere eines jeweiligen Laserpulses, mit dem Werkstück an der zugehörigen Position erzeugter Strahlung, eine Steuerungseinrichtung, die ausgebildet ist, Signalwerte zu ermitteln, die der detektierten Strahlung an einer jeweiligen Position entsprechen, und die ausgebildet ist, die Fokuslage an der mindestens einen Position durch Vergleichen des Signalwerts an der Position mit einem aus den Signalwerten gebildeten Referenzwert zu überprüfen.
Der Bearbeitungskopf kann an einem Roboter bzw. an einem Roboterarm
angebracht sein, der es ermöglicht, den Bearbeitungskopf praktisch beliebig im Raum auszurichten, um eine Bahnkurve mit einer gewünschten Geometrie auf dem Werkstück abzufahren und (schweißend) zu bearbeiten. Wie weiter oben
beschrieben wurde, kann/können mehrere Bahnkurve(n) an demselben oder an mehreren baugleichen Werkstücken vor, während oder nach einem
Bearbeitungsprozess mit Hilfe des Bearbeitungskopfs abgefahren werden. Hierbei kann eine Mehrzahl von Laserpulsen erzeugt werden, um eine Mehrzahl von Test- Schweißpunkten an dem Werkstück zu erzeugen.
Die Intensität der hierbei erzeugten Strahlung kann von dem Strahlungsdetektor detektiert werden. Bei der von dem Strahlungsdetektor detektierten Strahlung kann es sich um Wärmestrahlung im infraroten Wellenlängenbereich handeln, d.h. es wird eine von der Temperatur des Werkstücks abhängige Größe bestimmt. Abhängig von der Wellenlänge des Laserstrahls können Strahlungsdetektoren verwendet werden, die in anderen Wellenlängenbereichen als im infraroten Wellenlängenbereich Strahlung detektieren. Es versteht sich, dass auch die von zwei oder mehr unterschiedlichen Strahlungsdetektoren detektierte Strahlung verwendet werden kann, um an ein- und derselben Position einen Signalwert zu ermitteln. Bei einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Laserquelle zur Erzeugung des insbesondere gepulsten Laserstrahls und die Steuerungseinrichtung ist bevorzugt ausgebildet, zum Ermitteln eines jeweiligen Signalwerts nur die während der Zeitdauer eines jeweiligen Laserpulses detektierte Strahlung heranzuziehen. Für die Ermittlung eines jeweiligen Signalwerts hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Auswertung der detektierten Strahlung mit den Laserpulsen synchronisiert durchgeführt wird. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass nur während der Zeitdauer eines jeweiligen Laserpulses, in der eine Wechselwirkung mit dem Werkstück erfolgen kann, eine Auswertung der detektierten Strahlung erfolgt. Die Laserquelle kann mit dem Bearbeitungskopf beispielsweise über eine Faseroptik bzw. über ein Lichtleitkabel verbunden sein. Der Strahlungssensor kann in diesem Fall in der Laserquelle angeordnet sein, d.h. es wird die vom Werkstück über das Lichtleitkabel in die Laserquelle propagierende Strahlung detektiert. Es versteht sich aber, dass der Strahlungssensor auch an anderer Stelle angeordnet werden kann,
beispielsweise innerhalb des Bearbeitungskopfes. Auch ist es nicht zwingend erforderlich, dass die Detektion der Strahlung koaxial erfolgt, d.h. der
Strahlungsdetektor kann auch außermittig in Bezug auf eine Strahlachse des
Laserstrahls angeordnet sein. Es versteht sich ebenfalls, dass der Bearbeitungskopf nicht zwingend an einem Roboterarm angebracht ist, d.h. es kann jegliche andere Bewegungseinrichtung verwendet werden, welche eine Bewegung des
Bearbeitungskopfs relativ zum Werkstück ermöglicht. Beispielsweise kann es sich bei einer solchen Bewegungseinrichtung um ein Portal einer
Laserbearbeitungsmaschine handeln, an welcher der Bearbeitungskopf in
mindestens einer Raumrichtung beweglich geführt ist. Es versteht sich ebenfalls, dass für die Führung des Laserstrahls von der Laserquelle zum Bearbeitungskopf nicht zwingend ein Lichtleitkabel verwendet werden muss, vielmehr kann der
Laserstrahl auch in freier Strahlpropagation zu dem Bearbeitungskopf geführt werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeich- nung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschlie- ßende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur schweißenden
Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls, die zum Überprüfen einer Fokuslage des Laserstrahls relativ zum Werkstück ausgebildet ist,
Fig. 2 eine Darstellung der Intensität von Strahlung, die bei der Wechselwirkung von Laserpulsen des Laserstrahls bei unterschiedlichen Fokuslagen an ein- und derselben Position auf dem Werkstück erzeugt wird,
Fig. 3 eine Darstellung einer Bahnkurve auf dem Werkstück, die von einem
Bearbeitungskopf abgefahren wird und entlang derer an zehn
unterschiedlichen Positionen mittels Laserpulsen eine entsprechende Anzahl von Test-Schweißpunkten erzeugt wird,
Fig. 4a, b Darstellungen der Intensität der Strahlung, die bei der Wechselwirkung an den zehn Positionen detektiert wird, in einem idealen Fall sowie in einem Fall, bei dem an einer der Positionen die Fokuslage von einer nominellen Fokuslage abweicht.
In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw.
funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
Fig. 1 zeigt einen beispielhaften Aufbau einer Vorrichtung 1 zum schweißenden Bearbeiten eines Werkstücks 2, die einen Bearbeitungskopf 3 aufweist, um einen Laserstrahl 4 auf das zu bearbeitende, im gezeigten Beispiel zu schweißende Werkstück 2 auszurichten. Der Laserstrahl 4 wird von einer Laserquelle 5 erzeugt, die den Laserstrahl 4 über eine Lichtleitfaser 6 in den Bearbeitungskopf 3 einkoppelt. Der Laserstrahl 4 tritt divergent aus der Lichtleitfaser 6 aus und in eine
Fokussieroptik 7 ein, die eine nicht bildlich dargestellte Fokussierlinse sowie ggf. weitere optische Elemente aufweist, um den Laserstrahl 4 auf dem Werkstück 2, genauer gesagt an einer nominellen Fokusposition FN ZU fokussieren. Die nominelle Fokusposition FN liegt in einer Werkstückebene E, an welcher die Oberseite des Werkstücks 2 an der in Fig. 1 gezeigten Position P1 zur schweißenden Bearbeitung des Werkstücks 2 angeordnet ist.
Der fokussierte Laserstrahl 4 trifft auf einen Umlenkspiegel 8 und wird nachfolgend an zwei planen Scannerspiegeln 9a, 9b in X-Richtung bzw. in Y-Richtung eines XYZ- Koordinatensystems umgelenkt. Der X-Scannerspiegel 9a und der Y-Scannerspiegel 9b sind an Galvanometern befestigt und können gedreht werden. Die Position der Drehachse der Galvanometer bestimmt den Ablenkwinkel des jeweiligen
Scannerspiegels 9a, 9b und somit die Position P1 , P2, ... (vgl. Fig. 3) des
Laserstrahls 4 auf dem Werkstück im (nicht gezeigten) Bildfeld. Der fokussierte Laserstrahl 4 verlässt den Bearbeitungskopf 3 durch eine Öffnung, die mit einem Schutzglas 10 in Form einer planparallelen Platte abgedeckt ist.
In Fig. 1 ist der Laserstrahl 4 in vertikaler Richtung ausgerichtet, d.h. dieser trifft senkrecht auf die Werkstückebene E. Um die Fokuslage F des Laserstrahls 4 relativ zum Werkstück 2 zu bestimmen und um die Fokuslage F so einzustellen, dass diese mit der nominellen Fokuslage FN auf der Oberseite 2a des Werkstücks 2
übereinstimmt, weist die Vorrichtung 1 einen Strahlungsdetektor 13 auf. Der
Strahlungsdetektor 13 kann auch an einer anderen Stelle angebracht sein, beispielsweise seitlich an dem Bearbeitungskopf 3. Der Strahlungsdetektor 13 detektiert Strahlung 11 , die bei der Wechselwirkung des Laserstrahls 4, genauer gesagt bei der Wechselwirkung von Laserpulsen L1 bis L20 (vgl. Fig. 2) mit dem Werkstück 2 in einer Wechselwirkungszone 12 entsteht, in der das
Werkstückmaterial aufgeschmolzen wird. Im gezeigten Beispiel handelt es sich bei der detektierten Strahlung 11 um Wärmestrahlung im IR-Wellenlängenbereich, die in einer der Strahlrichtung des Laserstrahls 4 entgegengesetzten Richtung den
Strahlengang des Laserstrahls 4 und die Lichtleitfaser 6 durchläuft und in der Laserquelle 5 von dem Strahlungsdetektor 13 detektiert wird. Die bei der
Wechselwirkung mit dem Werkstück 2 entstehende Strahlung 11 kann zu diesem Zweck beispielsweise über ein Auskoppelelement in Form eines dichroitischen Spiegels aus dem Strahlengang des Laserstrahls 4 ausgekoppelt werden. Für die Bestimmung der nominellen Fokuslage FN wird mit Hilfe der Fokussieroptik 7 die Fokuslage F in Propagationsrichtung des Laserstrahls 4 (d.h. in Z-Richtung) variiert und die an der (ersten) Position P1 auf dem Werkstück 2 erzeugte Strahlung 11 aufgezeichnet. Der Laserstrahl 4 ist bei der Variation der Fokuslage F gepulst und es wird während der Variation der Fokuslage F eine Anzahl von zwanzig Laserpulsen L1 bis L20 erzeugt (vgl. Fig. 2). Anhand der Intensität I der bei den jeweiligen
Laserpulsen L1 bis L10 detektierten Strahlung 11 kann festgestellt werden, wo sich die nominelle Fokuslage FN auf dem Werkstück 2 befindet. Hierbei wird ausgenutzt, dass die detektierte Strahlung 11 bei der nominellen Fokuslage FN ein Maximum der Intensität I aufweist, das im gezeigten Beispiel beim zehnten Laserpuls L10 erreicht wird.
Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, weist die detektierte Strahlung 11 einen Rauschanteil auf. Es ist daher nicht ohne weiteres klar, welcher der Laserpulse L1 bis L20 das Maximum der Intensität I aufweist und somit der nominellen Fokuslage FN
zugeordnet werden kann. Eine Steuerungseinrichtung 14 dient dazu, einem jeweiligen Laserpuls L1 bis L20 einen Signalwert S1 bis S20 zuzuordnen. Würde in der Steuerungseinrichtung 14 der maximale Wert der Intensität I eines jeweiligen Laserpulses L1 bis L20 als Signalwert S1 bis S20 ermittelt und wird der größte dieser Signalwerte S1 bis S20 der nominellen Fokuslage FN zugeordnet, könnte es sich hierbei um einen Rausch-Peak handeln, der das Ergebnis verfälschen würde.
Um eine solche Verfälschung des Ergebnisses zu vermeiden, wird die von dem Strahlungsdetektor 13 detektierte Strahlung 11 in der Steuerungseinrichtung 14 geeignet aufbereitet, um einen jeweiligen Signalwert S1 bis S20 zu ermitteln. Zur Ermittlung eines Signalwerts S1 bis S20 für einen jeweiligen Laserpuls L1 bis L20 kann in der Steuerungseinrichtung 14 eine (digitale) Filterung der Intensität I der detektierten Strahlung 11 vorgenommen werden. Mit oder ohne einer solchen
Filterung kann der Signalwert S1 bis S20 beispielsweise in Form des Mittelwerts der Intensität I eines jeweiligen Laserpulses L1 bis L20 ermittelt bzw. festgelegt werden. Als Signalwert S1 bis S20 kann auch das Integral der Intensität I der bei einem jeweiligen Laserpuls L1 bis L20 detektierten Strahlung 11 oder ein anderes geeignetes Maß für die Intensität I des jeweiligen Laserpulses L1 bis L20 ermittelt werden.
Für die Auswertung der detektierten Strahlung 11 in der Steuerungseinrichtung 14 ist es günstig, dass die Steuerungseinrichtung 14 auch die Laserquelle 5 zur Erzeugung des Laserstrahls 4 ansteuert. Auf diese Weise kann die Auswertung der detektierten Strahlung 11 mit der Erzeugung der Laserpulse L1 , ..., L20 synchronisiert erfolgen, d.h. die detektierte Strahlung 11 bzw. das Mess-Signal wird lediglich während der Zeitdauer At eines jeweiligen Laserpulses L1 , ..., L20 und nicht während der
Pulspausen ausgewertet. Auf diese Weise erfolgt die Auswertung nur innerhalb von Zeitintervallen, in denen der Laserstrahl 4 mit dem Werkstück 2 wechselwirkt.
Da die Verschiebung der Fokuslage F in Z-Richtung mittels der einstellbaren
Fokussieroptik 7 mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit erfolgt, kann einem jeweiligen Zeitpunkt t eindeutig eine Position in Z-Richtung zugeordnet werden.
Beispielsweise entspricht die in Fig. 1 gezeigte Fokuslage F, die sich oberhalb des Werkstücks 2 befindet, dem fünften Laserpuls L5. Anhand der Zuordnung kann die Fokussieroptik 7, genauer gesagt ein in dieser angeordnetes fokussierendes
Element, beispielsweise eine Fokussierlinse, in Strahlrichtung des Laserstrahls 4 verschoben werden, bis die nominelle Fokusposition FN auf dem Werkstück 2 erreicht ist.
Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, entspricht die erste Position P1 einer von zehn
Positionen P1 bis P10, die entlang einer Bahnkurve B liegen, die bei einer
schweißenden Bearbeitung des Werkstücks 2, genauer gesagt beim Schweißen von zwei Werkstückteilen, die gemeinsam das Werkstück 2 bilden, mittels des
Bearbeitungskopfs 3 abgefahren wird. Um vor dem Bearbeiten zu prüfen, ob die Fokuslage F bei der Bewegung entlang der Bahnkurve B mit der nominellen
Fokuslage FN übereinstimmt, wird die während der schweißenden Bearbeitung abzufahrende Bahnkurve B bereits vor der schweißenden Bearbeitung abgefahren und der Laserstrahl 4 wird an zehn Positionen P1 bis P10 entlang der Bahnkurve B aktiviert, um zehn Laserpulse L1 bis L10 auf das Werkstück 2 aufzubringen. Die Intensität des Laserstrahls 4 wird hierbei so gewählt, dass an den zehn Positionen P1 bis P10 zehn Test-Schweißpunkte auf dem Werkstück 2 gebildet werden. Die Intensität der hierbei detektierten Strahlung 11 ist für den Fall, dass die Fokuslage F an allen zehn Positionen P1 bis P10 korrekt ist, in Fig. 4a dargestellt, während Fig. 4b den Fall zeigt, dass die Fokuslage F an der achten Position P8 von der
nominellen Fokuslage FN abweicht.
Um die Fokuslage F zu überprüfen, wird auf die weiter oben in Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebene Weise in der Steuerungseinrichtung 14 jedem der zehn
Laserpulse L1 bis L10 ein Signalwert S1 bis S10 zugeordnet. Für die nachfolgenden Betrachtungen wird davon ausgegangen, dass im Mittel über alle Positionen P1 bis P10 die Fokuslage F mit der nominellen Fokuslage FN übereinstimmt, d.h. dass es nur an einer im Vergleich zur Gesamtzahl der Positionen P1 bis P10 geringen Anzahl von Positionen zu einer (signifikanten) Abweichung von der nominellen Fokuslage FN kommt. In der Regel wird die nachfolgend beschriebene Überprüfung der Fokuslage F relativ zu dem Werkstück 2 für jede der zehn Positionen P1 bis P10 einzeln durchgeführt. Im hier beschriebenen Beispiel ist die erste Position P1 von der
Überprüfung ausgenommen, da die Fokuslage F an der ersten Position P1 bereits auf die weiter oben beschriebene Weise geprüft bzw. bestimmt wurde. Nachfolgend wird die Überprüfung beispielhaft für die achte Position P8 bzw. für den achten Laserpuls L8 beschrieben.
Für die Überprüfung der Fokuslage F an der achten Position P8 wird der Signalwert S8 an der achten Position P8 nicht mit einem absoluten Wert verglichen, sondern mit einem Referenzwert RM, RMAX bzw. RH, der ein relatives Kriterium bildet, da dieser aus den Signalwerten S1 bis S10 an allen zehn Positionen P1 bis P10 gebildet wird. Bei dem in Fig. 4a gezeigten Beispiel stimmt die Fokuslage F an allen zehn
Positionen P1 bis P10 mit der nominellen Fokusposition FN überein. Daher ist der jeweilige Signalwert S1 bis S10 an jeder der zehn Positionen P1 bis P10 maximal und alle zehn Signalwerte S1 bis S10 sind gleich groß. Der maximale Wert RMAX der zehn Signalwerte S1 bis S10 stimmt somit mit dem Mittelwert RM der zehn
Signalwerte S1 bis S10 überein. Sowohl der Mittelwert RM der zehn Signalwerte S1 bis S10 auch der maximale Wert RMAX der zehn Signalwerte S1 bis S10 können als Referenzwert verwendet werden. Alternativ kann auch der häufigste Wert der zehn Signalwerte S1 bis S10 als Referenzwert RH verwendet werden, der bei dem in Fig. 4a gezeigten Beispiel jedem der zehn Signalwerte S1 bis S10 entspricht. Bei dem in Fig. 4b gezeigten Beispiel ist der Signalwert S8 an der achten Position P8 kleiner als an den anderen neun Positionen P1 bis P 7, P9, P10, d.h. die Fokuslage F stimmt an der achten Position P8 nicht mit der nominellen Fokuslage F überein. Um die Abweichung zu erkennen, wird der Signalwert S8 an der achten Position P8 von der Steuerungseinrichtung 14 mit einem der drei weiter oben beschriebenen
Referenzwerte RMAX, RH, RM verglichen. Der maximale Wert RMAX sowie der häufigste Wert RH stimmen bei dem in Fig. 4b gezeigten Beispiel mit den in Fig. 4a gezeigten Referenzwerten RMAX, RH überein, während der Referenzwert RM in Form des Mittelwerts gegenüber dem in Fig. 4a gezeigten Fall reduziert ist.
Wird beim Vergleichen des Signalwerts S8 mit dem Referenzwert RMAX, RH bzw. RM festgestellt, dass der achte Signalwert S8 kleiner ist als der Referenzwert, beispielsweise kleiner ist als der Mittelwert RM, wird in der Steuerungseinrichtung 14 darauf geschlossen, dass die Fokuslage F an der entsprechenden Position P8 nicht korrekt ist. Um die Fokuslage F zu korrigieren, kann vor der Durchführung der schweißenden Bearbeitung die Fokuslage F an der achten Position P8, die von der programmierbaren bzw. steuerbaren Fokussieroptik 7 bei der schweißenden
Bearbeitung eingestellt wird, geeignet korrigiert werden. Erforderlichenfalls kann die auf die weiter oben im Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebene Weise durchgeführte Variation der Fokuslage F in Z-Richtung an der achten Position P8 durchgeführt werden, um für die Korrektur die nominelle Fokuslage FN an der achten Position P8 zu bestimmen.
Aufgrund der Korrektur der Fokuslage F an der achten Position P8 kann die schweißende Bearbeitung an allen Positionen P1 bis P10 mit korrekter Fokuslage F bzw. mit der nominellen Fokuslage FN durchgeführt werden. Gegebenenfalls kann die weiter oben beschriebene Überprüfung der Fokuslage F nach dem
schweißenden Bearbeiten erneut durchgeführt werden, um die Qualität der bei der schweißenden Bearbeitung gebildeten Schweißnaht zu beurteilen, bei der es sich um eine Steppnaht oder um eine kontinuierliche Schweißnaht handeln kann. Alternativ kann die Qualität der bei der schweißenden Bearbeitung gebildeten Schweißnaht visuell beurteilt werden. Das weiter oben beschriebene Verfahren kann auch während eines
Schweißprozesses, insbesondere während eines Punktschweißprozesses, durchgeführt werden, bei dem an einer jeweiligen Position P1 , P2, ... beispielsweise C-förmige Schweißpunkte gesetzt werden, wie dies in Fig. 3 gestrichelt angedeutet ist. In diesem Fall wird ein jeweiliger Signalwert S1 , S2, ... aus der beim Setzen eines C-förmigen Schweißpunkts an einer jeweiligen Position P1 , P2, ... detektierten Strahlung ermittelt. Hierbei wird der Referenzwert RMAX, RM, RH an einer aktuellen Position, z.B. P8, aus denjenigen Positionen P1 , P2, ..., P 7 bestimmt, die bereits mittels des Laserstrahls 4 bearbeitet wurden. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn an der ersten Position P1 die Fokuslage F vorab so eingestellt wurde, dass diese der nominellen Fokuslage FN entspricht. Es ist nicht zwingend erforderlich, dass für die Bildung des Referenzwerts RMAX, RM, RH alle Positionen P1 , P2, ... herangezogen werden, die bereits mittels des Laserstrahls 4 bearbeitet wurden, vielmehr kann für die Bildung des Mittelwerts nur eine vorgegebene Anzahl von Positionen, z.B. P4, ..., P 7, herangezogen werden, die unmittelbar vor der aktuellen Position P8 liegen. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Referenzwert RM in Form eines gleitenden Mittelwerts gebildet werden.
Für den Fall, dass die Mehrzahl von Schweißpunkten P1 , P2, ... , P8 - anders als in Fig. 3 gestrichelt angedeutet ist - eine unterschiedliche Geometrie aufweisen, dass diese unterschiedlich lang sind oder mit unterschiedlichen Parametern geschweißt werden, ist ein direkter Vergleich der Signalwerte S1 , S2, ..., S10 an
unterschiedlichen Positionen P1 , P2, ..., P10 entlang der Bahnkurve B bzw. die Bildung eines Referenzwerts RMAX, RM, RH aus den Signalwerten S1 , S2, ..., S8 an der Mehrzahl von Positionen P1 , P2, ..., P10 entlang der Bahnkurve B nicht ohne weiteres möglich.
In diesem Fall kann alternativ der Referenzwert RMAX, RM, RH aus einer Mehrzahl von Signalwerten S8, S8‘, ... bestimmt werden, die bei mehreren Schweißprozessen an mehreren unterschiedlichen, aber baugleichen Werkstücken 2 ermittelt werden. Die Mehrzahl von Signalwerten S8, S8‘, ... kann hierbei jeweils an ein- und derselben Position P8 entlang einer Bahnkurve B ermittelt werden, die für alle schweißend bearbeiteten baugleichen Werkstücke 2 identisch ist. In diesem Fall ist es für die Bildung des Referenzwerts RMAX, RM, RH erforderlich, dass die Schweißprozesse an den unterschiedlichen Werkstücken 2 unter möglichst gleichen Bedingungen ablaufen. Insbesondere sollte die Einspannung des jeweiligen Werkstücks 2 mit Hilfe der Spannklammern 16a,b stets auf die gleiche Weise erfolgen. Zur Bestimmung des Referenzwerts RMAX, RM, RH ist es in diesem Fall ebenfalls möglich, mehrere Signalwerte S1 , S2, ... an Schweißpunkten P1 , P2, ..., die an ein- und demselben Werkstück 2 mit vergleichbaren Schweißparametern geschweißt wurden, zusätzlich für die Bildung eines aussagekräftigen Referenzwerts RMAX, RM, RH für diese Art von Schweißgeometrie heranzuziehen.
Anhand der an den jeweiligen Positionen P1 bis P10 ermittelten Signalwerte S1 bis S10 können neben der Fokuslage F auch andere Größen bestimmt werden, die eine Aussage über den Schweißprozess und/oder über bei der Durchführung des
Schweißprozesses verwendeten Optiken, etc. ermöglichen. Beispielsweise kann anhand einer zeitlichen Abnahme der Signalwerte S1 , S2, ..., S10 bei der
Bearbeitung des Werkstücks 2 auf zunehmende Verschmutzungen an mindestens einem den Laserstrahl 4 führenden optischen Element, in der Regel an dem
Schutzglas 10, geschlossen werden. Die zeitliche Abnahme der Signalwerte S1 , S2, ... S10 wird hierbei typischerweise nicht bei einem einzigen Schweißprozess, sondern bei mehreren Schweißprozessen, d.h. über einen längeren Zeitraum, beobachtet. Fällt der absolute Wert der Intensität I der detektierten Strahlung 11 bzw. der ermittelten Signalwerte S1 , S2, ... unter einen Schwellwert, kann das Schutzglas 10 gereinigt oder ggf. ausgetauscht werden. Es ist ggf. auch möglich, das
Verschmutzen des Schutzglases während eines einzigen Bearbeitungsprozesses zu erkennen.
Anhand einer zeitlichen Veränderung der Signalwerte S1 , S2, ..., S10 kann auch auf eine fehlerhafte Einspannung des Werkstücks 2 geschlossen werden. Eine solche fehlerhafte Einspannung des Werkstücks 2 kann beispielsweise dazu führen, dass dieses bzw. dessen Oberfläche 2a an der in Fig. 1 gezeigten ersten Position P1 nicht in der Werkstückebene E angeordnet ist, sondern in Z-Richtung von dieser beabstandet ist. In diesem Fall wird die Abweichung der Signalwerte S1 , S2, ... von dem Referenzwert RMAX, RM, RH an mehreren aufeinanderfolgenden Positionen P1 , P2 ermittelt und bewertet. Anhand der Bewertung kann festgestellt werden, ob das ganze Werkstück 2 schräg eingelegt ist. Im Gegensatz dazu weicht bei einer fehlerhaften (Punkt-)Schweißung in der Regel nur ein einziger Signalwert S1 , S2, ... signifikant von dem Referenzwert RMAX, RM, RH ab. Bei der schweißenden
Bearbeitung kann ggf. auch der Fall auftreten, dass in Fig. 1 dargestellte
Spannklammern 16a,b, welche zum Einspannen bzw. zum Halten des Werkstücks 2 verwendet werden, sich ungewollt an einer der Positionen P1 bis P10 befinden, an denen das Werkstück 2 bzw. die beiden Werkstückteile zusammengeschweißt werden, d.h. die Spannklammern 16a,b schirmen das Werkstück 2 ab. Da die Spannklammern 16a,b typischerweise aus einem anderen Material bestehen als das Werkstück 2, tritt an der entsprechenden Position P1 , P2, ... eine typischerweise erhebliche Abweichung des Signalwerts S1 , S2, ... von dem Referenzwert RMAX, RM, RH auf. Die Abweichung ist in der Regel deutlich größer als die Abweichung des Signalwerts S1 , S2, ... , die bei der Abweichung der Fokuslage F von der nominellen Fokuslage FN auftritt. Anhand der Größe der Abweichung bzw. der Differenz des Signalwerts S1 , S2, ... von dem Referenzwert RMAX, RM, RH kann daher auf eine fehlerhafte Einspannung des Werkstücks 2 geschlossen werden.
Anhand einer zeitlichen Veränderung der Signalwerte S1 , S2, ... kann auch auf eine Veränderung der Fokuslage F durch im Strahlweg des Laserstrahls 4 zwischen dem Bearbeitungskopf 3 und dem Werkstück 2 vorhandenen Metalldampf 15 (vgl. Fig. 1 ) geschlossen werden. Der Metalldampf 15 wird typischerweise mit Hilfe eines Hilfs- bzw. eines Schutzgasstroms (mit Hilfe einer geeigneten Gasdüse) aus dem
Strahlweg des Laserstrahls 4 entfernt. Wird der Gasstrom durch das Werkstück 2, durch die Spannklammern 16a,b oder durch andere Bauteile abgeschirmt, die für die Halterung des Werkstücks 2 verwendet werden, gelangt der Metalldampf 15 in den Strahlengang des Laserstrahls 4 und führt aufgrund des veränderten
Brechungsindexes zu einer Veränderung der Fokuslage F. Typischerweise nimmt beim Vorhandensein von Metalldampf 15 die gemessene Signalstärke, d.h. die Intensität I der ermittelten Signalwerte S1 , S2, ... insgesamt ab, so dass anhand des verringerten Pegels, der typischerweise nur währen eines einzelnen
Bearbeitungsprozesses auftritt, auf das Vorhandensein des Metalldampfs 15 geschlossen werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Überprüfen einer Fokuslage (F) eines insbesondere gepulsten Laserstrahls (4) relativ zu einem Werkstück (2), umfassend:
Fokussieren des Laserstrahls (4) an einer Mehrzahl von Positionen (P1 , P2,
P10) entlang einer Bahnkurve (B) auf dem Werkstück (2), insbesondere auf dem Werkstück (2) und auf mindestens einem anderen, baugleichen Werkstück (2), Detektieren von Strahlung (11 ), die bei einer Wechselwirkung des Laserstrahls (2), insbesondere eines jeweiligen Laserpulses (L1 , L2, ..., L10), mit dem
Werkstück (2) an der zugehörigen Position (P1 , P2, ..., P10) erzeugt wird, Ermitteln von Signalwerten (S1 , S2, ..., S10), die der detektierten Strahlung (11 ) an einer jeweiligen Position (P1 , P2, ..., P10) entsprechen, sowie
Überprüfen der Fokuslage (F) an mindestens einer der Positionen (P8) durch Vergleichen des Signalwerts (S8) an der Position (P8) mit einem aus den
Signalwerten (S1 , S2, ..., S10) gebildeten Referenzwert (RM, RMAX, RH).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem aus den Signalwerten (S1 , S2, ... , S10) als Referenzwert der Mittelwert (RM) oder der häufigste Wert (RH) bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem als Referenzwert ein maximaler Wert (RMAX) der Signalwerte (P1 , P2, ..., P10) verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in einem
vorausgehenden Schritt eine nominelle Fokuslage (FN) des Laserstrahls (4) relativ zum Werkstück (2) bestimmt und die Fokuslage (F) auf die nominelle Fokuslage (FN) eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zum Ermitteln eines jeweiligen Signalwerts (S1 , S2, ..., S10) nur die während der Zeitdauer (At) eines jeweiligen Laserpulses (L1 , L2, ..., L10) detektierte Strahlung (11 ) herangezogen wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend:
Insbesondere schweißendes Bearbeiten des Werkstücks (2) zumindest an der Mehrzahl von Positionen (P1 , P2, ..., P10) entlang der Bahnkurve (B), wobei das Überprüfen der Fokuslage (F) vor dem Bearbeiten, während des Bearbeitens oder nach dem Bearbeiten des Werkstücks (2) erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zum Überprüfen der Fokuslage (F) während des schweißenden Bearbeitens des Werkstücks (2) ein Signalwert (S8) an einer aktuellen Position (P8) entlang der Bahnkurve (B) mit einem Referenzwert (RM, RMAX, RH) verglichen wird, der aus den Signalwerten (S1 , S2, ..., S7) an vorausgehend schweißend bearbeiteten Positionen (P1 , P2, ..., P7) entlang der Bahnkurve (B) gebildet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem anhand einer zeitlichen Abnahme der Signalwerte (S1 , S2, ..., S10) bei der Bearbeitung des Werkstücks (2) auf zunehmende Verschmutzungen an mindestens einem den Laserstrahl (4) führenden optischen Element (10) geschlossen wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem anhand einer zeitlichen Veränderung der Signalwerte (S1 , S2, ..., S10) auf eine fehlerhafte Einspannung des Werkstücks (2) geschlossen wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem anhand einer zeitlichen Veränderung der Signalwerte (S1 , S2, ..., S10) auf eine Veränderung der Fokuslage (F) durch im Strahlweg des Laserstrahls (4) zwischen einem Bearbeitungskopf (3) und dem Werkstück (2) vorhandenen Metalldampf (15) geschlossen wird.
11.Vorrichtung (1 ) zum Überprüfen einer Fokuslage (F) eines insbesondere
gepulsten Laserstrahls (4) relativ zu einem Werkstück (2), umfassend:
einen Bearbeitungskopf (3) zum Fokussieren des Laserstrahls (4) an einer Mehrzahl von Positionen (P1 , P2, ..., P10) entlang mindestens einer Bahnkurve (B) auf dem Werkstück (2), insbesondere auf dem Werkstück (2) und auf mindestens einem anderen, baugleichen Werkstück (2),
einen Strahlungsdetektor (13) zum Detektieren von bei einer Wechselwirkung des Laserstrahls (4), insbesondere eines jeweiligen Laserpulses (L1 , L2, L10), mit dem Werkstück (2) an einer jeweiligen Position (P1 , P2, ..., P10) erzeugter Strahlung (11 ),
eine Steuerungseinrichtung (14), die ausgebildet ist, Signalwerte (S1 , S2, ...,
S10) zu ermitteln, die der detektierten Strahlung (11 ) an einer jeweiligen Position (P1 , P2, ..., P10) entsprechen, und die ausgebildet ist, die Fokuslage (F) an der mindestens einen Position (P1 , P2, ..., P10) durch Vergleichen des Signalwerts (S1 , S2, ..., S10) an der Position (P1 , P2, ..., P10) mit einem aus den
Signalwerten (S1 , S2, ..., S10) gebildeten Referenzwert (RM, RMAX, RH) ZU überprüfen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , weiter umfassend: eine Laserquelle (5) zur
Erzeugung eines Laserstrahls (4), insbesondere von Laserpulsen (L1 , L2, ..., L10), an den jeweiligen Positionen (P1 , P2, ..., P10), wobei die
Steuerungseinrichtung (14) bevorzugt ausgebildet ist, zum Ermitteln eines jeweiligen Signalwerts (S1 , S2, ..., S10) nur die während der Zeitdauer (At) eines jeweiligen Laserpulses (L1 , L2, ..., L10) detektierte Strahlung (11 ) heranzuziehen.
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