专利名称：用于监视激光加工过程的装置和激光加工头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及用于监视激光加工过程、特别是激光焊接或激光切 割过程的装置，以及借助激光束加工工件的激光加工头，该激光加工头 装备有这种装置，以通过相应的控制或调节保证激光加工过程的品质， 或者至少与加工同时记录激光加工过程的品质。
背景技术：
为了在激光加工、特别是在激光焊接或切割中进行过程监视，在激 光加工过程的监视中使用了监视装置，这些装置被作为辐射敏感的接收器光电二极管或CCD图像传感器使用，它们在加工过程期间检测并记录 光学发射。为此，其中使用了外部的系统，它们使用了外部地附加在激光加工 头上的传感器，例如平面照相机、即具有以平面方式布置的接收器元件 的CCD图像传感器，行照相机(Zeilenkamera)、即具有以行方式布置的 接收器元件的CCD图像传感器，或者光电二极管系统。在DE 100 13 892 Al中公开了这种用于确定在工件之间的焊接部分 的焊接质量的外部装置。该装置包括第一和第二传感器设备，它们二者 都与测量装置相连，并且检测由焊接部分在不同角度下侧向地发射的光 的发射强度。DE39 08 187 Al中公开了一种另外的方法用于在激光焊接和切割中 的质量保证，其中来自激光束和工件之间的相互作用区的区域中的辐射 以一个或多个接收器设备检测，以在合适的信号处理之后获得这样的信 号，它示出是否在激光加工中出现了缺陷。除了用于监视激光加工过程的外部系统，还使用了这样的系统，其
中为了从在激光束和工件之间的相互作用区至辐射敏感的接收器的辐射 传输，在激光加工头内使用了激光束引导系统的至少单个的元件。例如在DE 101 20 251 Al中公开了一种方法和一种装置用于监视在 工件上待执行的激光加工过程，其中来自激光束和工件之间的相互作用 区的过程辐射(Prozessstrahlung)通过工作激光束的聚焦透镜到达分光镜， 借助分光镜，来自相互作用区的辐射被从工作光路中输出耦合(couple out)。布置在分光镜之后的成像光学系统随后将辐射聚焦到一个位置分辨 的接收器设备上，该设备具有光阑用于确定在工件上的观察范围。除了位置分辨的接收器设备，在这种已公开的装置中，观察照相机， 例如摄像机借助连接壳体(Anschlussgehaeuse)被安装在激光加工头的壳 体上。在此，摄像机用于在接收器设备的校准期间观察工件表面。DE 101 60 623 Al涉及用于监视激光加工过程的一种另外的装置。这 种已公开的监视装置随着激光加工头使用，其中被对准的工作激光束通 过转向镜(Umlenkspiegel)被转向到作为聚焦光学系统起作用的凹面反 射镜上。在此，凹面反射镜具有有效的开口，它大于转向镜的开口。由 此，来自在激光束和工件之间的相互作用区的、到达凹面反射镜上的辐 射的一部分在转向镜上环形地通过并且可以被布置在转向镜后面的聚光 透镜聚焦到接收器设备的入射光阑(Eintrittsblende)中。若在此在光阑 和聚光透镜之间的距离变化，则在相互作用区的区域中的观察区域也被 相应地转移。在此，接收器设备装备有位置敏感的检测器，它提供相应 于被接收的光学辐射的光谱分布的重心的信号。除了这些使用工作光路的用于反映射束控制的元件的监视装置之 夕卜，DE 198 52 302A1中还公开了一种过程监视设备，其中设置了具有孔 的用于工作激光束的聚焦镜，来自在激光束和工件之间的相互作用区的 辐射可以穿过该孔，以被布置在孔之后的光学系统引导到检测器上。在 此，检测器可以使用行或平面传感器。
在这种监视装置中，被使用的接收器必须分别按照待执行的加工过 程及/或待监视的特性被选择。实用新型内容本实用新型的任务在于，提供另外的用于监视激光加工过程的装置 以及激光加工头，该装置或加工头能够实现检测及/或监视加工过程及/ 或加工进程的质量。该任务通过根据本发明的装置和根据本发明的激光加工头解决。本 实用新型的有利的改进方案和扩展方案在下文中被描述。根据本实用新型的用于监视激光加工头的装置具有辐射敏感的接收 器设备、至少一个成像装置以及用于接收器设备的信号的分析电路，该 分析电路在它那方面提供表明激光加工过程的进程的特征的输出信号。 为了能够执行对加工过程的高品质的、不依赖于过程的监视，用于检测 来自在激光束和工件之间的相互作用区的区域中的辐射的接收器设备包 括至少一个辐射敏感的接收器、例如光电二极管，以及至少一个照相机、例如具有CCD的图像传感器，它们的相应的输出信号被同时输送给分析电路。通过这种方式，在监视装置中相应于各个加工过程及/或加工进程可 能使用依赖于过程的、单个接收器和照相机的特定的强度。为了进一步改进激光加工过程的监视与特定的加工过程的匹配，在 根据本实用新型的一种有利的扩展方案中设置了接收器设备，其包括第 一和第二辐射敏感的接收器，它们具有不同的光谱敏感性，其中该或这 些辐射敏感的接收器分别包括一个光电二极管。根据待执行的激光加工 过程的类型，该或这些辐射敏感的接收器也可以根据目的地包括光电二 极管阵列、PSD或CMOS接收器。特别使用一维的或优选地为二维的CCD图像传感器作为照相机。
为了将待观察的区域与辐射敏感的接收器及/或照相机的特性相匹 配，当它们被分配确定待观察的区域的光阑时，是符合目的的。该光阑 在此可以作为正或负光阐构建，这样只有来自在相互作用区的环境中的 确定区域的辐射到达接收器，或者来自相互作用区的特定区域的辐射被 阻止到达接收器上。
为了实现根据本实用新型的监视装置的特别紧凑的构造，该监视装 置至少具有一个成像装置、 一个为激光束定义工作光路的聚焦光学系统、一个用于将来自在激光束和工件之间的相互作用区的区域中的辐射从工 作光路中输出耦合的元件以及至少一个用于将被输出耦合的辐射聚焦到 至少一个辐射敏感的接收器上的聚焦光学系统，以及接收器设备的所述 至少一个照相机，其中独特的聚焦光学系统被根据目的地分配给所述的 至少一个辐射敏感的接收器和接收器设备的所述的至少一个照相机，并 且特别是每个辐射敏感的接收器都被分配一个独特的聚焦光学系统。
为了将来自相互作用区的区域中的輻射从工作光路中输出耦合，可以设置不同的分光元件(Strahlteilerelemente)，它们分别让辐射的一部分 通过，而将另外的部分转向到辐射接收器的方向上。除了传统的、引起 辐射的根据强度或取决于波长的分离的分光镜，还可以使用所谓的刮刀 镜(Scraperspiegel)，它们引起辐射的空间分离，即它们例如让辐射束的 位于外部或内部的区域通过，而辐射束的位于内部或外部的区域被转向。 而在本实用新型的一种有利的扩展方案中设置了，用于将辐射从工作光 路中输出耦合的元件是一种部分透明的(teildurchlaessig)镜，特别是二 色性的(dichroitisch)镜，它让激光束通过并且将来自另外的与该激光束 不同的光谱范围中的辐射转向到接收器设备的方向上，其中来自待观察 区域中的辐射借助镜的转向为90。。
此外，当从工作光路中被输出耦合的辐射借助至少一个分光镜被分 离到不同的、分别被引导到单个的接收器和照相机上的射束中时，是符
合目的的。在本实用新型的另一种扩展方案中设置了，照相机以分配给它的聚 焦光学系统直接观察相互作用区的区域。在本实用新型的一种特别优选的实施形式中设置了，处理接收器设 备输出信号的分析电路为控制或调节激光束及/或激光加工过程的控制或 调节电路提供输出信号。在此，还使用分析电路的输出信号用于激光加 工过程的质量的记录是特别符合目的的。这种记录可以与每个被加工的 工件一同给出，这样在以后出现工件的使用损坏时，对此的原因可以被 简单地查明。为了在制造中的实际使用，当激光加工头装备以根据本实用新型的 装置用于监视激光加工过程时，其中该加工头具有一个壳体，激光束的 工作光路通过该壳体被引导，还具有聚焦光学系统用于将激光束聚焦到 设置在该壳体外的工作焦点中，是符合目的的。在此，当至少接收器设 备的所述的至少一个辐射敏感的接收器被集成在壳体中时，是符合目的 的。在本实用新型的一种替代的扩展方案中设置了，接收器设备的辐射 敏感的接收器分别被容纳在一个壳体中，这些壳体被安装在激光加工头 的壳体上，其中所述的至少一个照相机为了接收来自相互作用区的区域 中的、从工作激光束中被输出耦合的辐射而被安装在激光加工头的壳体 上。这也能够实现将已经存在的激光加工头加装以根据本实用新型的监 视装置。
以下参照附图进一步阐述本实用新型。其中图1示出了根据本实用新型的第一实施例的用于监视激光加工过程 的装置的极大简化的示意图，并且
图2示出了根据本实用新型的另外的一种实施例的带有监视装置的 激光加工头的示意性剖面图。
具体实施方式
在附图的不同图形中，彼此相应的部件具有相同的参考标号。在图1中示意性地示出了根据本实用新型的用于监视激光加工过程的装置，以下简称为监视装置，该装置被集成到激光加工头io中，该加工头仅仅通过聚焦光学系统11和由此确定的工作光路12表明。在根据 本实用新型的监视装置中设置的成像装置除了用于激光束13的聚焦光学 系统11之外，还包括第一部分透明镜14用于将待观察的福射从工作光 路12中输出耦合，第二部分透明镜15用于将被输出耦合的辐射分离到 辐射敏感的接收器16和照相机17上，聚焦光学系统18用于将从工作光 路中被输出耦合的辐射聚焦到辐射敏感的接收器16上，以及未被进一歩 示出的在照相机17中的聚焦光学系统。在辐射敏感的接收器16之前根据目的地布置了光阑19，借助它可以 选出在激光束13和工件21之间的相互作用区20中的区域。相应的光阑 也可以被布置在照相机17之前或优选地被布置在照相机17中。辐射敏感的接收器16和照相机17将相应于被接收的辐射的输出信 号提供给分析电路22，它将接收器16和照相机17的信号进行处理，以 在它那方面提供合适的输出信号用于质量保证和用于激光加工机的控制 或调节。分析电路22的输出信号，例如可以是表明激光加工过程的质量 或品质特征的状态信号，例如可以被输送给一个控制或调节电路23，该 电路在输出端A提供相应的控制信号用于驱动激光加工机，在该加工机 的激光加工头10中集成了根据本实用新型的监视装置。特别的是，当设置了装备以二维的接收器、例如CCD图像传感器的 照相机作为照相机17时，照相机17的输出信号也可以在输出端B被提
供用于连接显示器，这样在激光加工过程期间也可以由操作人员视觉地 评估激光加工。在激光加工机的运行期间，即例如在激光焊接或激光切割过程进行 期间，激光束13从聚焦光学系统11聚焦到工件21的表面上，在那里激光与工件相互作用，这样在相互作用区20的区域中的工件材料被熔化。 来自相互作用区20的区域中的辐射随后被聚焦光学系统11引导回工作 光路12中，在那里它借助第一部分透明镜14被从工作光路12中输出耦部分透明镜14在此根据目的地是一个二色性的镜，它实际上让工作 激光辐射无阻碍地通过，而它将来自其它的光谱范围中的辐射几乎完全 地反射。而该部分透明镜14也可以作为围绕工作激光束13的刮刀镜构建。从工作光路12中被输出耦合的辐射随后借助第二部分透明镜15被 分离到照相机17和辐射敏感的接收器16上。该部分透明镜15在此同样 可以具有二色性的特征，这些特征与照相机17和辐射敏感的接收器16 的光谱敏感性匹配。借助光阑19可以在相互作用区20的区域中选出确定的观察区域， 该区域同样可以相应于接收器16的光谱敏感性地被选择。换句话说，辐 射敏感的接收器16可以考虑到其光谱敏感性地相应于待观察的区域地被 选择。如果企图要检测来自在相互作用区上方的等离子云中的辐射，则 优选地使用UV敏感的接收器16，若反之要检测来自熔池或其边沿的区 域中的辐射，则接收器的敏感性被设置到可见的及/或近红外光上。可以设置相应的光电二极管作为辐射敏感的接收器16。然而也可能 使用位置敏感的检测器或CMOS接收器。光或辐射敏感的接收器16的输出信号被与照相机17的输出信号同 时地提供给分析电路22，该电路以合适的方式处理这些信号，以形成品
质、状态及/或故障信号。这种品质、状态及/或故障信号可以随后在控制 或调节电路23中被用于激光加工机的控制或调节，以形成为加工过程用 于调整激光功率及/或用于调整运行参数的相应的信号，该信号在相应的 机器控制装置的输出端A被递交。根据目的地，分析电路22被设置有另外的输出端C，在该输出端上提供相应的信号用于记录及/或显示，这样监视过程可以被记录。如在图2中所示，在激光加工头10上借助相应的连接壳体31、 32 安装了第一辐射敏感的接收器16'，第二辐射敏感的接收器16"和照相机 17，该激光加工头10仅仅通过其壳体30的一部分、聚焦光学系统11和 具有激光束13的工作光路12表明。激光加工头10的壳体30此外具有 连接部分33，分光镜14被布置其中，以将来自待观察区域或来自在激光 束13和工件21之间的相互作用区20范围内的区域的辐射从工作光路12 中输出耦合并且引导到接收器设备的方向中。在第一辐射敏感的接收器16'的连接壳体31中布置了射束分离器 (Strahlteiler) 15'，它将被输出耦合的辐射的一部分引导到辐射敏感的接 收器16'的方向中。在部分透明的镜15'和辐射敏感的接收器16'之间设置 了相应的聚焦光学系统18'和可选的滤色镜(Filter) 34，这样光谱特征通 过滤色镜34的光谱传输特性以及辐射敏感的接收器16'的光谱敏感性被 确定。该连接壳体31 —方面用于在激光加工头10的壳体30上接纳和固定 第一辐射敏感的接收器16'，并且另--方面也用于固定第二连接壳体32， 在该第二连接壳体中又布置了部分透明的镜15"，该镜让被部分透明的镜 15"允许通过的辐射的一部分通过到达照相机17，并且将另外的部分引导 到第二辐射敏感的接收器16"上。在被输出耦合的辐射的方向中在部分透明的镜15"之后又有聚焦光 学系统18"以将来自待观察区域的辐射聚焦到辐射敏感的接收器16"上。
虽然原则上有可能，来自待观察区域的、从工作光路中被输出耦合 的辐射以单个的聚焦光学系统聚焦到所有被连接的辐射敏感的接收器和 照相机上，然而根据本实用新型有利的是，每个辐射敏感的接收器和每 个照相机都分配有独特的聚焦光学系统，因为这样每个辐射敏感的接收 器也可以分配有独特的观察区域。单个接收器的光谱特征也还可以进一步地通过相应的二色性的分光 镜15'、 15"调整，这些分光镜分别仅仅将对于后接的辐射敏感的接收器 感兴趣的辐射输出耦合，并且让其余部分透过并到达一个或多个(未被 示出的)照相机17。根据本实用新型，来自在相互作用区的区域中的一个或多个区域中 的辐射为了在激光加工过程中的过程监视而以一个、两个或多个(未被 示出的)辐射敏感的接收器以及以至少一个照相机同时地在不同光谱范 围中检测，以能够根据待执行的加工过程充分利用不同监视的优点。由 不同接收器和照相机提供的信号随后为了控制及/或调节相应的激光加工 过程而被使用。特别可能的是，在此根据加工过程的类型或根据待加工 的材料的类型，接收器之一的输出信号优选地或仅仅被用于评估加工过 程的品质或效率。借助根据本实用新型的监视装置由此可能，对于特定的加工过程分 别选择接收器设备或照相机，对于该过程，它们在加工质量和信号之间 具有最有效的相关性。
权利要求1.用于监视激光加工过程的装置，包括——辐射敏感的接收器设备(16、17)，用于检测来自在激光束(13)和工件(21)之间的相互作用区(20)中的辐射，——至少一个成像装置(11、14、15、18)，该装置将相互作用区(20)中的至少一个待观察区域显示到接收器设备(16、17)上，以及——分析电路(22)，其特征在于，——所述辐射敏感的接收器设备(16、17)包括至少一个辐射敏感的接收器(16)和至少一个照相机(17)，以及——所述的至少一个辐射敏感的接收器(16)和所述的至少一个照相机(17)的输出信号被同时输送给该分析电路(22)，并且该分析电路处理接收到的接收器设备的输出信号，以在它那方面提供表明激光加工过程的进程特征的输出信号。
2. 根据权利要求l的装置，其特征在于，接收器设备包括第一和第 二辐射敏感的接收器(16'、 16")，它们具有不同的光谱敏感性。
3. 根据权利要求l的装置，其特征在于，该或这些辐射敏感的接收 器(16、 16'、 16")各包括光电二极管。
4. 根据权利要求1的装置，其特征在于，该或这些辐射敏感的接收 器(16、 16'、 16")包括光电二极管阵列、PSD或CMOS接收器。
5. 根据权利要求1的装置，其特征在于，所述的至少一个照相机(17) 具有一维或二维的CCD图像传感器。
6. 根据权利要求l的装置，其特征在于，至少一个辐射敏感的接收 器(16)及/或照相机(17)设置有确定待观察的区域的光阑(19)。
7. 根据权利要求6的装置，其特征在于，设置了正或负光阑作为光 阑(19)。
8. 根据前述权利要求之一的装置，其特征在于，所述至少一个成像 装置具有——为激光束(13)限定工作光路(12)的聚焦光学系统(11)， ——用于将来自在激光束(13)和工件(21)之间的相互作用区(20)中的辐射从工作光路(12)中输出耦合的元件(14)以及——至少一个用于将被输出耦合的辐射聚焦到所述至少一个辐射敏感的接收器(16)以及接收器设备的所述至少一个照相机(17)上的聚焦光学系统(18)。
9. 根据权利要求8的装置，其特征在于，所述至少一个辐射敏感的 接收器U6)以及接收器设备的所述至少一个照相机(17)分别配有独 特的聚焦光学系统(18)。
10. 根据权利要求9的装置，其特征在于，每个辐射敏感的接收器 (16'、 16")均配有独特的聚焦光学系统(18'、 18")。
11. 根据权利要求8的装置，其特征在于，用于将辐射从工作光路 (12)中输出耦合的元件是部分透明的镜(14)，该镜让激光束(13)通过并且将来自与激光束(13)的光谱范围不同的光谱范围中的辐射转向 接收器设备的方向中。
12. 根据权利要求ll的装置，其特征在于，该部分透明的镜(14) 是一种二色性的镜。
13. 根据权利要求ll的装置，其特征在于，来自待观察区域中的辐 射的借助镜(14)的转向为90。。
14. 根据权利要求8的装置，其特征在于，设有至少一个分光镜(15)， 所述分光镜将从工作光路(12)中输出耦合的辐射分离到不同的射束中， 这些射束被分别引导到单个的接收器(16)和照相机(17)上。
15. 根据权利要求1的装置，其特征在于，照相机(17)具有成像 装置，借助所述成像装置照相机直接观察相互作用区(20)的区域。
16. 根据权利要求1的装置，其特征在于，处理接收器设备(16、 17)的输出信号的分析电路(22)是一种分析电路，其为控制或调节激光束(13)及/或激光加工过程的控制或调节电路(23)提供输出信号。
17. 根据权利要求1的装置，其特征在于，处理接收器设备(16、 17)的输出信号的分析电路(22)是一种分析电路，其提供输出信号用 于监视及/或记录激光加工过程的质量。
18. —种激光加工头，用于借助激光束(13)加工工件(21)，该激 光加工头具有——壳体(30)，激光束(13)的工作光路(12)通过该壳体被引导；以及——聚焦光学系统(11)用于将激光束(13)聚焦到设置在该壳体 (30)外的工作焦点，即相互作用区(20)中； 其特征在于，该激光加工头还具有 ——根据权利要求1的用于监视激光加工过程的装置。
19. 根据权利要求18的激光加工头，其特征在于，至少接收器设备 的所述的至少一个辐射敏感的接收器(16)被集成在壳体(30)中。
20. 根据权利要求18的激光加工头，其特征在于，接收器设备的辐 射敏感的接收器(16'、 16")分别被容纳在壳体(31、 32)中，这些壳 体被安装在激光加工头(10)的壳体(30)上。
21. 根据权利要求18、 19或20的激光加工头，其特征在于，用于 接收从工作射束(12)中被输出耦合的、来自相互作用区(20)的区域 中的辐射的所述至少一个照相机(17)被安装在激光加工头(10)的壳 体(30)上。
专利摘要本实用新型涉及用于监视激光加工过程、特别是激光焊接或激光切割过程的装置，该装置至少具有一个辐射敏感的接收器(16)和至少一个照相机(17)，还包括至少一个成像装置，该成像装置将相互作用区(20)中的至少一个待观察区域显示到接收器设备(16、17)上；以及包括分析电路(22)，所述的至少一个辐射敏感的接收器(16)和所述的至少一个照相机(17)的输出信号同时输送给该分析电路，并且该分析电路处理被接收到的接收器设备的输出信号，以在它那方面提供表明激光加工过程的进程特征的输出信号。
文档编号B23K26/04GK201015816SQ20062011564
公开日2008年2月6日 申请日期2006年5月25日 优先权日2005年5月25日
发明者阿克塞尔·克特温克尔, 马库斯·科格尔-霍拉赫尔 申请人:普雷茨特两合公司