專利名稱：用于在材料加工時監(jiān)測過程的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于監(jiān)測工件的加工區(qū)域的方法，在該工件上進行激 光加工，在該方法中，由加工區(qū)域發(fā)射的輻射通過一個探測系統(tǒng)以局部解
析(ortsaufgel6st)的方式檢測；本發(fā)明還涉及一種用于監(jiān)測工件的激光加 工的裝置，該裝置具有一個濾波裝置和一個探測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在激光加工方法中通常期望并且也必需的是，確定加工時預給定加工 區(qū)域內(nèi)部的溫度，以便例如可得出加工時分別需遵守的質(zhì)量、確定的加工 區(qū)域的遵守、用于該加工的調(diào)節(jié)裝置的推論。
因為在加工期間，相應(yīng)加工區(qū)域的不同位置上的溫度根據(jù)一些參數(shù)(例 如在加工時使用的相應(yīng)激光器功率、激光射束的掃描速度和/或掃描方向和 當時待加工的工件)在時間上并且局部地改變，所以期望加工區(qū)域內(nèi)部溫 度的局部解析的確定。
公知的系統(tǒng)利用單個的光電二極管或者CCD/CMOS攝像機測量和評 判焊接過程。在此，以簡單的輻射強度測量的形式檢測紅外線輻射。在該 輻射測量時，主要使絕對溫度、發(fā)射系數(shù)、測量區(qū)的照明等疊加。此外， 輻射強度測量與光學裝置的污染、觀察光路中的煙霧和等離子體等密切相 關(guān)。所以，通過強度測量參數(shù)來評判過程是不精確的。
由DE 10 2004 051 876 Al中公開了一種用于以局部解析的方式測量溫 度的裝置，其中，工件的一個可預給定的加工區(qū)域可在一個以局部解析方 式進行測量的光學探測器上成像并且在加工區(qū)域與該光學探測器之間的光 路中設(shè)置有至少一個截止一個或多個激光加工束的電磁輻射的光學濾波 器0

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是，提供一種方法和一種裝置，借助于它們可實現(xiàn)改善 的質(zhì)量監(jiān)測。
所述任務(wù)通過本文開頭所述類型的方法解決，在該方法中，對于加工 區(qū)域的每個成像在探測系統(tǒng)上的面單元而言，加工區(qū)域的輻射同時在至少 兩個波長的情況下被檢測。對于兩個波長獲得的信息可以被分析并且彼此 被聯(lián)系在一起。在本發(fā)明的意義上，加工區(qū)域包括蒸汽毛細部分、該蒸汽 毛細部分的熔體膜表面、周圍的在激光焊接時出現(xiàn)的熔池、熔池尾跡
(Schmelzbadnachlauf)、凝固的材料和周圍的熱影響區(qū)。通過合適的分析可 以在熔池尾跡、凝固的熔體和熱影響區(qū)中進行溫度梯度的計算。由此可以 例如表征輸出到工件中的熱。此外，可以識別內(nèi)部的焊縫缺陷、例如熔合 缺陷。也可以確定材料影響、例如硬化。此外，也可能的是，根據(jù)熔融液 態(tài)/固態(tài)的相過渡求得實際的熔池尺寸。最后，可以表征輸入耦合到材料中 的能量并且從而可以推斷內(nèi)部的焊縫特征、例如焊入深度的波動、搭接接 頭上的熔合缺陷等。因此該方法適合于監(jiān)測過程并且特別是適合于監(jiān)測加 工過程的和產(chǎn)生的焊縫的質(zhì)量。
在特別優(yōu)選的方法變型方案中提出，對于每個由探測系統(tǒng)檢測到的面 單元而言，由檢測到的輻射求得一個溫度、特別是絕對溫度和/或一個發(fā)射 系數(shù)。可通過本身公知的比例輻射高溫測量學方法和/或通過電磁輻射與物 理輻射定律的分析適配由所述以至少兩個波長被測量的輻射來求得絕對溫 度和發(fā)射系數(shù)。為此，工件上每個被檢測到的面單元的輻射借助于分析分 離轉(zhuǎn)換為一個絕對溫度和一個發(fā)射系數(shù)。由此產(chǎn)生一個由蒸汽毛細部分的、 該蒸汽毛細部分的熔體膜表面的、包圍所述蒸汽毛細部分的熔體的、熔池 尾跡的、凝固的材料的和具有熔融液態(tài)/固態(tài)的相過渡的附加的單義的信息 的熱影響區(qū)的溫度值構(gòu)成的圖像。
特別優(yōu)選的是，在考慮溫度、特別是絕對溫度和/或發(fā)射系數(shù)的情況下 進行質(zhì)量評估。本發(fā)明的方法比公知的方法更精確。例如可以更精確地分 析一個熔融液態(tài)的、在其上已經(jīng)形成一層氧化物層的區(qū)域。在該區(qū)域中， 由于氧化物層而存在與熔體相比較高的發(fā)射系數(shù)，其中，具有氧化物層和不具有氧化物層的兩個區(qū)域具有類似的溫度。在公知的方法中，這種區(qū)域 被錯誤地檢測為凝固的熔體，因為熔融液態(tài)/固態(tài)的相過渡的分析基于通過 不同的發(fā)射率引起的輻射強度改變。通過分開地分析溫度和發(fā)射系數(shù)，在 一個這樣的部位上出現(xiàn)發(fā)射系數(shù)的躍變，但僅出現(xiàn)絕對溫度的輕微改變。 熔融液態(tài)相的輪廓和大小可通過以下方式求得即確定如下區(qū)域，在所述 區(qū)域中，絕對溫度低于材料的熔點。此外，平衡了如下效應(yīng)即溫度和發(fā) 射系數(shù)可相互反作用。低發(fā)射系數(shù)情況下的高絕對溫度錯誤地導致較低的 輻射強度測量值或者在攝像機圖像中導致露天熔池的顯示與固態(tài)材料相比 較暗。由此，在公知的簡單的輻射強度測量中錯誤地求得一個與凝固的或 者說固態(tài)的材料相比較低的熔池測量溫度。
除了實際的熔融液態(tài)個態(tài)相過渡的探測之外，絕對溫度同樣對于凝固 了的材料和熱影響區(qū)提供改善的評判可能性。在此，可求得具有精度較高 的、時間上的和域地點上的溫度梯度并且對于焊接連接的質(zhì)量結(jié)論提出證 明。
在一個有利的方法變型方案中可以提出，將由加工區(qū)域發(fā)射的輻射分 為多個單光路并且對這些單光路進行濾波。由此可能的是，以不同的波長 對由面單元發(fā)射出的輻射進行檢測和分析。被發(fā)射的輻射的分配可以例如 借助分光鏡進行。作為替代方案，所述輻射也可以輸入耦合到配置給不同 面單元的纖維光學裝置中，在所述纖維光學裝置的端部上進行所述輻射的 波長選擇性檢測。
如果對于每個面單元都實施一個用于至少兩個波長的光學濾波，則能 夠以特別簡單的方式方法以至少兩個波長檢測由一個面單元發(fā)射的輻射。
如果產(chǎn)生加工區(qū)域的多個與波長相關(guān)的圖像，則得到本發(fā)明的另外的 優(yōu)點。由這些熱像的過程圖像可以求得實際的溫度圖像和發(fā)射系數(shù)圖像。 由此，能夠通過簡單的方式方法以圖形顯示和分析處理加工區(qū)域中的溫度 分布和加工區(qū)域中的發(fā)射系數(shù)分布。
此外， 一種本文開頭所述類型的裝置也落在本發(fā)明的范圍內(nèi)，其中， 對每個被成像的面單元配置至少兩個傳感元件，對這些傳感元件分別配置 一個光學濾波器，并且其中，這些濾波器對被發(fā)射的所述輻射以不同的波長進行濾波。在此，可對多個傳感元件——用于不同的面單元——配置相 同的濾波器。但是，每個傳感元件也可以具有一個自己的濾波器。這種裝 置適合于實施本發(fā)明的方法，由此可得到關(guān)于所述方法提及到的優(yōu)點。優(yōu) 選本發(fā)明的裝置與一個激光焊接裝置形成一個單元。由此可能的是，可以 與激光材料加工同時實施分析和質(zhì)量監(jiān)測。在此，可以容忍過程監(jiān)測與焊 接過程的較短的、時間上的或地點上的間距。
為了能夠?qū)嵤┧鲆圆煌牟ㄩL被吸收的輻射的分析，有利的是，設(shè) 置一個用于對每個面單元確定溫度和/或發(fā)射系數(shù)的分析處理裝置。
在一個優(yōu)選的實施形式中可以在光路中設(shè)置分光器。由加工區(qū)域發(fā)射 出的輻射可通過該分光器分為多個單光路并且在選擇性的窄帶光譜范圍中 通過成像光學裝置成像在一個合適的探測系統(tǒng)上。在此，特別是可以在一 個探測器上產(chǎn)生多個圖像。根據(jù)這些熱像的過程圖像可以計算溫度圖像和 發(fā)射系數(shù)的圖像。
例如可以設(shè)置陣列-攝像機作為探測系統(tǒng)。優(yōu)選該陣列-攝像機具有適合 于待測量的溫度輻射的、即足夠高的光譜敏感性。作為替代方案，也可以 設(shè)置多個單個的攝像機、尤其是陣列-攝像機作為探測系統(tǒng)，其中，在每個 單攝像機上成像一個單個的、選擇性的光譜范圍。所述或者至少一個陣列-攝像機可以由不同的半導體材料制成。
用于從可見光譜范圍經(jīng)過近紅外光譜范圍一直到遠紅外光譜范圍的輻
射范圍的探測器適合于作為攝像機。例如CCD、 CMOS-和^UnGaAs攝像 機適合于作為探測系統(tǒng)的攝像機，其中，該列舉絕不是窮舉的并且可以使 用其他類型的攝像機。當使用單攝像機時，也可以組合多個不同的攝像機。 例如可以對于不同的待測量光譜范圍使用具有不同光譜敏感性的不同攝像 機。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選構(gòu)型中可以提出，探測系統(tǒng)包括多個光電二極管 裝置。在此，這些光電二極管裝置可以包括一個或多個光電二極管。這些 光電二極管裝置可以被構(gòu)造為窄帶光譜的單二極管或多二極管，以便對于 加工區(qū)域中的每個面單元同時探測相應(yīng)的輻射份額。這些多二極管或單二 極管可以由不同的半導體材料構(gòu)成。在一個有利的實施形式中，可以在光路中在光電二極管裝置前面設(shè)置 一些纖維光學裝置和/或成像光學裝置。通過這些光電二極管裝置可以形成 一個傳感器陣列。在此，這些光電二極管或者纖維光學裝置或工件面單元 的圖像可以具有彼此任意的布置。
通過濾波裝置能夠以至少兩個波長對每個被檢測到的面單元的輻射進 行濾波，使得由每個面單元產(chǎn)生兩個具有不同光譜輻射信息的圖像點。該 濾波裝置可以集成在攝像機陣列中、在單個傳感元件前面設(shè)置在陣列表面 上或者設(shè)置在分光器與探測系統(tǒng)之間。此外，該濾波裝置可以集成在分光 鏡中或者設(shè)置在分光器上或集成在該分光器中。
此外可以考慮的是，濾波裝置包括棋盤圖案、條紋圖案或者設(shè)置有一 些光學的單濾波元件。特別是可以根據(jù)所使用的探測系統(tǒng)或所需的局部溫 度測量范圍來合適地選擇濾波裝置。也就是說，濾波裝置的濾波器的波長 可以適配于待測量的溫度范圍。較大的濾波器優(yōu)選與陣列-攝像機結(jié)合使用。 整個加工區(qū)域的輻射可以通過一個分光器光譜中性地或光譜選擇性地分為 多個光路。在此，將每個光路配置給一個波長濾波器，該波長濾波器位于 在陣列裝置前面或在陣列裝置上的分光器后面。作為替代方案，該光學濾 波器也可以已經(jīng)安置在分光器上或分光鏡上。由此，整個加工區(qū)域的輻射 被過濾。如果使用單個二極管，則可以對每個二極管并且從而對加工區(qū)域 的每個面單元配置一個小的濾波元件，由此，僅僅是由一個面單元發(fā)射出 的輻射通過濾波元件過濾。
該測量裝置可以用一個基準輻射源校準。在此，優(yōu)選使用一個黑色輻 射器，該輻射器在其基準輻射面上具有均勻的溫度以及均勻的溫度分布。 所述基準輻射通過所使用的設(shè)備/光學裝置首先成像在探測器上并且接著進 行每個陣列元件/探測元件的校準。
由下面按照附圖對本發(fā)明實施例的說明中以及由權(quán)利要求中得出本發(fā) 明的其他特征和優(yōu)點，附圖中示出對于本發(fā)明重要的細節(jié)。各個特征可以 本身單個地或者多個地以任意的組合在本發(fā)明的變型方案中實現(xiàn)。


附圖中示出本發(fā)明的優(yōu)選實施例，下面參照附圖詳細解釋這些實施例。 圖中示出-
圖1是用于對激光加工裝置進行質(zhì)量監(jiān)測的第一裝置的第一示意圖； 圖2是用于對激光加工裝置進行質(zhì)量監(jiān)測的第二裝置的第二示意圖。
具體實施例方式
在圖1中示出一個用激光束48加工的工件10。在工件10的加工區(qū)域 11中形成一個熔池12，該熔池發(fā)射電磁輻射13。該電磁輻射13通過一個 聚焦光學裝置14到達分光鏡15并且到達可構(gòu)造為棱鏡的分光器16。
分光鏡15如圖1和2所示地可對于激光輻射48高透射地并且對于用 于熱成像(Thermographie)的波長范圍反射地構(gòu)成。另外的變型方案也是 可能的，例如這樣設(shè)置即分光鏡15對于激光輻射高反射地并且對于用于 熱成像的波長范圍高透射地構(gòu)成。
通過分光器16將電磁輻射13分為多個光路17、 18。這些光路17、 18 分別通過一個構(gòu)造為聚焦光學裝置的成像光學裝置19、 20和一個濾波裝置 21到達一個構(gòu)造為陣列-攝像機的探測系統(tǒng)22。聚焦光學裝置可以包括一個 透鏡和/或一個反光鏡。成像光學裝置19、 20被這樣構(gòu)成，使得成像失真通 過色像差來補償。此外，特別是為了軸向和橫向定位，這些光學裝置19、 20可被構(gòu)造得可共同地沿射束方向以及沿橫向移動并且也可彼此相對調(diào) 整。
濾波裝置21包括一個用于對第一波長進行濾波的第一濾波器23和一 個用于對第二波長進行濾波的第二濾波器24。由此，通過濾波進行光譜選 擇并且在探測系統(tǒng)22上出現(xiàn)加工區(qū)域11的兩個不同的輻射圖像25、 26。 由這些輻射圖像25、 26可通過分析方法對于加工區(qū)域11的每個面單元求 得一個絕對溫度和一個發(fā)射系數(shù)。所述分析在一個分析處理裝置30中執(zhí)行。 所述絕對溫度和/或發(fā)射系數(shù)又說明了加工過程的質(zhì)量。
如圖l和2所證明的， 一個包括毛細部分、熔池、凝固的熔體和熱影 響區(qū)的加工區(qū)域11被分為多個面單元35。按照圖2，由面單元35發(fā)射的 輻射通過一個聚焦光學裝置14到達一個分光鏡15。在電磁輻射13的光路中設(shè)置一個成像光學裝置36，該成像光學裝置將每個單個面單元35的輻射 輸入耦合到纖維光學裝置37、 38中，這些纖維光學裝置在一端通過一個保 持架50保持。所述輻射通過這些纖維光學裝置37、 38到達濾波元件39-42， 其中，對每個面單元35并且從而對每個纖維光學裝置37、 38配置兩個濾 波元件39-42。通過濾波元件39-42濾波的輻射通過構(gòu)造為光電二極管裝置 47的光電二極管43-46的傳感元件檢測。由此，對于每個面單元35又產(chǎn)生 不同的光譜選擇性輻射測量點，這些輻射測量點可以通過一個分析處理單 元30來分析。特別是可對于每個面單元35求得一個溫度和/或一個發(fā)射系 數(shù)。被分析的面單元35的數(shù)量通過傳感元件的數(shù)量確定。光電二極管裝置 47構(gòu)成傳感系統(tǒng)。
光纖37或被成像的圖像點35可以作為陣列或者彼此間以任何其他任 意的布置(圓、線、十字等)在工件上成像。
權(quán)利要求
1、一種用于監(jiān)測工件(10)的加工區(qū)域(11)的方法，在該工件上進行激光加工，在該方法中，由加工區(qū)域(11)發(fā)射的輻射通過一個探測系統(tǒng)(22)以局部解析的方式檢測，其特征在于，對于加工區(qū)域(11)的每個成像在探測系統(tǒng)(22)上的面單元(35)而言，該加工區(qū)域(11)的輻射同時以至少兩個波長被檢測。
2、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，對于每個由探測系統(tǒng)(22) 檢測到的面單元(35)而言，由檢測到的輻射求得一個溫度和/或一個發(fā)射 系數(shù)。
3、 如上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，在考慮所述溫度和 /或所述發(fā)射系數(shù)的情況下進行質(zhì)量評估。
4、 如上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，將由加工區(qū)域(11) 發(fā)射的輻射分為多個單光路(17， 18)并且對這些單光路(17， 18)進行
5、 如上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，對于每個面單元(35) 進行用于至少兩個波長的光學濾波。
6、 如上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，產(chǎn)生加工區(qū)域的多 個與波長相關(guān)的圖像(25， 26)。
7、 一種用于監(jiān)測工件(10)的激光加工的裝置，其具有一個濾波裝置 (21)和一個探測系統(tǒng)(22)，其特征在于，對每個被成像的面單元(35) 配置至少兩個傳感元件，對這些傳感元件分別配置一個光學濾波器(23，,24， 39-42)，其中，這些濾波器(23， 24， 39-42)對被發(fā)射的所述輻射以 不同的波長進行濾波。
8、 如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，設(shè)置有一個用于確定每個 面單元(35)的溫度值和發(fā)射系數(shù)的分析處理裝置(30)。
9、 如上述權(quán)利要求7或8之一所述的裝置，其特征在于，在光路中設(shè) 置一個分光器(16)。
10、 如上述權(quán)利要求7至9之一所述的裝置，其特征在于，設(shè)置陣列-攝像機作為探測系統(tǒng)(22)。
11、 如上述權(quán)利要求7至10之一所述的裝置，其特征在于，設(shè)置多個 單個的攝像機、特別是陣列-攝像機作為探測系統(tǒng)(22)。
12、 如權(quán)利要求10或11所述的裝置，其特征在于，所述或至少一個 陣列-攝像機由不同的半導體材料制成。
13、 如上述權(quán)利要求7至12之一所述的裝置，其特征在于，所述探測 系統(tǒng)包括多個光電二極管裝置(47)。
14、 如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，這些光電二極管裝置(47) 包括一個或多個光電二極管(39-42)。
15、 如權(quán)利要求13或14所述的裝置，其特征在于，在光路中在光電 二極管裝置(39-42)前面設(shè)置一些纖維光學裝置(37， 38)和/或成像光學 裝置(36)。
16、 如上述權(quán)利要求7至15之一所述的裝置，其特征在于，這些光電二極管(39-42)或纖維光學裝置(37)或者面單元(35)的成像作為陣列 設(shè)置或者彼此間以其他任意的幾何形式設(shè)置。
17、 如上述權(quán)利要求13至16之一所述的裝置，其特征在于，這些光 電二極管(39-42)由不同的半導體材料制成。
18、 如上述權(quán)利要求7至17之一所述的裝置，其特征在于，所述濾波 裝置(21)集成在攝像機陣列中、設(shè)置在單個傳感元件前面的陣列表面上 或者設(shè)置在分光器(16)與探測系統(tǒng)(22)之間。
19、 如上述權(quán)利要求7至18之一所述的裝置，其特征在于，所述濾波 裝置(21)集成在分光鏡(15)中或者安置在分光器(16)上或集成在該 分光器中。
20、 如上述權(quán)利要求7至19之一所述的裝置，其特征在于，所述濾波 裝置(21)包括棋盤形圖案、條紋形圖案或者一些光學的單濾波元件的設(shè) 置。
21、 如上述權(quán)利要求7至20之一所述的裝置，其特征在于，所述濾波 裝置(21)的濾波器的波長適配于待測量的溫度范圍。
22、 如上述權(quán)利要求7至21之一所述的裝置，其特征在于，所述濾波 裝置(21)的濾波器的波長適配于待測量的測量點。
23、 如上述權(quán)利要求7至22之一所述的裝置，其特征在于，所述成像 光學裝置(19， 20)為了補償色像差、特別是為了軸向和橫向定位而彼此 相對可調(diào)整地構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于監(jiān)測工件(10)的加工區(qū)域(11)的方法，在該工件上進行激光加工，在該方法中，由加工區(qū)域(11)發(fā)射的輻射通過一個探測系統(tǒng)(22)以局部解析的方式檢測，其特征在于，對于加工區(qū)域(11)的每個在探測系統(tǒng)(22)上成像的面單元(35)而言，加工區(qū)域(11)的輻射同時以至少兩個波長被檢測。由此可進行精確的過程監(jiān)測。
文檔編號G01J5/60GK101553339SQ200680056285
公開日2009年10月7日 申請日期2006年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月4日
發(fā)明者D·普菲茨納, T·埃斯, W·馬格 申請人:通快機床兩合公司