DE102020205926A1

DE102020205926A1 - Method for determining a penetration depth in a workpiece and machining device

Info

Publication number: DE102020205926A1
Application number: DE102020205926.8A
Authority: DE
Inventors: Jan-Patrick Hermani; Stefan Braun
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser Se De
Priority date: 2020-05-12
Filing date: 2020-05-12
Publication date: 2021-11-18
Also published as: WO2021228761A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Eindringtiefe (d) eines thermischen Bearbeitungsstrahls (4), insbesondere eines Laserstrahls, in ein Werkstück (2), beim Bearbeiten des Werkstücks (2) mit dem thermischen Bearbeitungsstrahl (4), umfassend: Ausrichten des thermischen Bearbeitungsstrahls (4) auf das Werkstück (2) zum Bilden einer Dampfkapillare (6) in dem Werkstück (2), Ausrichten eines Messstrahls (8) auf eine Messposition (MP) in der Dampfkapillare (6), insbesondere am Grund (6a) der Dampfkapillare (6), zum Bestimmen eines ersten Abstands (a1) zwischen dem Grund (6a) der Dampfkapillare (6) und einer Referenzposition (RP), Bestimmen eines zweiten Abstands (a2) zwischen einer Oberfläche (2a) des Werkstücks (2) und der Referenzposition (RP), sowie Bestimmen der Eindringtiefe (d) anhand des ersten Abstands (a1) und des zweiten Abstands (a2). Bei dem Verfahren ist die Dampfkapillare (6) beim Bearbeiten des Werkstücks (2) nicht dauerhaft geöffnet und der zweite Abstand (a2) wird bei nicht geöffneter Dampfkapillare (6) anhand des auf die Messposition (MP) ausgerichteten Messstrahls (8) bestimmt. Die Erfindung betrifft auch eine Bearbeitungsvorrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for determining a penetration depth (d) of a thermal processing beam (4), in particular a laser beam, into a workpiece (2) when processing the workpiece (2) with the thermal processing beam (4), comprising: aligning the thermal processing beam (4) Machining beam (4) onto the workpiece (2) to form a vapor capillary (6) in the workpiece (2), aligning a measuring beam (8) to a measurement position (MP) in the vapor capillary (6), in particular on the base (6a) of the Steam capillary (6), for determining a first distance (a1) between the base (6a) of the steam capillary (6) and a reference position (RP), determining a second distance (a2) between a surface (2a) of the workpiece (2) and the reference position (RP), as well as determining the penetration depth (d) on the basis of the first distance (a1) and the second distance (a2). In the method, the vapor capillary (6) is not permanently open when the workpiece (2) is being processed and the second distance (a2) is determined when the vapor capillary (6) is not open on the basis of the measuring beam (8) aimed at the measuring position (MP). The invention also relates to a processing device (1) for carrying out the method.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Eindringtiefe eines thermischen Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, in ein Werkstück beim Bearbeiten des Werkstücks mit dem Bearbeitungsstrahl, umfassend: Ausrichten des thermischen Bearbeitungsstrahls auf das Werkstück zum Bilden einer Dampfkapillare in dem Werkstück, Ausrichten eines Messstrahls auf eine Messposition in der Dampfkapillare, insbesondere am Grund der Dampfkapillare, zum Bestimmen eines ersten Abstands zwischen dem Grund der Dampfkapillare und einer Referenzposition, Bestimmen eines zweiten Abstands zwischen der Oberfläche des Werkstücks und der Referenzposition, sowie Bestimmen der Eindringtiefe anhand des ersten Abstands und des zweiten Abstands. Die Erfindung betrifft auch eine Bearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem thermischen Bearbeitungsstrahl, insbesondere mit einem Laserstrahl, umfassend: eine Optik zum Ausrichten, insbesondere zum Fokussieren des thermischen Bearbeitungsstrahls auf das Werkstück zum Bilden einer Dampfkapillare in dem Werkstück, eine optische Abstandsmesseinrichtung, die ausgebildet ist, einen Messstrahl auf eine Messposition in der Dampfkapillare auszurichten, sowie eine Auswerteeinrichtung zum Bestimmen einer Eindringtiefe des thermischen Bearbeitungsstrahls in das Werkstück anhand eines ersten Abstands zwischen dem Grund der Dampfkapillare und einer Referenzposition sowie anhand eines zweiten Abstands zwischen der Oberfläche des Werkstücks und der Referenzposition.The present invention relates to a method for determining a penetration depth of a thermal processing beam, in particular a laser beam, into a workpiece when processing the workpiece with the processing beam, comprising: aligning the thermal processing beam on the workpiece to form a vapor capillary in the workpiece, aligning a measuring beam a measurement position in the steam capillary, in particular at the base of the steam capillary, for determining a first distance between the base of the steam capillary and a reference position, determining a second distance between the surface of the workpiece and the reference position, and determining the penetration depth based on the first distance and the second Distance. The invention also relates to a processing device for processing a workpiece with a thermal processing beam, in particular with a laser beam, comprising: optics for aligning, in particular for focusing the thermal processing beam on the workpiece to form a vapor capillary in the workpiece, an optical distance measuring device which is designed is to align a measuring beam to a measuring position in the vapor capillary, as well as an evaluation device for determining a penetration depth of the thermal machining beam into the workpiece based on a first distance between the bottom of the vapor capillary and a reference position and based on a second distance between the surface of the workpiece and the reference position .

Zum Bestimmen der Eindringtiefe eines thermischen Bearbeitungsstrahls, beispielsweise eines Laserstrahls, in ein Werkstück bei der Bearbeitung des Werkstücks mittels des Bearbeitungsstrahls ist es typischerweise erforderlich, zwei Abstände bzw. zwei Entfernungen zu kennen: Einerseits den Abstand zwischen dem Grund der Dampfkapillare und einer Referenzposition und andererseits den Abstand zwischen der Oberfläche des Werkstücks und der Referenzposition. Die Differenz aus diesen beiden Abständen ergibt die Eindringtiefe. Zur Bestimmung der Eindringtiefe sind somit grundsätzlich zwei Abstandsmessungen erforderlich, die zeitparallel oder zeitlich aufeinander folgend durchgeführt werden können.To determine the depth of penetration of a thermal processing beam, for example a laser beam, into a workpiece when processing the workpiece by means of the processing beam, it is typically necessary to know two distances or two distances: on the one hand the distance between the bottom of the vapor capillary and a reference position and on the other hand the distance between the surface of the workpiece and the reference position. The difference between these two distances gives the depth of penetration. In order to determine the penetration depth, two distance measurements are therefore basically required, which can be carried out in parallel or in succession in time.

Aus der DE 10 2013 015 656 B4 ist es bekannt, zur Bestimmung des Abstands der Oberfläche zu der Referenzposition gleichzeitig einen weiteren Messstrahl auf eine zweite Messposition an der Oberfläche des Werkstücks außerhalb der Dampfkapillare zu richten. Die zweite Messposition kann sich beispielsweise vor oder hinter der Dampfkapillare befinden. Der erste Messstrahl und der zweite Messstrahl können mindestens ein optisches Element eines optischen Kohärenztomographen gemeinsam nutzen. Das von dem optischen Kohärenztomographen erzeugte Messlicht kann in einem Objektarm des Kohärenztomographen in den ersten Messstrahl und in den zweiten Messstrahl aufgeteilt werden. Dieses Vorgehen führt jedoch dazu, dass nicht die volle Messfrequenz zur Messung der Eindringtiefe zur Verfügung steht.From the DE 10 2013 015 656 B4 it is known to simultaneously direct a further measuring beam onto a second measuring position on the surface of the workpiece outside the vapor capillary in order to determine the distance between the surface and the reference position. The second measurement position can be located in front of or behind the steam capillary, for example. The first measuring beam and the second measuring beam can use at least one optical element of an optical coherence tomograph together. The measuring light generated by the optical coherence tomograph can be split into the first measuring beam and the second measuring beam in an object arm of the coherence tomograph. However, this procedure means that the full measuring frequency is not available for measuring the penetration depth.

Alternativ zur Nutzung eines optischen Kohärenztomographen zur Bildung der beiden Messstrahlen können zwei unabhängige optische Kohärenztomographen zu diesem Zweck verwendet werden. Durch das Vorsehen eines weiteren optischen Kohärenztomographen erhöhen sich jedoch die Kosten für die Messung der Eindringtiefe.As an alternative to using an optical coherence tomograph to form the two measuring beams, two independent optical coherence tomographs can be used for this purpose. However, the provision of a further optical coherence tomograph increases the costs for measuring the penetration depth.

In der US 8,735,768 B2 ist eine Laserschweißvorrichtung beschrieben, bei welcher ein Objektstrahl eines optischen Interferometers koaxial zum Laserstrahl auf das zu schweißende Werkstück ausgerichtet wird. Ein optisches Element dient dazu, den Objektstrahl aufzuweiten, so dass dieser einen größeren Spot-Durchmesser an dem Werkstück aufweist als der Laserstrahl. Auf diese Weise kann zeitgleich die gesamte Dampfkapillare und der Bereich um die Dampfkapillare erfasst werden. Zur Bestimmung der Eindringtiefe wird der Objektstrahl aufgespalten und mittels eines Differential-Detektors ein Differential-Komponente des aufgespaltenen Objektstrahls erm ittelt.In the US 8,735,768 B2 describes a laser welding device in which an object beam of an optical interferometer is aligned coaxially with the laser beam onto the workpiece to be welded. An optical element is used to widen the object beam so that it has a larger spot diameter on the workpiece than the laser beam. In this way, the entire steam capillary and the area around the steam capillary can be recorded at the same time. To determine the penetration depth, the object beam is split and a differential component of the split object beam is determined by means of a differential detector.

Eine weitere Möglichkeit zum Bestimmen der Eindringtiefe besteht darin, das zu schweißende Profil entlang des Werkstücks zwei Mal abzufahren: Beim ersten Mal wird das zu schweißende Profil abgefahren, ohne den thermischen Bearbeitungsstrahl zu aktivieren, um den Abstand zur Oberfläche des Werkstücks zu bestimmen. Beim zweiten Mal wird das Profil mit eingeschaltetem Bearbeitungsstrahl abgefahren, um das Werkstück beispielsweise schweißend zu bearbeiten. Das zweimalige Abfahren des zu schweißenden Profils ist aber mit einem erheblichen zusätzlichen Zeitaufwand verbunden.Another option for determining the penetration depth is to traverse the profile to be welded along the workpiece twice: the first time, the profile to be welded is traversed without activating the thermal processing beam in order to determine the distance to the surface of the workpiece. The second time, the profile is traversed with the machining beam switched on, for example to machine the workpiece by welding. However, the double running of the profile to be welded is associated with a considerable additional expenditure of time.

Auch das Erfassen von punktuellen Messwerten von Abständen zur Oberfläche des Werkstücks vor dem Beginn des (schweißenden) Bearbeitens und nach dem Ende des (schweißenden) Bearbeitens sowie eine Interpolation zwischen den Messwerten ist möglich. Da während des schweißenden Bearbeitens keine kontinuierliche Messung des Abstands zur Oberfläche erfolgt, führt diese Vorgehensweise bei längeren Schweißnähten, einer unebenen Oberfläche des Werkstücks oder bei nicht linear verlaufenden Höhenprofilen jedoch zu Ungenauigkeiten.The acquisition of punctual measured values of distances to the surface of the workpiece before the start of the (welding) processing and after the end of the (welding) processing as well as an interpolation between the measured values is possible. Since there is no continuous measurement of the distance to the surface during the welding process, this procedure leads to inaccuracies in the case of longer weld seams, an uneven surface of the workpiece or in the case of non-linear height profiles.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Bearbeitungsvorrichtung bereitzustellen, welche die Bestimmung der Eindringtiefe eines thermischen Bearbeitungsstrahls in ein Werkstück vereinfachen.The invention is based on the object of providing a method and a machining device which simplify the determination of the depth of penetration of a thermal machining beam into a workpiece.

Gegenstand der ErfindungSubject of the invention

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die Dampfkapillare beim Bearbeiten des Werkstücks nicht dauerhaft geöffnet ist und bei dem der zweite Abstand bei nicht geöffneter Dampfkapillare anhand des auf die Messposition ausgerichteten Messstrahls bestimmt wird.According to the invention, this object is achieved by a method of the type mentioned at the outset, in which the steam capillary is not permanently open when machining the workpiece and in which the second distance when the steam capillary is not open is determined on the basis of the measuring beam aimed at the measuring position.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ausgenutzt, dass die Dampfkapillare bei der Bearbeitung des Werkstücks mit dem thermischen Bearbeitungsstrahl - abhängig vom thermischen Bearbeitungsprozess - in der Regel nicht dauerhaft geöffnet bleibt. Daher kann ein- und derselbe Messstrahl verwendet werden, um anhand von Abstandswerten, die zu Zeitpunkten aufgenommen werden, bei denen die Dampfkapillare geöffnet ist, den (ersten) Abstand zum Grund der Dampfkapillare zu bestimmen und anhand von Abstandswerten, bei denen die Dampfkapillare geschlossen oder größtenteils geschlossen ist, den (zweiten) Abstand zur Oberfläche des Werkstücks zu bestimmen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist somit weder ein zweiter, räumlich versetzter Messstrahl noch ein zweiter Messlauf erforderlich, um den Abstand zur Oberfläche des Werkstücks zu bestimmen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf alle thermischen Bearbeitungsprozesse angewendet werden, bei denen die Dampfkapillare nicht dauerhaft geöffnet bleibt bzw. geöffnet ist, beispielsweise bei Bearbeitungsprozessen, bei denen die Dampfkapillare prozessbedingt instabil ist.The method according to the invention makes use of the fact that the vapor capillary generally does not remain open permanently when the workpiece is processed with the thermal processing jet, depending on the thermal processing process. One and the same measuring beam can therefore be used to determine the (first) distance to the bottom of the steam capillary on the basis of distance values that are recorded at times at which the steam capillary is open and on the basis of distance values at which the steam capillary is closed or is largely closed to determine the (second) distance to the surface of the workpiece. In the method according to the invention, neither a second, spatially offset measuring beam nor a second measuring run is required in order to determine the distance to the surface of the workpiece. The method according to the invention can be applied to all thermal machining processes in which the steam capillary does not remain open or is open, for example in machining processes in which the steam capillary is unstable due to the process.

Bei einer Variante wird der Messstrahl von einer optischen Abstandsmesseinrichtung, bevorzugt von einem optischen Interferometer, insbesondere von einem optischen Kohärenztomographen, erzeugt, und der erste Abstand und der zweite Abstand werden anhand eines von der optischen Abstandsmesseinrichtung bestimmten Abstandssignals bestimmt. Zur Bestimmung von Abständen bei thermischen Bearbeitungsprozessen, z.B. bei Schweißprozessen, haben sich optische Abstandsmesseinrichtungen in Form von optischen Interferometern, insbesondere von optischen Kohärenztomographen, als günstig erwiesen. Ein optisches Interferometer weist einen Referenzpfad und einen Messpfad auf, wobei in dem Messpfad das Werkstück angeordnet ist. Der Abstand zwischen dem Grund der Dampfkapillare bzw. der Oberfläche des Werkstücks und der Referenzposition wird anhand einer Differenz zwischen der optischen Weglänge des Referenzpfads und der optischen Weglänge des Messpfads bestimmt. Bei der Referenzposition kann es sich z.B. um den Nullpunkt der Differenz der optischen Weglängen zwischen dem Referenzpfad und dem Messpfad handeln. Bei dem Abstandssignal handelt es sich um ein elektronisches Signal, das die Abstandsinformation beinhaltet und das - eine geeignete Kalibrierung vorausgesetzt - dem Abstand zur Referenzposition entspricht bzw. es ermöglicht, den Abstand zur Referenzposition - z.B. anhand einer spektralen Auswertung - aus diesem zu extrahieren.In a variant, the measuring beam is generated by an optical distance measuring device, preferably by an optical interferometer, in particular by an optical coherence tomograph, and the first distance and the second distance are determined using a distance signal determined by the optical distance measuring device. Optical distance measuring devices in the form of optical interferometers, in particular optical coherence tomographs, have proven to be beneficial for determining distances in thermal machining processes, e.g. in welding processes. An optical interferometer has a reference path and a measurement path, the workpiece being arranged in the measurement path. The distance between the bottom of the vapor capillary or the surface of the workpiece and the reference position is determined on the basis of a difference between the optical path length of the reference path and the optical path length of the measurement path. The reference position can be, for example, the zero point of the difference in the optical path lengths between the reference path and the measurement path. The distance signal is an electronic signal which contains the distance information and which - assuming a suitable calibration - corresponds to the distance to the reference position or enables the distance to the reference position to be extracted therefrom, e.g. using a spectral evaluation.

Bei einer Weiterbildung erfolgt das Bestimmen des ersten Abstands anhand von größten Abstandsmesswerten des Abstandssignals und/oder das Bestimmen des zweiten Abstands erfolgt anhand von kleinsten Abstandsmesswerten des Abstandssignals. Ein typisches Abstandsmesssignal eines optischen Kohärenztomographen weist Abstandsmesswerte in Form einer Verteilung von einzelnen Abstandsmesspunkten auf, die zu unterschiedlichen Zeiten bestimmt werden. Mit Hilfe eines optischen Kohärenztomographen kann während eines Bearbeitungsprozesses mit instabiler Dampfkapillare dauerhaft der (erste) Abstand zum Grund der Dampfkapillare bestimmt werden. Ist die Dampfkapillare nicht dauerhaft geöffnet, so befinden sich, neben einigen Störsignalen, alle Abstandsmesswerte zwischen dem Grund bzw. dem tiefsten Punkt der Dampfkapillare und der Oberfläche des Werkstücks. Diese Bandbreite des Großteils der Abstandsmesswerte kann dazu genutzt werden, aus dem (einen) von dem optischen Kohärenztomographen bestimmten Abstandssignal beide Abstände zu bestimmen, die für die Bestimmung der Eindringtiefe erforderlich sind.In one development, the first distance is determined on the basis of the largest measured distance values of the distance signal and / or the second distance is determined on the basis of the smallest measured distance values of the distance signal. A typical distance measurement signal from an optical coherence tomograph has distance measurement values in the form of a distribution of individual distance measurement points which are determined at different times. With the help of an optical coherence tomograph, the (first) distance to the bottom of the steam capillary can be determined permanently during a machining process with an unstable steam capillary. If the steam capillary is not permanently open, then, in addition to some interfering signals, all measured distance values are located between the bottom or the lowest point of the steam capillary and the surface of the workpiece. This bandwidth of the majority of the distance measurement values can be used to determine from the (one) distance signal determined by the optical coherence tomograph both distances that are required for determining the penetration depth.

In der Verteilung der Abstandsmesswerte können die größten Abstandsmesswerte einem Tiefen-Profil der Dampfkapillare zugeordnet werden, d.h. es kann ein zeitlicher Verlauf des ersten Abstands bestimmt werden. Eine solche Zuordnung der Abstandsmesswerte zur Bestimmung des ersten Abstands bei der optischen Kohärenztomographie ist grundsätzlich bekannt, vgl. beispielsweise die eingangs zitierte DE 10 2012 015 656 B4 . Entsprechend können in der Verteilung der Abstandsmesswerte die kleinsten Abstandsmesswerte einem Oberflächen-Profil des Werkstücks zugeordnet werden, d.h. es kann ein zeitlicher Verlauf des zweiten Abstands bestimmt werden. Bei der Zuordnung kann ausgenutzt werden, dass nie ein Abstandsmesswert zeitgleich dem Oberflächen-Profil und dem Tiefen-Profil entspricht, da die Dampfkapillare zur gleichen Zeit nie gleichzeitig geöffnet und geschlossen sein kann. Bei der Zuordnung von Abstandsmesswerten zu dem Oberflächen-Profil muss daher mit Abstandsmesswerten gerechnet werden, die zwar während desselben Bearbeitungsprozesses (derselben Schweißung) aufgenommen wurden, zeitlich aber vor oder nach einem jeweiligen Abstandsmesswert liegen, welcher dem Tiefen-Profil zugeordnet wird. Durch die Bildung der Differenz aus den Abstandsmesswerten, die dem Oberflächen-Profil zugeordnet werden und den Abstandsmesswerten, die dem Tiefen-Profil zugeordnet werden, wird die Eindringtiefe bzw. das Eindringtiefen-Profil des thermischen Bearbeitungsstrahls bestimmt.In the distribution of the measured distance values, the largest measured distance values can be assigned to a depth profile of the vapor capillary, ie a time profile of the first distance can be determined. Such an assignment of the measured distance values for determining the first distance in optical coherence tomography is known in principle, cf., for example, the one cited at the beginning DE 10 2012 015 656 B4 . Correspondingly, in the distribution of the measured distance values, the smallest measured distance values can be assigned to a surface profile of the workpiece, ie a time profile of the second distance can be determined. During the assignment, use can be made of the fact that a distance measurement value never corresponds to the surface profile and the depth profile at the same time, since the vapor capillary can never be open and closed at the same time. When assigning distance measurement values to the surface profile, it is therefore necessary to calculate with distance measurement values that were recorded during the same machining process (the same weld), but temporally before or after a respective distance measurement value, which is assigned to the depth profile. By forming the difference between the measured distance values that are assigned to the surface profile and the measured distance values that are assigned to the depth profile, the penetration depth or the penetration depth profile of the thermal processing beam is determined.

Bei einer weiteren Variante wird der Messstrahl im Wesentlichen koaxial zum thermischen Bearbeitungsstrahl auf das Werkstück fokussiert, und zwar typischerweise mittels einer Optik, beispielsweise einer Fokussieroptik, die sowohl von dem thermischen Bearbeitungsstrahl als auch von dem Messstahl durchlaufen wird. Durch die im Wesentlichen koaxiale Ausrichtung von Messstrahl und Bearbeitungsstrahl ist sichergestellt, dass der Abstand zur Oberfläche des Werkstücks genau an der Position bestimmt wird, an der sich die Dampfkapillare bzw. die Schweißnaht befindet. Durch die im Wesentlichen koaxiale Ausrichtung kommt es daher zu keinen Abweichungen bei der Bestimmung des Oberflächen-Profils und des Tiefen-Profils z.B. bei Kurven oder Ecken der zu schweißenden Bahnkurve, wie dies bei zwei räumlich versetzten Messstrahlen der Fall wäre. Unter einer im Wesentlichen koaxialen Ausrichtung wird verstanden, dass der Messstrahl und der Bearbeitungsstrahl unter einem Winkel von weniger als 5° zueinander ausgerichtet sind und dass ein (konstanter) Strahlversatz zwischen dem Messstrahl und dem Bearbeitungsstrahl kleiner ist als der Durchmesser der Dampfkapillare.In a further variant, the measuring beam is focused essentially coaxially to the thermal processing beam on the workpiece, typically by means of optics, for example focusing optics, through which both the thermal processing beam and the measuring steel pass. The essentially coaxial alignment of the measuring beam and the processing beam ensures that the distance to the surface of the workpiece is determined precisely at the position at which the vapor capillary or the weld seam is located. Due to the essentially coaxial alignment, there are no deviations when determining the surface profile and the depth profile, e.g. in the case of curves or corners of the path curve to be welded, as would be the case with two spatially offset measuring beams. A substantially coaxial alignment is understood to mean that the measuring beam and the processing beam are aligned at an angle of less than 5 ° to one another and that a (constant) beam offset between the measuring beam and the processing beam is smaller than the diameter of the vapor capillary.

Typischerweise werden der Messstrahl und der thermische Bearbeitungsstrahl in der gleichen Brennebene fokussiert, die sich typischerweise am Grund der Dampfkapillare befindet, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Um das Werkstück in unterschiedlichen Tiefen bearbeiten zu können, kann die Fokussieroptik eine einstellbare Brennweite aufweisen, dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Eine Fokussierung des Bearbeitungsstrahls ist aber nicht zwingend erforderlich, d.h. es kann gegebenenfalls eine Bearbeitung des Werkstücks mit einem defokussierten Bearbeitungsstrahl erfolgen.The measuring beam and the thermal processing beam are typically focused in the same focal plane, which is typically located at the bottom of the vapor capillary, in order to improve the signal-to-noise ratio. In order to be able to process the workpiece at different depths, the focusing optics can have an adjustable focal length, but this is not absolutely necessary. However, it is not absolutely necessary to focus the processing beam, i.e. the workpiece can be processed with a defocused processing beam if necessary.

Bei einer Variante erfolgt das Bearbeiten des Werkstücks mit dem thermischen Bearbeitungsstrahl gepulst, wobei der erste Abstand während eines jeweiligen Pulses und der zweite Abstand während einer jeweiligen Pulspause bestimmt wird. Bei einem thermischen Bearbeitungsprozess, insbesondere bei einem Schweißprozess mittels eines Laserstrahls, bildet sich bei jedem Laserpuls eine Dampfkapillare aus, die sich nach dem Puls, d.h. in einer Pulspause zwischen zwei aufeinander folgenden Pulsen, wieder schließt. Während der maximalen Ausbildung der Dampfkapillare kann somit die Tiefe der Schweißnaht bzw. der (erste) Abstand zum Grund der Dampfkapillare bestimmt werden. In den Pulspausen, in denen keine Dampfkapillare vorhanden ist, kann mit demselben Messstrahl der (zweite) Abstand zur Oberfläche des Werkstücks bestimmt werden. Die Information, ob in einem jeweiligen Zeitintervall ein Puls oder eine Pulspause vorliegt, kann bei der Auswertung des Abstandssignals berücksichtigt werden. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann das hier beschriebene Prinzip der praktisch zeitgleichen Oberflächen- und Tiefenmessung mit nur einem Messstrahl und mit nur einem Messlauf neben gepulsten Schweißprozessen auch auf alle anderen Schweißprozesse mit instabiler Dampfkapillare angewendet werden.In one variant, the workpiece is machined with the thermal machining beam in a pulsed manner, the first distance being determined during a respective pulse and the second distance being determined during a respective pulse pause. In a thermal processing process, in particular in a welding process using a laser beam, a vapor capillary forms with each laser pulse, which closes again after the pulse, i.e. in a pulse pause between two consecutive pulses. During the maximum formation of the vapor capillary, the depth of the weld seam or the (first) distance to the bottom of the vapor capillary can thus be determined. In the pulse pauses in which there is no vapor capillary, the (second) distance to the surface of the workpiece can be determined with the same measuring beam. The information as to whether there is a pulse or a pulse pause in a respective time interval can be taken into account when evaluating the distance signal. As described above, the principle described here of practically simultaneous surface and depth measurement with just one measuring beam and with just one measuring run can be applied to all other welding processes with unstable vapor capillaries in addition to pulsed welding processes.

Bevorzugt wird ein schweißendes Bearbeiten des Werkstücks durchgeführt. In diesem Fall entspricht die Eindringtiefe weitestgehend der Einschweißtiefe bzw. der Tiefe der Schweißnaht. Die Kenntnis der Einschweißtiefe ist günstig, um Schweißfehler zu vermeiden. Es versteht sich aber, dass die Bestimmung der Eindringtiefe des Bearbeitungsstrahls in das Werkstück auch bei anderen thermischen Bearbeitungsprozessen, bei denen eine Dampfkapillare gebildet wird, sinnvoll sein kann, beispielsweise beim (Laser-)Schneiden, um zu prüfen, ob das Werkstück vollständig durchgeschnitten wurde, oder bei der Laserablation.The workpiece is preferably machined by welding. In this case, the penetration depth largely corresponds to the welding depth or the depth of the weld seam. Knowing the welding depth is beneficial in order to avoid welding errors. It goes without saying, however, that determining the depth of penetration of the machining beam into the workpiece can also be useful in other thermal machining processes in which a vapor capillary is formed, for example during (laser) cutting, in order to check whether the workpiece has been completely cut through , or with laser ablation.

Bei einer weiteren Variante wird in Abhängigkeit von der bestimmten Eindringtiefe mindestens ein Parameter der thermischen Bearbeitung des Werkstücks verändert. Bei dem Parameter kann es sich beispielsweise um die Leistung des Bearbeitungsstrahls, um die Vorschubgeschwindigkeit oder um die Fokusposition des Bearbeitungsstrahls in Ausbreitungsrichtung des Bearbeitungsstrahls relativ zum Werkstück handeln. Mit Hilfe der Eindringtiefe kann die Laserbearbeitung so beeinflusst werden, dass qualitativ hochwertige Bearbeitungsergebnisse erzielt werden. Die auf die weiter oben beschriebene Weise bestimmte Eindringtiefe kann insbesondere auch als Ist-Wert einer Regeleinrichtung zugeführt werden, welche die Eindringtiefe während der thermischen Bearbeitung auf einen vorgegebenen Soll-Wert regelt, indem mit Hilfe einer Stelleinrichtung mindestens ein Parameter der thermischen Bearbeitung des Werkstücks verändert wird.In a further variant, at least one parameter of the thermal processing of the workpiece is changed as a function of the determined penetration depth. The parameter can be, for example, the power of the processing beam, the feed rate or the focus position of the processing beam in the direction of propagation of the processing beam relative to the workpiece. With the help of the penetration depth, the laser processing can be influenced in such a way that high-quality processing results can be achieved. The penetration depth determined in the manner described above can in particular also be fed as an actual value to a control device which regulates the penetration depth to a predetermined target value during thermal processing by changing at least one parameter of the thermal processing of the workpiece with the aid of an adjusting device will.

Die Erfindung betrifft auch eine Bearbeitungsvorrichtung der eingangs genannten Art, bei der die Auswerteeinrichtung ausgebildet bzw. programmiert ist, den zweiten Abstand bei nicht geöffneter Dampfkapillare anhand des auf die Messposition ausgerichteten Messstrahls zu bestimmen. Wie bei dem weiter oben beschriebenen Verfahren wird auch bei der Bearbeitungsvorrichtung ein- und derselbe von der optischen Abstandsmesseinrichtung erzeugte Messstrahl genutzt, um sowohl den ersten Abstand zum Grund der Dampfkapillare als auch den zweiten Abstand zur Oberfläche des Werkstücks zu bestimmen. Die Auswerteeinrichtung bestimmt die Eindringtiefe typischerweise durch Bildung der Differenz aus dem ersten Abstand und dem zweiten Abstand.The invention also relates to a processing device of the type mentioned at the outset, in which the evaluation device is designed or programmed to determine the second distance when the vapor capillary is not open on the basis of the measuring beam directed at the measuring position. As in the method described above, one and the same measuring beam generated by the optical distance measuring device is also used in the machining device to determine both the first distance to the bottom of the vapor capillary and the second distance to the surface of the workpiece. The evaluation device typically determines the penetration depth by forming the difference between the first distance and the second distance.

Bei einer Ausführungsform bildet die optische Abstandsmesseinrichtung ein optisches Interferometer, insbesondere einen optischen Kohärenztomographen, und die Auswerteeinrichtung ist ausgebildet, den ersten Abstand und den zweiten Abstand anhand eines von der optischen Abstandsmesseinrichtung bestimmten Abstandssignals zu bestimmen. Wie weiter oben in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurde, kann anhand eines Abstandssignals, das z.B. von einem optischen Kohärenztomographen erzeugt wird, sowohl der erste Abstand als auch der zweite Abstand bestimmt werden.In one embodiment, the optical distance measuring device forms an optical interferometer, in particular an optical coherence tomograph, and the evaluation device is designed to determine the first distance and the second distance on the basis of a distance signal determined by the optical distance measuring device. As described above in connection with the method, both the first distance and the second distance can be determined using a distance signal that is generated, for example, by an optical coherence tomograph.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Bearbeitungsvorrichtung ausgebildet, den Messstrahl im Wesentlichen koaxial zu dem thermischen Bearbeitungsstrahl durch die Optik auf das Werkstück auszurichten. Bei der Optik kann es sich im einfachsten Fall um eine Fokussierlinse handeln, die Optik kann aber auch eines oder mehrere reflektierende optische Elemente aufweisen. Da die Werkstückbearbeitung ggf. mit einem defokussierten Bearbeitungsstrahl durchgeführt werden kann, muss es sich bei der Optik nicht zwingend um eine Fokussieroptik handeln. Der Messstrahl wird bevorzugt vor der Optik z.B. mittels eines teildurchlässigen Spiegels in den Strahlengang des thermischen Bearbeitungsstrahls eingekoppelt und (im Wesentlichen) koaxial zum thermischen Bearbeitungsstrahl ausgerichtet.In a further embodiment, the processing device is designed to align the measuring beam essentially coaxially to the thermal processing beam through the optics on the workpiece. In the simplest case, the optics can be a focusing lens, but the optics can also have one or more reflective optical elements. Since the workpiece machining can, if necessary, be carried out with a defocused machining beam, the optics do not necessarily have to be focusing optics. The measuring beam is preferably coupled into the beam path of the thermal processing beam in front of the optics, e.g. by means of a partially transparent mirror, and is (essentially) aligned coaxially to the thermal processing beam.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Bearbeitungsvorrichtung ausgebildet, den thermischen Bearbeitungsstrahl gepulst zu erzeugen. Der Bearbeitungsstrahl wird von einer Strahlquelle, beispielsweise von einer Laserquelle, erzeugt, die bei dieser Ausführungsform gepulst betrieben wird. Wie in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurde, kann der erste Abstand während eines jeweiligen Pulses und der zweite Abstand während einer jeweiligen Pulspause bestimmt werden. Die Einschweißtiefe kann aber auch bestimmt werden, wenn die Strahlquelle im Dauerstrichbetrieb („continuous wave“, cw) betrieben wird, sofern bei dem Bearbeitungsprozess eine instabile Dampfkapillare erzeugt wird.In a further embodiment, the processing device is designed to generate the thermal processing beam in a pulsed manner. The machining beam is generated by a beam source, for example a laser source, which in this embodiment is operated in a pulsed manner. As has been described in connection with the method, the first distance can be determined during a respective pulse and the second distance can be determined during a respective pulse pause. The welding depth can, however, also be determined if the beam source is operated in continuous wave mode, provided that an unstable vapor capillary is generated during the machining process.

Bei einer Ausführungsform ist die Bearbeitungsvorrichtung zum schweißenden Bearbeiten des Werkstücks ausgebildet. Die Bearbeitungsvorrichtung weist zu diesem Zweck u.a. eine Strahlquelle, typischerweise eine Laserquelle, auf, die ausgebildet ist, den thermischen Bearbeitungsstrahl mit einer Leistung zu erzeugen, die ausreichend groß ist, um in dem bearbeiteten Werkstück eine Dampfkapillare zu erzeugen. Die Eindringtiefe entspricht in diesem Fall einer Einschweißtiefe der Schweißnaht, die bei dem Schweißprozess gebildet wird.In one embodiment, the machining device is designed for machining the workpiece by welding. For this purpose, the machining device has, inter alia, a beam source, typically a laser source, which is designed to generate the thermal machining beam with a power which is sufficiently large to generate a vapor capillary in the machined workpiece. In this case, the penetration depth corresponds to a welding depth of the weld seam that is formed during the welding process.

Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Bearbeitungsvorrichtung eine Steuerungseinrichtung zur Veränderung mindestens eines Parameters des Bearbeitungsprozesses in Abhängigkeit von der bestimmten Eindringtiefe auf. Bei dem Parameter kann es sich beispielsweise um die Leistung des Bearbeitungsstrahls oder die Vorschubgeschwindigkeit handeln. Auch andere Parameter des Bearbeitungsprozesses, z.B. die Brennebene, in die der thermische Bearbeitungsstrahl fokussiert wird, können in Abhängigkeit von der bestimmten Eindringtiefe verändert werden.In a further embodiment, the machining device has a control device for changing at least one parameter of the machining process as a function of the determined penetration depth. The parameter can be, for example, the power of the machining beam or the feed rate. Other parameters of the machining process, e.g. the focal plane into which the thermal machining beam is focused, can also be changed depending on the specific penetration depth.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. 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 abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.Further advantages of the invention emerge from the description and the drawing. The features mentioned above and those listed below can also be used individually or collectively in any combination. The embodiments shown and described are not to be understood as an exhaustive list, but rather have an exemplary character for describing the invention.

Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Bearbeitungsvorrichtung zur schweißenden Bearbeitung eines Werkstücks mit einem optischen Kohärenztomographen zum Bestimmen einer Eindringtiefe eines Laserstrahls in das Werkstück,
2a,b schematische Darstellungen von Abstandsmesswerten eines von dem optischen Kohärenztomographen aufgenommenen Abstandssignals beim kontinuierlichen und beim gepulsten schweißenden Bearbeiten des Werkstücks.

Show it:

1 a schematic representation of an embodiment of a machining device for the welding machining of a workpiece with an optical coherence tomograph for determining a penetration depth of a laser beam into the workpiece,
2a, b schematic representations of measured distance values of a distance signal recorded by the optical coherence tomograph during continuous and pulsed welding machining of the workpiece.

In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.In the following description of the drawings, identical reference symbols are used for identical or functionally identical components.

1 zeigt einen beispielhaften Aufbau einer Bearbeitungsvorrichtung 1 zur Bearbeitung eines Werkstücks 2, bei der es sich im gezeigten Beispiel um eine schweißende Bearbeitung handelt. Die Bearbeitungsvorrichtung 1 weist einen Bearbeitungskopf 3 auf, dem ein Bearbeitungsstrahl, im gezeigten Beispiel ein Laserstrahl 4, von einer nicht bildlich dargestellten Laserquelle zugeführt wird. Der Laserstrahl 4 wird an einer in dem Bearbeitungskopf 3 angeordneten Fokussieroptik in Form einer Fokussierlinse 5 auf das Werkstück 2 fokussiert und bildet dort eine Dampfkapillare 6 (Keyhole), in der das Material des Werkstücks 2 aufgeschmolzen und teilweise verdampft wird. Der Bearbeitungskopf 3 wird mittels einer nicht näher dargestellten Bewegungseinrichtung während des Schweißprozesses entlang einer Vorschubrichtung mit einer Vorschubgeschwindigkeit V über die Oberfläche 2a des Werkstücks 2 bewegt. Es versteht sich, dass alternativ oder zusätzlich auch das Werkstück 2 mittels einer geeigneten Bewegungseinrichtung relativ zum Bearbeitungskopf 3 bewegt werden kann. 1 shows an exemplary structure of a machining device 1 for machining a workpiece 2 , which in the example shown is a welding process. The processing device 1 has a machining head 3 on which a machining beam, in the example shown, a laser beam 4th , is supplied from a laser source not shown. The laser beam 4th is attached to one in the machining head 3 arranged focusing optics in the form of a focusing lens 5 on the workpiece 2 focuses and forms a vapor capillary there 6th (Keyhole) in which the material of the workpiece 2 is melted and partially evaporated. The processing head 3 is by means of a not shown Movement device during the welding process along a feed direction at a feed speed V over the surface 2a of the workpiece 2 emotional. It goes without saying that, as an alternative or in addition, the workpiece 2 by means of a suitable movement device relative to the machining head 3 can be moved.

Die Bearbeitungsvorrichtung 1 umfasst ein optisches Interferometer in Form eines optischen Kohärenztomographen 7, der eine nicht bildlich dargestellte Strahlquelle in Form einer Superlumineszenzdiode zur Erzeugung von Messstrahlung aufweist. Wie allgemein üblich weist der optische Kohärenztomograph 7 einen Messpfad und einen Referenzpfad auf, die in 1 nicht dargestellt sind. Das Werkstück 2 befindet sich im Messpfad des optischen Kohärenztomographen 7. Der optische Kohärenztomograph 7 ist ausgebildet, einen Messstrahl 8 auf das Werkstück 2, genauer gesagt auf eine Messposition MP am Grund 6a der Dampfkapillare 6 auszurichten bzw. zu fokussieren, welche dem tiefsten Punkt der Schweißung entspricht.The processing device 1 comprises an optical interferometer in the form of an optical coherence tomograph 7th , which has a beam source (not shown) in the form of a superluminescent diode for generating measurement radiation. As is generally the case, the optical coherence tomograph 7th a measuring path and a reference path, which in 1 are not shown. The workpiece 2 is located in the measuring path of the optical coherence tomograph 7th . The optical coherence tomograph 7th is designed to have a measuring beam 8th on the workpiece 2 , more precisely to a measuring position MP at the bottom 6a the steam capillary 6th to align or focus which corresponds to the lowest point of the weld.

Der Messtrahl 8 weist einen gewissen Messbereich entlang seiner Ausbreitungsrichtung auf, der sich durch die Interferenz bzw. die Interferenzlänge mit dem Referenzstrahl im Referenzpfad des Kohärenztomographen 7 ergibt. Es ist daher nicht zwingend erforderlich, dass der Messstrahl 8 auf den Grund 6a der Dampfkapillare 6 fokussiert wird, wie dies in 1 dargestellt ist. Es ist vielmehr ausreichend, wenn der Messstrahl 8 so auf die Dampfkapillare 6 gerichtet wird, dass sowohl der erste Abstand a₁ zum Grund 6a der Dampfkapillare 6 als auch der zweite Abstand a₂ zur Oberfläche 2a des Werkstücks 2 sich innerhalb dieses Messbereichs befinden. Die Fokusposition des Messtrahls 8 in Ausbreitungsrichtung spielt daher eine untergeordnete Rolle. Eine Fokussierung des Messstrahls 8 an eine Messposition MP in der Dampfkapillare 6, aber oberhalb des Grunds 6a der Dampfkapillare 6, z.B. im Bereich der Oberfläche 2a des Werkstücks 2 oder ggf. darüber oder darunter, ist daher ebenfalls möglich.The measuring beam 8th has a certain measuring range along its direction of propagation, which is determined by the interference or the interference length with the reference beam in the reference path of the coherence tomograph 7th results. It is therefore not absolutely necessary that the measuring beam 8th to the bottom 6a the steam capillary 6th is focused, like this in 1 is shown. Rather, it is sufficient if the measuring beam 8th so on the steam capillary 6th is directed that both the first distance a ₁ to the reason 6a the steam capillary 6th as well as the second distance a ₂ to the surface 2a of the workpiece 2 are within this measuring range. The focus position of the measuring beam 8th in the direction of propagation therefore plays a subordinate role. A focusing of the measuring beam 8th to a measuring position MP in the steam capillary 6th but above the bottom 6a the steam capillary 6th , e.g. in the area of the surface 2a of the workpiece 2 or possibly above or below, is therefore also possible.

Der Messstrahl 8 des optischen Kohärenztomographen 7 wird über einen teildurchlässigen Spiegel in den Strahlengang des Laserstrahls 4 eingekoppelt und hierbei koaxial zum Laserstrahl 4 ausgerichtet. Der Laserstrahl 4 und der Messstrahl 8 durchlaufen gemeinsam die Fokussierlinse 5 und werden von dieser auf den Grund 6a der Dampfkapillare 6, genauer gesagt auf die Messposition MP, fokussiert.The measuring beam 8th of the optical coherence tomograph 7th is inserted into the beam path of the laser beam via a partially transparent mirror 4th coupled and here coaxial to the laser beam 4th aligned. The laser beam 4th and the measuring beam 8th pass through the focusing lens together 5 and get to the bottom of this 6a the steam capillary 6th , more precisely on the measuring position MP , focused.

Wie in 1 zu erkennen ist, entspricht eine Eindringtiefe d des Laserstrahls 4 in das Werkstück 2 einem in Dickenrichtung des Werkstücks 2 gemessenen Abstand zwischen einer dem Bearbeitungskopf 3 zugewandten Oberfläche 2a des Werkstücks 2 und dem Grund 6a der Dampfkapillare 6. Für die Bestimmung der Eindringtiefe d weist die Bearbeitungsvorrichtung 1 eine Auswerteeinrichtung 10 auf, bei der es sich um eine geeignet ausgebildete Hard- und/oder Software handelt.As in 1 can be seen, corresponds to a penetration depth d of the laser beam 4th into the workpiece 2 one in the thickness direction of the workpiece 2 measured distance between the machining head 3 facing surface 2a of the workpiece 2 and the reason 6a the steam capillary 6th . To determine the penetration depth d, the machining device 1 an evaluation device 10 which is suitably trained hardware and / or software.

Der optische Kohärenztomograph 7 ist ausgebildet, ein in 2a,b gezeigtes Abstandssignal a(t) zu bestimmen bzw. aufzunehmen, das der Auswerteeinrichtung 10 zur Verfügung gestellt wird, um die Eindringtiefe d zu bestimmen.The optical coherence tomograph 7th is trained to be an in 2a, b to determine or record the distance signal a (t) shown, that of the evaluation device 10 is made available to determine the penetration depth d.

Ist die Dampfkapillare 6 geöffnet, wie dies in 1 dargestellt ist, wird von der Auswerteeinrichtung 10 aus dem Abstandssignal a(t) ein erster Abstand a₁ zwischen dem Grund der Dampfkapillare 6 und einer Referenzposition RP bestimmt. Bei der Referenzposition RP handelt es sich im gezeigten Beispiel um den Nullpunkt der Differenz der optischen Weglängen zwischen dem Referenzpfad und dem Messpfad des optischen Kohärenztomographen 7. Anhand des Messstrahls 8, der im gezeigten Beispiel auf die Messposition MP am Grund 6a der Dampfkapillare 6 ausgerichtet bzw. fokussiert ist, wird von der Auswerteeinrichtung 10 auch ein zweiter Abstand a₂ zwischen der Oberfläche 2a des Werkstücks 2 und der Referenzposition RP bestimmt.Is the steam capillary 6th open like this in 1 is shown, is from the evaluation device 10 a first distance from the distance signal a (t) a ₁ between the bottom of the steam capillary 6th and a reference position RP certainly. At the reference position RP In the example shown, it is the zero point of the difference in the optical path lengths between the reference path and the measuring path of the optical coherence tomograph 7th . Using the measuring beam 8th , which in the example shown on the measuring position MP at the bottom 6a the steam capillary 6th is aligned or focused, is from the evaluation device 10 also a second distance a ₂ between the surface 2a of the workpiece 2 and the reference position RP certainly.

Hierbei wird ausgenutzt, dass bei dem in 1 dargestellten Schweißprozess die Dampfkapillare 6 nicht dauerhaft geöffnet ist. In den Zeitintervallen, in denen die Dampfkapillare 6 geschlossen ist, kann daher von der Auswerteeinrichtung 10 anhand des Abstandssignals a(t) der zweite Abstand a₂ zwischen der Oberfläche 2a des Werkstücks 2 und der Referenzposition RP bestimmt werden, wie dies weiter unten näher beschrieben ist. Wie in 1 zu erkennen ist, entspricht die Eindringtiefe d der Differenz zwischen dem ersten Abstand a₁ und dem zweiten Abstand a₂ , d.h. es gilt: d = a₁ - a₂.This takes advantage of the fact that the in 1 shown welding process the steam capillary 6th is not open permanently. In the time intervals in which the steam capillary 6th is closed, can therefore from the evaluation device 10 the second distance based on the distance signal a (t) a ₂ between the surface 2a of the workpiece 2 and the reference position RP can be determined as described in more detail below. As in 1 can be seen, the penetration depth d corresponds to the difference between the first distance a ₁ and the second distance a ₂ , that means: d = a ₁ - a ₂ .

Sofern die Dampfkapillare 6 instabil ist, d.h. sich zu nicht vorherbekannten Zeitpunkten schließt, kann die Bestimmung der Eindringtiefe d bei einer schweißenden Bearbeitung erfolgen, bei welcher der Laserstrahl 4 kontinuierlich auf das Werkstück 2 eingestrahlt wird. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel erfolgt das schweißende Bearbeiten des Werkstücks 2 hingegen gepulst, d.h. die nicht bildlich dargestellte Laserquelle erzeugt Laserpulse 9a mit einer vorgegebenen Frequenz, die zeitlich durch Pulspausen 9b voneinander getrennt sind (vgl. die Darstellung der Leistung p der Laserquelle in 1).Unless the steam capillary 6th is unstable, ie closes at times not previously known, the determination of the penetration depth d can be carried out during a welding process in which the laser beam is used 4th continuously on the workpiece 2 is irradiated. The in 1 In the example shown, the workpiece is processed by welding 2 however, pulsed, ie the laser source not shown in the figure generates laser pulses 9a with a given frequency that is timed by pauses between pulses 9b are separated from each other (see the representation of the power p of the laser source in 1 ).

Bei der gepulsten Bearbeitung ist während der Dauer eines jeweiligen Pulses 9a die Dampfkapillare 6 in dem Werkstück 2 geöffnet und während einer jeweiligen Pulspause 9b geschlossen. Entsprechend kann der erste Abstand a₁ zum Grund 6a der Dampfkapillare 6 während eines jeweiligen Pulses 9a und der zweite Abstand a₂ zur Oberseite 2a des Werkstücks 2 während einer jeweiligen Pulspause 9b bestimmt werden.In the case of pulsed processing, the duration of a respective pulse 9a the steam capillary 6th in the workpiece 2 opened and during a respective pulse pause 9b closed. The first distance can accordingly a ₁ to the reason 6a the steam capillary 6th during a given pulse 9a and the second distance a ₂ to the top 2a of Workpiece 2 during a respective pulse pause 9b to be determined.

In beiden Fällen, d.h. sowohl beim kontinuierlichen Betrieb als auch beim gepulsten Betrieb der Laserquelle bzw. der Bearbeitungsvorrichtung 1 kann eine Steuerungseinrichtung 11, die mit der Auswerteeinrichtung 10 in signaltechnischer Verbindung steht, in Abhängigkeit von der auf die weiter oben beschriebene Weise bestimmten Eindringtiefe d mindestens einen Parameter des Schweißprozesses einstellen bzw. verändern. Bei dem Parameter kann es sich beispielsweise um die Leistung P der Laserquelle oder die Vorschubgeschwindigkeit V handeln. Auch andere Parameter, z.B. der Abstand zwischen der Brennebene, in welcher sich die Messposition MP befindet, und der Fokussierlinse 5, kann ggf. mit Hilfe der Steuerungseinrichtung 11 geeignet verändert werden, um den Schweißprozess bzw. das Schweißergebnis zu optimieren. Insbesondere kann die Steuerungseinrichtung 11 ausgebildet sein, die auf die weiter oben beschriebene Weise bestimmte Eindringtiefe d als Ist-Wert für eine Regelung der Eindringtiefe d auf einen vorgegebenen Soll-Wert zu verwenden.In both cases, ie both in continuous operation and in pulsed operation of the laser source or the processing device 1 can be a control device 11th with the evaluation device 10 is in signaling connection, set or change at least one parameter of the welding process as a function of the penetration depth d determined in the manner described above. The parameter can be the power P of the laser source or the feed rate V, for example. Also other parameters, for example the distance between the focal plane in which the measuring position is located MP and the focusing lens 5 , can if necessary with the help of the control device 11th can be changed appropriately in order to optimize the welding process or the welding result. In particular, the control device 11th be designed to use the penetration depth d determined in the manner described above as the actual value for regulating the penetration depth d to a predetermined target value.

2a zeigt ein beim kontinuierlichen Betrieb der Bearbeitungsvorrichtung 1 und 2b ein beim gepulsten Betrieb der Bearbeitungsvorrichtung 1 von dem optischen Kohärenztomographen 7 aufgenommenes Abstandssignal a(t). In 2a,b sind dabei die von dem optischen Kohärenztomographen 7 sowohl bei geschlossener als auch bei geöffneter Dampfkapillare 6 aufgenommenen Abstandsmesswerte (Messpunkte) dargestellt. Wie in 2a,b zu erkennen ist, liegen die Abstandsmesswerte des Abstandsmesssignals a(t) - abgesehen von auf Störsignale zurückzuführenden Messwerten - in einer Bandbreite zwischen einem Tiefen-Profil, welches den größten Abstandsmesswerten des Abstandsignals a(t) bzw. dem (momentanen) ersten Abstand a₁ entspricht und einem Oberflächen-Profil, welches den kleinsten Abstandsmesswerten des Abstandsmesssignals a(t) bzw. dem (momentanen) zweiten Abstand a₂ entspricht. 2a shows a during continuous operation of the processing device 1 and 2 B one in the pulsed operation of the processing device 1 from the optical coherence tomograph 7th recorded distance signal a (t). In 2a, b are those from the optical coherence tomograph 7th both when the steam capillary is closed and when it is open 6th recorded distance measured values (measuring points) are shown. As in 2a, b As can be seen, the distance measurement values of the distance measurement signal a (t) - apart from measurement values attributable to interfering signals - lie in a bandwidth between a depth profile, which has the greatest distance measurement values of the distance signal a (t) and the (current) first distance a ₁ and a surface profile which corresponds to the smallest measured distance values of the distance measurement signal a (t) or the (instantaneous) second distance a ₂ is equivalent to.

Die Differenz zwischen dem in 2a,b gezeigten Tiefen-Profil und dem Oberflächen-Profil entspricht dem zeitlichen Verlauf der Eindringtiefe d während des Schweißprozesses. Die Bestimmung des Tiefen-Profils und des Oberflächen-Profils aus den Abstandsmesswerten des Abstandssignals a(t) kann mit Hilfe von geeigneten Algorithmen, z.B. Filterfunktionen und/oder einer geeigneten Mittelwertbildung erfolgen, die von der Auswerteeinrichtung 10 ausgeführt werden. Hierbei kann auf für die Auswertung des Abstandssignals a(t) von optischen Kohärenztomographen bekannte Algorithmen bzw. Funktionen zurückgegriffen werden.The difference between the in 2a, b Depth profile shown and the surface profile corresponds to the time course of the penetration depth d during the welding process. The determination of the depth profile and the surface profile from the measured distance values of the distance signal a (t) can be carried out with the aid of suitable algorithms, for example filter functions and / or suitable averaging, which are provided by the evaluation device 10 are executed. Here, known algorithms or functions can be used for evaluating the distance signal a (t) from optical coherence tomographs.

Bei der weiter oben beschriebenen Bestimmung der Eindringtiefe d des Laserstrahls 4 in das Werkstück 2 wird ausgenutzt, dass die Dampfkapillare 6 nicht dauerhaft geöffnet ist, so dass ein einzelner, auf den Grund 6a der Dampfkapillare 6 fokussierter Messstrahl 8 zur Bestimmung der Eindringtiefe d ausreichend ist. Bei dieser Art der Bestimmung der Eindringtiefe d kann ausgenutzt werden, dass der (zweite) Abstand a₂ zur Oberfläche 2a genau an der Stelle bestimmt wird, an der sich die Schweißnaht befindet, d.h. unmittelbar an der Oberseite der (in diesem Fall geschlossenen) Dampfkapillare 6. An Kurven oder Ecken der Schweißnaht tritt daher keine Abweichung zwischen dem gemessenen ersten Abstand a₁ zum Grund 6a der Dampfkapillare 6 und dem gemessenen zweiten Abstand a₂ zur Oberfläche 2a des Werkstücks 2 auf.In the determination of the penetration depth d of the laser beam described above 4th into the workpiece 2 takes advantage of the fact that the steam capillary 6th not permanently open, leaving a single, to the bottom 6a the steam capillary 6th focused measuring beam 8th to determine the penetration depth d is sufficient. With this type of determination of the penetration depth d, use can be made of the (second) distance a ₂ to the surface 2a is determined exactly at the point at which the weld is located, ie directly on the top of the (in this case closed) vapor capillary 6th . There is therefore no discrepancy between the measured first distance at curves or corners of the weld seam a ₁ to the reason 6a the steam capillary 6th and the measured second distance a ₂ to the surface 2a of the workpiece 2 on.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102013015656 B4 [0003]
US 8735768 B2 [0005]
DE 102012015656 B4 [0013]

Claims

Method for determining a penetration depth (d) of a thermal processing beam (4), in particular a laser beam, into a workpiece (2) when processing the workpiece (2) with the thermal processing beam (4), comprising: aligning the thermal processing beam (4) onto the workpiece (2) to form a steam capillary (6) in the workpiece (2), aligning a measuring beam (8) to a measuring position (MP) in the steam capillary (6), in particular on the base (6a) of the steam capillary (6) , for determining a first distance (a ₁ ) between the base (6a) of the vapor capillary (6) and a reference position (RP), determining a second distance (a ₂ ) between a surface (2a) of the workpiece (2) and the reference position (RP), as well as determining the penetration depth (d) on the basis of the first distance (a ₁ ) and the second distance (a ₂ ), characterized in that the steam capillary (6) is not permanently open when machining the workpiece (2), and that the second distance (a ₂ ) is determined with the vapor capillary (6) not open on the basis of the measuring beam (8) aimed at the measuring position (MP).

Procedure according to Claim 1 , in which the measuring beam (8) is generated by an optical distance measuring device, preferably by an optical interferometer, in particular by an optical coherence tomograph (7), and in which the first distance (a ₁ ) and the second distance (a ₂ ) are based a distance signal (a (t)) determined by the optical distance measuring device can be determined.

Procedure according to Claim 2 , in which the determination of the first distance (a ₁ ) takes place on the basis of the largest measured distance values of the distance signal (a (t)) and / or in which the determination of the second distance (a ₂ ) on the basis of the smallest measured distance values of the distance signal (a (t) ) he follows.

Method according to one of the preceding claims, in which the measuring beam (8) is aligned on the workpiece (2) essentially coaxially to the thermal processing beam (4).

Method according to one of the preceding claims, in which the machining of the workpiece (2) with the thermal machining beam (4) takes place in a pulsed manner, the first distance (a ₁ ) during a respective pulse (9a) and the second distance (a ₂ ) during a respective pulse pause (9b) is determined.

Method according to one of the preceding claims, in which the workpiece (2) is machined by welding.

Method according to one of the preceding claims, in which at least one parameter (p) of the thermal processing of the workpiece (2) is changed as a function of the determined penetration depth (d).

Processing device (1) for processing a workpiece (2) with a thermal processing beam (4), in particular with a laser beam, comprising: optics (5) for aligning, in particular for focusing, the thermal processing beam (4) on the workpiece (2) to form a vapor capillary (6) in the workpiece (2), an optical distance measuring device (7), which is designed, a measuring beam (8) to a measuring position (MP) in the vapor capillary (6), in particular on the base (6a) of the Align the steam capillary (6), and an evaluation device (10) for determining a penetration depth (d) of the thermal machining beam (4) into the workpiece (2) on the basis of a first distance (a ₁ ) between the base (6a) of the steam capillary (6) ) and a reference position (RP) and on the basis of a second distance (a ₂ ) between the surface (2a) of the workpiece (2) and the reference position (RP), characterized in that the evaluation device (10) is designed, the second Determine the distance (a ₂ ) when the steam capillary (6) is not open using the measuring beam (8) aligned with the measuring position (MP).

Processing device according to Claim 8 , in which the optical distance measuring device forms an optical interferometer, in particular an optical coherence tomograph (7), and in which the evaluation device (10) is designed, the first distance (a ₁ ) and the second distance (a ₂ ) based on one of the optical distance measuring device detected distance signal (a (t)) to determine.

Processing device according to one of the Claims 8 or 9 which is designed to align the measuring beam (8) essentially coaxially to the thermal processing beam (4) through the optics (5) on the workpiece (2).

Processing device according to one of the Claims 8 until 10 , which is designed to generate the thermal processing beam (4) in a pulsed manner.

Processing device according to one of the Claims 8 until 11th , which is designed for the welding machining of the workpiece (2).

Processing device according to one of the Claims 8 until 12th which has a control device (11) for controlling at least one parameter (p) of the machining process as a function of the specific penetration depth (d).