測量激光束到工件中的透入深度的方法及激光加工設備的制造方法

測量激光束到工件中的透入深度的方法及激光加工設備的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于測量激光束(19)到工件(24、26)中的透入深度的方法，在所述方法中，借助于布置在加工頭中的聚焦光學裝置(14)將激光束聚焦在焦點(22)中。所述焦點在此在工件中產生蒸汽毛細管(88)。光學相干層析成像儀(40)產生第一測量束(70a)和第二測量束(70b)。將第一測量束(70a)對準蒸汽毛細管(88)的底部上的第一測量點(MPa)，以便由此測量在參考點與第一測量點(MPa)之間的第一距離(a1)。同時將第二測量束(70b)對準工件(24)的朝向加工頭(14)的、位于蒸汽毛細管(88)之外的表面(92)上的第二測量點(MPb)，以便由此測量在參考點與第二測量點(MPb)之間的第二距離(a2)。激光束的透入深度(d)則作為在第二距離(a2)與第一距離(a1)之間的差而得到。
【專利說明】
測量激光束到工件中的透入深度的方法及激光加工設備
技術領域
[0001]本發明涉及一種用于測量激光束到工件中的透入深度的方法以及一種激光加工設備，利用所述激光加工設備可以對工件進行焊接、切割、鉆孔或以其它方式進行加工。
【背景技術】
[0002]激光加工設備通常包括激光輻射源，該激光輻射源例如可以是光纖激光器或盤形激光器。激光加工設備還包括:加工頭和射束輸送裝置，該加工頭將由激光輻射源產生的激光束聚焦在焦點中，該射束輸送裝置將激光束輸送給加工頭。射束輸送裝置在此可以包括光纖或其它光導體和/或一個或多個具有平坦的或拱曲的面的偏轉反射鏡。加工頭可以固定在可運動的機器人臂或其它能夠實現在所有三個空間方向上定位的移動裝置上。激光輻射源在此通常遠離于加工頭或承載該加工頭的移動裝置來布置。
[0003]在使用激光加工設備時一個迄今為止還未令人滿意地解決的問題在于，將激光束的透入深度盡可能精確地保持在期望的給定值。將由激光束在工件中產生的蒸汽毛細管的軸向伸展稱為透入深度。僅當透入深度取其給定值時才能夠獲得期望的加工結果。如果例如在焊接兩個金屬板時透入深度過小，則兩個金屬板沒有焊接或僅不完全地焊接。而過大的透入深度可能導致焊透。
[0004]透入深度的不期望的波動可以由于不同的原因而產生。因此例如在激光加工的過程中，保護加工頭中的光學元件以免飛濺物和其它污染物的保護片吸收激光輻射的越來越多的部分，由此透入深度減小。工件中的不均勻性或移動速度的波動可能導致透入深度局部地變化并由此與其給定值存在偏差。
[0005]迄今為止不存在能夠在激光加工期間可靠地測量激光束的透入深度的方法。與這種情況相關聯的是，在蒸汽毛細管內部存在著非常難的測量條件。蒸汽毛細管不僅非常小并由于熱量的原因而發出極其明亮的光，而且在加工期間通常也持續地改變其形狀。
[0006]因此通常間接地從對其它與蒸汽毛細管相關聯的參數、例如其亮度的觀測來推斷出其軸向伸展。將透入深度的這種與其說是測量的不如說是估計的值與給定值進行比較。在調節回路中于是這樣改變加工激光器的功率，使得透入深度接近其給定值。
[0007]為了在激光加工期間測量距離，在前不久提出使用光學相干層析成像儀(英文:Optical Coherence Tomograph，OCT)，特別是參閱文獻EP I 977 850 AUDE 10 2010 016862 B3和US 2012/0138586。光學相干層析成像儀即使在由于熱量的原因而發出非常明亮的光的蒸汽毛細管附近也能夠實現高度精確且無接觸的光學距離測量，該蒸汽毛細管在工件中由激光束在焦點周圍產生。如果測量束以掃描儀方式經過表面，則甚至能夠檢測所掃描的表面的3D輪廓。如果測量束對準到蒸汽毛細管中，則原則上也可以測量所述蒸汽毛細管的軸向伸展，如在文獻US 2012/0285936 Al中描述的那樣。
[0008]OCT測量束在激光加工期間以掃描儀方式經過工件的待加工的表面，然而利用該OCT測量束僅能在激光加工期間以不令人滿意的精度測量透入深度。通過改變激光器功率調節透入深度也伴隨著這種情況。

【發明內容】

[0009]本發明的目的是，提出一種方法，利用該方法可以更精確地測量激光束在工件中的透入深度。
[0010]根據本發明，該目的通過一種具有以下步驟的方法來實現:
[0011]a)借助于布置在加工頭中的聚焦光學裝置將激光束聚焦在焦點中，由此，焦點在工件中產生蒸汽毛細管；
[0012]b)利用光學相干層析成像儀產生第一測量束和第二測量束；
[0013]c)將第一測量束對準蒸汽毛細管中的第一測量點、確切地說優選蒸汽毛細管的底部上的第一測量點，以便由此測量在參考點與第一測量點之間的第一距離；
[0014]d)與步驟c)同時將第二測量束對準工件的朝向加工頭的、位于蒸汽毛細管之外的表面上的第二測量點，以便由此測量在參考點與第二測量點之間的第二距離；
[0015]e)由第一距離和第二距離確定激光束的透入深度。
[0016]本發明基于以下認識:僅當光學相干層析成像儀的測量束持久地或至少在很大程度上對準到蒸汽毛細管中時才能以足夠的精度測量到蒸汽毛細管的底部的距離。顯著較高的測量精度在此不僅是較大數量的單次測量的結果，而且也與測量束僅當其不掃描地運動時才能非常精確地對準到極小的蒸汽毛細管中相關聯。甚至可能需要的是，事先精確地校準測量束的方向，以便獲得到蒸汽毛細管的底部的足夠的測量值。試驗已經顯示，即使如在測量束以掃描儀方式掃過蒸汽毛細管時不可避免的最小的失調也使有效力的測量點的數量以及由此測量精度在整體上迅速地降低。
[0017]即使從蒸汽毛細管提供非常多的測量值且測量束被良好地校準，也由于迄今為止未準確已知的原因而僅獲得相對少的有效力的測量值。對于較大部分的測量值，測量點看起來不位于蒸汽毛細管的底部上，而是位于其上方。僅僅代表最大的距離的測量值實際上才給出關于蒸汽毛細管的底部所處的位置的情況。因此優選多次重復步驟b)至c)且從由此獲得的用于第一距離的測量值選出測量值的代表最大的第一距離的份額。由測量值的該份額于是可以導出實際的透入深度，例如借助于回歸分析。
[0018]如果測量束對準到蒸汽毛細管中，則能夠以這種方式僅確定蒸汽毛細管的底部到參考點的距離，該參考點例如可以是由相干層析成像儀執行的路徑長度差測量的零點。為了能夠求得透入深度，必須附加地測量:工件的包圍蒸汽毛細管的區域的表面到參考點有多遠。
[0019]根據本發明，光學相干層析成像儀因此產生第一測量束和第二測量束。第一測量束測量參考點到蒸汽毛細管的底部的距離，而第二測量束測量參考點到工件上的包圍蒸汽毛細管的區域的表面的距離。通常于是通過兩個距離值的簡單的差形成而得出激光束到工件中的透入深度。然而也可能需要的是，以更復雜的方式計算透入深度。如果例如在檢查測量結果時得出:所測量的透入深度一般與實際的透入深度偏差了因數或數值X，則這可以以校正因數或校正數值在計算時加以考慮。通過恒定的、但與材料相關的數值(補償量)例如可以考慮以下事實，即焊縫的深度通常略大于透入深度，因為工件也還在蒸汽毛細管下方的小區域中熔化。為了獲得用于透入深度的精確的測量值，第二測量束所對準的、位于工件的表面上的第二測量點不應過于接近蒸汽毛細管，但也不應過于遠離蒸汽毛細管。在Imm與2.5mm之間的距離已經證明是特別合適的。即如果第二測量點過于接近表面，則其檢測到處于劇烈運動中的或起泡的熔液表面。而如果第二測量點過于遠離蒸汽毛細管，則可能需要的是，考慮已經在不同的時刻獲得的測量值用于確定透入深度，或者通過使用工件的另外提供的幾何數據(例如平面的由CAD數據已知的斜度)來考慮位于蒸汽毛細管附近的表面的形狀。
[0020]位于蒸汽毛細管之外的第二測量點可以被用于調節在加工頭與工件表面之間的距離，這如本身由開頭所述的文獻EP I 977 850 Al公知的那樣。在這種調節中通過移動加工頭和/或工件來負責使激光束的焦點相對于工件的表面始終位于期望的位置上。作為替換方案或附加地，也可以調節加工頭的聚焦光學裝置，以便相對于工件的所測量的表面來定位焦點。
[0021]在步驟d)中可以逐漸地將第二測量束對準工件的表面上的不同的第二測量點。于是第二測量束的任務不僅是為了確定透入深度提供參考值，而且例如也掃描在焊縫上方產生的焊道或檢測包圍蒸汽毛細管的熔液。尤其是不同的第二測量點中的至少一些可以覆蓋由激光束產生的焊縫。
[0022]在此特別證明有利的是，不同的第二測量點中的至少一些位于包圍蒸汽毛細管的圓上。以這種方式確保:與可能的移動過程無關地始終預先獲得測量點，在所述可能的移動過程中改變位于激光束與工件之間的相對布置。
[0023]然而掃描不僅可在第二測量束的情況中而且附加地也可在第一測量束的情況中進行。這尤其是當激光束的焦點也借助于通常包含電鍍反射鏡的裝置的掃描裝置引導經過工件時是符合目的的。如果加工頭足夠遠離(例如到工件大約為50cm)，則可以極其快速地由激光束加工工件上的彼此遠離的位置。相對較重的加工頭的相對大的運動在此通過掃描裝置中的輕的電鍍反射鏡的短的快速運動替代。在一些加工方法中加工頭遠離工件且所述加工頭包含掃描裝置，這些加工方法通常被稱為遠程激光焊接(英文= Remote Welding或Welding-on-the-fly)或遠程激光切割(Remote Laser Cutting)。對于這些方法也可以有利地使用蒸汽毛細管和周圍區域的根據本發明的獨立掃描。為了能夠覆蓋較大的軸向的測量范圍，可以在相干層析成像儀的參考分支中布置路徑長度調制器，該路徑長度調制器與聚焦光學裝置的焦距的變化同步地且根據所述變化跟蹤參考分支中的光學的路徑長度。關于對此的其它細節參考在2013年5月15日提交的專利申請DE 10 2013 008 269.2。
[0024]通常有利的是，對準蒸汽毛細管的底部的第一測量束相對于激光束同軸線地穿過加工頭的聚焦光學裝置。以這種方式確保:配置給第一測量束的第一測量點始終位于激光束的焦點中或該焦點的緊附近。由于蒸汽毛細管的待掃描的底部位于激光束的焦點的緊附近，因此這導致:第一測量束也在那里具有其最高的強度。這有利地作用于信號噪聲比且因此有利地作用于測量精度。這在上述的遠程加工方法中是特別重要的，在所述遠程加工方法中，聚焦光學裝置必須具有可變的焦距。
[0025]原則上可能的是，使第一測量束和第二測量束由光學相干層析成像儀的兩個彼此獨立的子系統產生。
[0026]然而由于光學相干層析成像儀能夠同時測量到多個光學界面的距離，因此更有利的是，第一測量束和第二測量束共同穿過或以另外的方式共同使用光學相干層析成像儀的至少一個光學元件。通過這樣共同使用光學元件可以減小相干層析成像儀的結構投入。特別有利的是，由光學相干層析成像儀產生的測量光線首先在相干層析成像儀的目標分支中被分成第一測量束和第二測量束。至少光學相干層析成像儀的投入較高的部件、例如包含在其中的光譜儀于是可以用于兩個測量束。
[0027]優選同時執行步驟a)至e)。借助于兩個測量束的測量和借助于激光束對工件的加工于是同時進行。
[0028]利用根據本發明的方法可根據在步驟e)中確定的透入深度改變激光加工的至少一個參數、特別是激光束的功率或焦點相對于工件的位置。所測量的透入深度因此可以直接用于這樣影響激光加工，使得實現在質量上高值的加工結果。尤其是可以將在步驟e)中確定的透入深度作為測量參量輸送給調節回路，以便調節蒸汽毛細管的深度。
[0029]如果在根據本發明提供優選持久地對準蒸汽毛細管的底部的第一測量束時需要校準第一測量點，則可以在自動的校準步驟中這樣長時間地借助于作用于第一測量束的調節元件來改變第一測量點的位置，直到可評估的距離測量值的份額最大。這種校準步驟可以在規律性的時間間隔中執行或甚至在每個加工過程之前進行。校準步驟在此例如可以在工件的測試加工部位上執行，在該測試加工部位上僅為了校準的目的由激光束產生蒸汽毛細管。
[0030]本發明的主題還涉及一種激光加工設備，該激光加工設備被布置用于利用激光束加工工件且適合用于執行根據本發明的方法。該激光加工設備具有聚焦光學裝置，該聚焦光學裝置被布置用于將激光束聚焦在焦點中。此外，激光加工設備具有光學相干層析成像儀，該光學相干層析成像儀被布置用于將第一測量束對準由焦點在工件上產生的蒸汽毛細管的底部上的第一測量點，且由此測量在參考點與第一測量點之間的第一距離。光學相干層析成像儀還被布置用于同時將第二測量束對準工件的、位于蒸汽毛細管之外的表面上的第二測量點，且由此測量在參考點與第二測量點之間的第二距離。激光加工設備還具有分析處理裝置，該分析處理裝置被布置用于由第一距離和第二距離確定激光束的透入深度。
[0031]在相干層析成像儀的目標分支中可以布置有掃描裝置，該掃描裝置被布置用于逐漸地將第二測量束對準工件的表面上的不同的第二測量點。
[0032]優選第一測量束相對于激光束同軸線地穿過聚焦光學裝置。該聚焦光學裝置可以具有可變的焦距，由此，第一測量束始終被聚焦光學裝置聚焦在相同的焦平面中，激光束的焦點也位于所述焦平面中。
[0033]特別有利的是，光學相干層析成像儀在頻率范圍內工作(英文:FrequencyDomain，FD-0CT)。這種相干層析成像儀具有大的軸向的測量范圍且不需要位于參考分支中的光學的路徑長度調制器。
【附圖說明】
[0034]本發明的其它特征和優點由下面借助于附圖對實施例進行的說明中得出。在此示出:
[0035]圖1示出在焊接兩個工件時根據第一實施例的根據本發明的激光加工設備的示意圖；
[0036]圖2示出在圖1中示出的激光加工設備的內部結構的示意圖；
[0037]圖3a和3b示出穿過旋轉的楔形板的放大的經向剖面，該楔形板包含在激光加工設備中；
[0038]圖4示出工件的放大局部，在所述工件中可看到蒸汽毛細管；
[0039]圖5示出在圖4中所示的局部的俯視圖；
[0040]圖6示出了針對具有變化的厚度的工件的情況的相對于圖4簡化的視圖；
[0041 ]圖7示出圖表，在該圖表中關于時間t畫出了距離測量值；
[0042]圖8示出圖表，在該圖表中作為時間的函數畫出了透入深度；
[0043]圖9示出圖表，在該圖表中畫出了在使用根據現有技術的相干層析成像儀的情況下獲得的測量值，在該相干層析成像儀中，唯一一個測量束掃描地掃過工件；
[0044]圖10示出根據第二實施例的根據本發明的激光加工設備的內部結構的仿照圖2的示意圖；
[0045]圖11示出用于圖10中示出的實施例的工件的放大局部的仿照圖4的剖面圖；
[0046]圖12示出根據第三實施例的根據本發明的激光加工設備的內部結構的仿照圖2的示意圖；
[0047]圖13a和13b示出穿過旋轉的光學元件的經向剖面，該光學元件包含在根據第三實施例的激光加工設備中。
【具體實施方式】
[0048]1.激光加工設備的結構
[0049]圖1示出根據本發明的激光加工設備10的一個實施例的示意圖，該激光加工設備包括機器人12和加工頭14，該加工頭固定在機器人12的可運動臂16上。
[0050]激光加工設備10還包括激光輻射源18，該激光輻射源在示出的實施例中設計為盤形激光器或光纖激光器。由激光輻射源18產生的激光束19通過光纖20輸送給加工頭14且由該加工頭聚焦在焦點22中。
[0051 ]在示出的實施例中，激光加工設備10應被用于將具有變化的厚度的第一金屬工件24與第二金屬工件26焊接，該第二金屬工件固定在工件支架27上。由加工頭14產生的焦點22因此必須被精確地定位在第一工件24與第二工件26之間過渡的附近。
[0052]圖2示出激光加工設備10的內部結構的示意圖。由激光輻射源18產生的激光束19在加工頭14中從光纖20中射出并由第一準直透鏡28準直。準直的激光束19于是由二向色鏡30偏轉90°并投射到聚焦光學裝置32上，該聚焦光學裝置的焦距可通過借助于調節驅動器34軸向移動一個或多個透鏡來改變。以這種方式可以通過調節聚焦光學裝置32改變焦點22的軸向位置。在激光束19的光路中的最后的光學元件是保護片38，該保護片可更換地固定在加工頭14上并且該加工頭的剩余光學元件受到保護以免在38處表明的加工部位上產生的飛濺物和其它污染物。
[0053]激光加工設備10還包括光學相干層析成像儀40，該光學相干層析成像儀在頻率范圍內工作(所謂的FD-0CT)。相干層析成像儀40具有光源42、光學循環器44和光纖耦合器46，該光纖耦合器將由光源42產生的測量光線48分配到參考分支50和目標分支52中。在參考分支50中，測量光線在走過與目標分支52中的測量光線的光學路徑近似地相應的光學路徑之后，本身在反射鏡53上反射并返回到光學循環器44，該光學循環器將測量光線傳遞到攝譜儀54。
[0054]在目標分支52中，測量光線在另外的光纖56的端部上射出并由第二準直透鏡58準直。準直的測量光線48首先穿過第一法拉第旋轉器86，該第一法拉第旋轉器使得偏振方向轉動45°。相同類型的第二法拉第旋轉器84布置在參考分支50中的自由射束傳播的區段中。兩個法拉第旋轉器84、86都具有避免干擾的任務，所述干擾可能在應用于相干層析成像儀40中的光纖未獲得偏振狀態時產生。
[0055]于是，準直的測量光線48投射到楔形板60上，該楔形板可以通過電機62實現圍繞轉動軸線64的旋轉。如在圖3a的放大視圖中可見的那樣，楔形板60具有第一平面66，該第一平面垂直于轉動軸線64取向且設有涂層68，該涂層反射大約50%的射入的測量光線48。由于平面66在楔形板60旋轉時不改變其方向，因此該楔形板產生第一測量束70a，該第一測量束的方向同樣是不變的。
[0056]穿過部分反射的涂層68的測量光線48的份額投射到楔形板60的第二平面72上，該第二平面相對于轉動軸線64夾有非90°的角度。第二平面72的定向因此與楔形板60的轉動角相關。第二平面72設有完全反射的涂層74。由于兩個平面66、72不是彼此平行的，因此第二平面72產生第二測量束70b，該第二測量束具有不同于第一測量束70a的傳播方向。傳播方向在此與楔形板60關于轉動軸線64的轉動角相關，如圖3b所示。楔形板60在那里與圖3a中所示的布置相比圍繞轉動軸線64扭轉了 180°的角。在楔形板60圍繞轉動軸線64旋轉時，第二測量束70b因此連續地圍繞固定的第一測量束70a旋轉。
[0057]下面再次參考圖2，以便更詳細地說明兩個測量束70a、70b的光路。用連續線或雙點劃線表示的測量束70a、70b首先借助于散射透鏡76擴張并于是由第三準直透鏡78準直。在穿過對于測量光線的波長而言可透過的二向色鏡30之后，測量束70a、70b與激光束19 一樣地由聚焦光學裝置32聚焦并且在穿過保護片38之后對準工件24、26。由于第一測量束70a與激光束19同軸線地傳播，因此如果不考慮干擾效應、如色差或校準偏差，那么第一測量束70a的焦點80與激光束19的焦點22重合。第二測量束70b的焦平面與激光束19的和第一測量束70a的焦平面是共平面的。
[0058]下面參考圖4詳細描述在加工部位36處的情況。圖4示出應相互焊接的工件24、26的放大局部。加工頭14相對于工件24、26的移動方向用98表示。
[0059]從保護片38射出的經聚焦的激光束19在焦點22附近達到這樣高的能量密度，使得周圍的金屬蒸發并由此形成蒸汽毛細管88，該蒸汽毛細管伸入兩個工件24、26中。即使一部分蒸發的金屬在第一工件24的表面92上方形成氣團90，也僅將在加工期間在表面92下方形成的空腔稱為蒸汽毛細管88。
[0060]蒸汽毛細管88由熔液92包圍，該熔液隨著到激光束19的焦點22的距離的增加而凝固。在熔液92的區域中，兩個工件24、26的材料相互連接。如果熔液92凝固，則由此產生焊縫96，該焊縫的朝向上方的一側成波浪形并被稱為焊道96。
[0061]在圖4的放大視圖中可以看到，由第一測量束70a產生的焦點近似與激光束19的焦點22重合。在焦點22附近，第一測量束70a在蒸汽毛細管88的底部上投射到金屬熔液92上并從那里反射返回到相干層析成像儀40的目標分支52中。這樣的點是配置給第一測量束70a的第一測量點MPa:第一測量束70a在該點上投射到蒸汽毛細管的底部上。
[0062]這樣的點是配置給第二測量束70b的第二測量點MPb:第二測量束70b在該點上由第一工件24的包圍蒸汽毛細管88的表面92反射。
[0063]圖5對于圖4中所示的局部示出第一工件24的俯視圖。如果為了產生焊縫94而沿移動方向98移動加工頭14，則在移動方向98上在蒸汽毛細管88后方產生已經說明的焊道96。用箭頭100表明，第二測量點MPb在楔形板60旋轉期間如何在圓形軌道102上圍繞加工部位36轉動。第二測量點MPb在此也掃過熔液92的一部分。如果楔形板60的楔角被選擇得更大，那么圓102的半徑增大。在這種情況下，第二測量點MPb也可以掃過焊道96。在相干層析成像儀40的數量級為幾kHz的測量頻率、楔形板60的數量級為I OOHz的轉動頻率以及沿移動方向98的數量級為lm/s的速度的情況下可以通過這種方式以高分辨率掃描在加工部位36的周圍環境中的表面92的形貌。
[0064]2.功能
[0065]下面參考圖6至9詳細說明激光加工設備10的功能。
[0066]在第一步驟中確定用于激光束19的透入深度的給定值。透入深度在圖4中用d表示且被定義為蒸汽毛細管88在第一工件24的周圍(仍固態)表面92下方的深度。如果透入深度過小，則兩個工件24、26未相互焊接或僅不完全地相互焊接。而如果透入深度d過大，則導致焊透。
[0067]在恒定厚度的平坦的工件中透入深度d通常是恒定的。然而通常透入深度d與工件上的坐標x、y相關。透入深度d的變化例如可以當第一工件24的厚度與位置相關時是必要的，如圖6中所示。僅當透入深度d增加時，如圖6中在右側用虛線所述，可以將具有楔形橫截面的第一工件24以保持不變的質量與第二工件26焊接。
[0068]為了測量透入深度d，第一測量束70a在第一測量點MPa上測量蒸汽毛細管88的底部相對于參考點的距離，該參考點例如可以是在保護鏡片38的表面上的點，該點被光軸OA穿過。在圖4中用al表示該距離。
[0069]第二測量束70b在第二測量點MPb上測量在圖4中用a2表示的、在參考點與第一工件24的包圍蒸汽毛細管88的表面92之間的距離。透入深度d則簡單地作為距離a2與al之差得出。為了使得這種關系有效，配置給第二測量束70b的第二測量點MPb應接近蒸汽毛細管88，例如在小于2.5mm、優選小于Imm的側向距離內，因此在第一工件24的表面92上的可能出現的臺階或拱曲不會使測量失真。但也可以這樣考慮這種臺階或拱曲，即在確定透入深度時考慮用于距離a2的測量值，所述測量值在比第二測量點MPb處于現在第一測量點所處的坐標x、y上時居前的時刻已經求得。因為如上面所述，通過在與移動運動共同作用的情況下利用第二測量束70b圓形掃描加工部位36的周圍環境獲得第一工件24的表面92的形貌，確切地說不僅對于在利用激光束19進行加工之前的狀態而且對于之后的狀態。
[0070]借助于相干層析成像儀40求得距離al、a2以本身常見的方式和方法實現。在目標分支52中引導的測量光線48在測量點MPa、MPb上反射之后又進入目標分支52中且通過所述另外的光纖56返回到光纖耦合器46和光學循環器44。在攝譜儀54中，反射的測量光線與在參考分支50中反射的測量光線疊加。在攝譜儀54中出現在參考分支50中和目標分支52中反射的測量光線的干涉。干涉信號傳送給控制和分析處理裝置114(參見圖2)，該控制和分析處理裝置由此計算出在參考分支50中和目標分支52中反射的測量光線的光學的路徑長度差。由此可以導出測量點MPa、MPb到共同的參考點的距離al、a2。
[0071 ]在任意時刻在光譜中獲得兩個信號分量，即一個用于第一測量點MPa的信號分量和一個用于第二測量點MPb的第二信號分量。在執行根據本發明的方法時的一個特點在于，僅第一測量點MPa位于光軸OA上，但第二測量點MPb不位于該光軸上。
[0072]圖7示意性地示出當兩個測量束70a、70b在焊接過程期間沿移動方向98移動經過在圖6中示出的工件24、26時由相干層析成像儀40產生的測量值。在橫坐標上示出時間t，在縱坐標上示出到參考點的距離a。坐標系被上下顛倒地示出，以便能夠更好地將距離值與在圖6中示出的工件24、26幾何形狀進行比較。
[0073]可配置給第一測量點MPa的第一測量值104的分布處于圖表的下方區域中。可以看至|J，第一測量值104越過較大的距離范圍散布。試驗顯示出，第一測量束70a經常在其到達蒸汽毛細管88的底部之前被反射。對此的準確起因還未詳細地公知，因為在蒸汽毛細管88中的過程是復雜且難以觀察的。可能地，蒸汽毛細管88在激光加工期間這樣迅速地在側向方向上運動，使得第一測量束70a經常僅投射到蒸汽毛細管的側壁上，但是不投射到所述蒸汽毛細管的底部上。作為起因也可以考慮通過金屬蒸汽冷凝或通過從熔液92脫離飛濺物而在蒸汽毛細管88中形成的金屬小滴。
[0074]研究表明，僅圖7的圖表中的最大的距離值代表到蒸汽毛細管88的底部的距離al。經過下方這些測量點104的補償直線106因此代表距離函數al(t)。因此僅使用一部分最大的透入深度d;用于第一測量點MPa的其余的測量值應丟棄。
[0075]在圖7中在上方可看到的第二測量值108由第二測量束70b在這樣的時刻產生:在所述時刻中第二測量束70b在移動方向98上位于第一測量束70a前方。該狀態在圖5中示出。經過第二測量值108的補償直線因此提供用于距離的函數a2(t)。由此，在給定的時刻t’透入深度d取值為:
[0076]d = a2(t7 )-al (t7 ) ο
[0077]透入深度d(t)的時間變化在圖8的圖表中用連續線107表示。用虛線112確定用于該焊接過程的事先確定的給定透入深度dt(t)。可以看到，實際的透入深度d(t)在焊接過程的進程中與其給定值的偏差變大。其起因例如可以是保護片38的污染物增多，由此越來越少的激光輻射19到達工件24、26。
[0078]透入深度d與給定值的偏差僅可在預給定的界限內容許。如果超過該界限，則激光束19的功率在焊接過程期間連續地或逐步地改變，以便阻止界限被超過。
[0079]因此在根據本發明的激光加工設備10中向控制和分析處理裝置114輸送用于透入深度d(t)的給定值，該控制和分析處理裝置既與激光輻射源18又與聚焦光學裝置32的聚焦驅動器34信號連接。控制和分析處理裝置在示出的實施例中是調節回路的一部分，向該調節回路輸送透入深度的所測量的值作為測量參量。控制和分析處理裝置114將透入深度d(t)的所測量的值與給定值dt(t)進行比較并這樣調節激光輻射源18的功率，使得所測量的透入深度d(t)與給定值的偏差盡可能少。對此附加地或作為替換方案，也可以這樣調整聚焦光學裝置32，使得激光束19的焦點22在軸向方向上移動，以便通過這種方式改變透入深度d。
[0080]圖9為了進行比較示出當在利用唯一一個測量束進行的焊接過程期間使加工部位沿移動方向98移動時獲得的透入深度的測量。連續線表示蒸汽毛細管88的實際幾何形狀。可以看到，在蒸汽毛細管88的區域中存在這樣少的測量值，使得對于透入深度不能做出可靠描述。僅當第一測量束70a根據本發明持久地或在較長的時間段上對準蒸汽毛細管88的底部時，獲得測量值，所述測量值能夠實現關于透入深度的可靠描述，如上面參考圖7所說明的那樣。
[0081]為了精確地測量蒸汽毛細管88的底部與參考點之間的距離al，可能需要的是，在加工過程開始之前高度精確地校準第一測量束70a的方向。校準在此可以例如通過使布置在目標分支52中的透鏡58、76、78中的一個或多個傾斜來實現。為了校準測量束70a、70b的側向位置，特別考慮透鏡76或78之一的橫向移動。為了在軸向方向上進行校準，可以改變在透鏡76和78之間的距離。優選這種校準在自動的校準步驟中實現，在所述校準步驟中首先在測試加工部位上僅為了校準的目的由激光束19產生蒸汽毛細管88且所述蒸汽毛細管的深度同時利用相干層析成像儀40進行測量。在此，與控制和分析處理裝置114連接的調節元件113(參見圖2)這樣長時間地使第二準直透鏡58傾斜，直到第一測量點MPa位于這樣的位置上，在所述位置上獲得最多數量的可評估的測量值。
[0082]代替使透鏡58傾斜當然也考慮其它措施來校準第一測量束70a。對于該目的特別合適的是可借助于執行器圍繞兩個軸線調整的反射鏡，該反射鏡也可以設計為MEMS反射
Ho
[0083]3.作為替換方案的實施例
[0084]a)掃描反射鏡
[0085]圖10示出根據本發明的激光加工設備10的另一個實施例的仿照圖2的視圖。與在圖2中示出的實施例不同，兩個測量束70a、70b不是由旋轉的楔形板60產生，而是由第二光纖耦合器115產生。第一測量束70a在通過第三準直透鏡116準直之后穿過分束器立方體118并于是又由后面的光學元件聚焦到位于焦點22附近的第一測量點MPa上，這如在上面參考圖2說明的那樣。
[0086]由第二光纖耦合器115輸出耦合的第二測量束70b在通過第四準直透鏡120準直之后投射到掃描反射鏡117上，該掃描反射鏡不僅能夠圍繞其Y軸而且能夠圍繞其X軸借助于未詳細不出的執行器擺動。擺動的第二測量束70b由分束器立方體118輸入親合到第一測量束70a的光路中且對準第二測量點MPb。與圖2中描述的實施例不同，第二測量點MPb因此不僅可以在圓形軌道上圍繞加工部位36移動，而且還能夠以任意方式經過包圍加工部位36的區域。這例如當對于焊道96的表面形貌的高分辨率檢測存在特別興趣時可以是符合目的的。
[0087]如果激勵掃描反射鏡113進行具有固有頻率的振動，則第二測量點MPb在第二工件24的表面92上描述李薩如圖，利用所述李薩如圖能夠特別快速地掃描即使大的面。
[0088]為了在第二光纖耦合器115和分束器立方體118上避免光線損失，第二光纖耦合器114可以根據偏振或波長劃分射入其中的測量光線。如果第二光纖耦合器具有偏振選擇性，則分束器立方體118也必須起偏振選擇作用。而如果第二光纖耦合器具有波長選擇性，則分束器立方體118也必須具有二向色性作用。
[0089]在圖10中在對第二測量束70b進行準直的第四準直透鏡120中配置有執行器122，利用該執行器，第四準直透鏡120可以在軸向方向上移動。以這種方式可以移動第二測量束70b的焦點的軸向位置。尤其是可以將該焦點精確地定位在第二測量點MPb中，如圖11所示。以這種方式由工件24的表面92獲得更強的光線反射。
[0090]b)在光圈附近分離
[0091]圖12示出根據本發明的激光加工設備10的第三實施例的也仿照圖2的視圖。
[0092]在圖12中所示的激光加工設備10中，兩個測量束70a、70b由專門的非球面的光學元件124產生，該光學元件在測量光線48的光路中位于光圈附近。在測量過程期間，光學元件124在此通過驅動器126圍繞與光軸重合的轉動軸線128轉動。
[0093]圖13a和13b在兩個轉動位置中示出光學元件124，這兩個轉動位置彼此間存在180°的轉動角的區別。光學元件124基本上具有平-凸透鏡的形狀，所述平-凸透鏡具有一個球形的表面。在圖13a中，該表面的對稱軸線用130表示。相對于對稱軸線130偏心地，但是相對于轉動軸線128同心地，表面具有圓柱形的缺口 132，該缺口具有半徑Rl，該缺口的平坦表面平行于輸入側的平面134。對于以到轉動軸線128的距離KRl投射到光學元件124上的準直的測量光線來說，光學元件124因此在所有轉動位置中如平面平行板那樣起作用。
[0094]對于以距離r>Rl投射到光學元件124上的光線來說，所述光線如偏心地布置的具有正折射能力的透鏡那樣起作用。視光學元件124的轉動位置而定，測量光線因此在不同的方向上偏轉，如通過比較圖13a和13b所看到的那樣。
[0095]穿過圓柱形的缺口132的測量光線形成第一測量束70a，而穿過環形的周圍區域的測量光線形成第二測量束70b。與在圖2中描述的實施例的旋轉的楔形板60中類似，旋轉的光學元件124因此產生靜止的第一測量束70a和第二測量束70b，該第二測量束圓形地環繞第一測量束70a。
[0096]由于第二測量束70b穿過光學元件124的表面的凸形拱曲的區段，因此兩個測量束70a、70b在該實施例中也在不同的焦平面中聚焦。
【主權項】
1.一種用于測量激光束(19)到工件(24)中的透入深度(d)的方法，該方法包括以下步驟: a)借助于布置在加工頭(14)中的聚焦光學裝置(32)將所述激光束(19)聚焦在焦點(22)中，由此，所述焦點在所述工件中產生蒸汽毛細管(88)； b)利用光學相干層析成像儀(40)產生第一測量束(70a)和第二測量束(70b); c)將所述第一測量束(70a)對準所述蒸汽毛細管(88)中的第一測量點(MPa)，以便由此測量在參考點與所述第一測量點之間的第一距離(al); d)與步驟c)同時將所述第二測量束(70b)對準所述工件(24)的朝向所述加工頭(14)的、位于所述蒸汽毛細管(88)之外的表面(92)上的第二測量點(MPb)，以便由此測量在所述參考點與所述第二測量點之間的第二距離(a2); e)由所述第一距離(al)和所述第二距離(a2)確定所述激光束(19)的透入深度(d)。2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述第一測量點(MPa)位于所述蒸汽毛細管(88)的底部上。3.根據權利要求1或2所述的方法，其中，多次重復步驟b)至c)且從由此獲得的用于所述第一距離(al)的測量值選出測量值的代表最大的第一距離(al)的份額。4.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述第二測量點(MPb)到所述蒸汽毛細管(88)的邊緣具有小于2.5mm的、優選小于Imm的側向距離。5.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，在步驟d)中逐漸地將所述第二測量束(70b)對準所述工件(24)的表面(92)上的不同的第二測量點(MPb)。6.根據權利要求5所述的方法，其中，所述不同的第二測量點(MPb)中的至少一些位于包圍所述蒸汽毛細管(88)的圓(102)上。7.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述第一測量束(70a)相對于所述激光束(19)同軸線地穿過所述加工頭(14)的聚焦光學裝置(32)。8.根據權利要求7所述的方法，其中，所述聚焦光學裝置(32)具有可變的焦距，由此，所述第一測量束(70a)始終被所述聚焦光學裝置聚焦在相同的焦平面中，所述激光束(19)的焦點(22)也位于所述焦平面中。9.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述第一測量束(70a)和所述第二測量束(70b)共同使用所述光學相干層析成像儀(40)的至少一個光學元件(44、46、54)。10.根據權利要求9所述的方法，其中，由所述光學相干層析成像儀(40)產生的測量光線在所述相干層析成像儀的目標分支(52)中被分成所述第一測量束(70a)和所述第二測量束(70b)。11.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，根據在步驟e)中確定的透入深度(d)改變激光加工的至少一個參數、特別是所述激光束(19)的功率或所述焦點(22)相對于所述工件(24)的位置。12.根據權利要求11所述的方法，其中，將在步驟e)中確定的透入深度(d)作為測量參量輸送給調節回路，以便調節所述蒸汽毛細管(88)的深度。13.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，在自動的校準步驟中這樣長時間地借助于作用于所述第一測量束(70a)的調節元件(113)來改變所述第一測量點(MPa)的位置，直到可評估的距離測量值的份額最大。14.一種激光加工設備，所述激光加工設備被布置用于利用激光束(19)加工工件(24)，所述激光加工設備具有: a)聚焦光學裝置(32)，所述聚焦光學裝置被布置用于將所述激光束(19)聚焦在焦點(22)中， b)光學相干層析成像儀(40)，所述光學相干層析成像儀被布置用于 -將第一測量束(70a)對準由所述焦點(22)在所述工件上產生的蒸汽毛細管(88)中的第一測量點(MPa)，且由此測量在參考點與所述第一測量點(MPa)之間的第一距離(al)，以及 -同時將第二測量束(70b)對準所述工件(24)的、位于所述蒸汽毛細管(88)之外的表面(92)上的第二測量點(MPb)，且由此測量在所述參考點與所述第二測量點(MPb)之間的第二距離(a2)， c)分析處理裝置(114)，所述分析處理裝置被布置用于由所述第一距離(al)和所述第二距離(a2)確定所述激光束(19)的透入深度(d)。15.根據權利要求14所述的激光加工設備，所述激光加工設備具有布置在所述相干層析成像儀的目標分支(52)中的掃描裝置(113)，所述掃描裝置被布置用于逐漸地將所述第二測量束(70b)對準所述工件(24)的表面(92)上的不同的第二測量點(MPb)。16.—種用于利用激光束(19)加工工件(24)的方法，其中，在第一步驟中根據前述權利要求中任一項測量所述激光束(19)到所述工件(24)中的透入深度，在第二步驟中將所測量的透入深度(d)作為測量參量輸送給調節回路，以便調節所述蒸汽毛細管(88)的深度。
【文檔編號】G01B9/02GK105829828SQ201480052148
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2014年9月13日
【發明人】M·朔恩勒貝爾, M·科戈爾-霍拉切爾, T·鮑特澤, C·法拉斯
【申請人】普萊斯泰克光電子有限公司