专利名称：用于在材料加工时监测过程的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于监测工件的加工区域的方法，在该工件上进行激 光加工，在该方法中，由加工区域发射的辐射通过一个探测系统以局部解
析(ortsaufgel6st)的方式检测；本发明还涉及一种用于监测工件的激光加 工的装置，该装置具有一个滤波装置和一个探测系统。
背景技术：
在激光加工方法中通常期望并且也必需的是，确定加工时预给定加工 区域内部的温度，以便例如可得出加工时分别需遵守的质量、确定的加工 区域的遵守、用于该加工的调节装置的推论。
因为在加工期间，相应加工区域的不同位置上的温度根据一些参数(例 如在加工时使用的相应激光器功率、激光射束的扫描速度和/或扫描方向和 当时待加工的工件)在时间上并且局部地改变，所以期望加工区域内部温 度的局部解析的确定。
公知的系统利用单个的光电二极管或者CCD/CMOS摄像机测量和评 判焊接过程。在此，以简单的辐射强度测量的形式检测红外线辐射。在该 辐射测量时，主要使绝对温度、发射系数、测量区的照明等叠加。此外， 辐射强度测量与光学装置的污染、观察光路中的烟雾和等离子体等密切相 关。所以，通过强度测量参数来评判过程是不精确的。
由DE 10 2004 051 876 Al中公开了一种用于以局部解析的方式测量温 度的装置，其中，工件的一个可预给定的加工区域可在一个以局部解析方 式进行测量的光学探测器上成像并且在加工区域与该光学探测器之间的光 路中设置有至少一个截止一个或多个激光加工束的电磁辐射的光学滤波 器0
发明内容
本发明的任务是，提供一种方法和一种装置，借助于它们可实现改善 的质量监测。
所述任务通过本文开头所述类型的方法解决，在该方法中，对于加工 区域的每个成像在探测系统上的面单元而言，加工区域的辐射同时在至少 两个波长的情况下被检测。对于两个波长获得的信息可以被分析并且彼此 被联系在一起。在本发明的意义上，加工区域包括蒸汽毛细部分、该蒸汽 毛细部分的熔体膜表面、周围的在激光焊接时出现的熔池、熔池尾迹
(Schmelzbadnachlauf)、凝固的材料和周围的热影响区。通过合适的分析可 以在熔池尾迹、凝固的熔体和热影响区中进行温度梯度的计算。由此可以 例如表征输出到工件中的热。此外，可以识别内部的焊缝缺陷、例如熔合 缺陷。也可以确定材料影响、例如硬化。此外，也可能的是，根据熔融液 态/固态的相过渡求得实际的熔池尺寸。最后，可以表征输入耦合到材料中 的能量并且从而可以推断内部的焊缝特征、例如焊入深度的波动、搭接接 头上的熔合缺陷等。因此该方法适合于监测过程并且特别是适合于监测加 工过程的和产生的焊缝的质量。
在特别优选的方法变型方案中提出，对于每个由探测系统检测到的面 单元而言，由检测到的辐射求得一个温度、特别是绝对温度和/或一个发射 系数。可通过本身公知的比例辐射高温测量学方法和/或通过电磁辐射与物 理辐射定律的分析适配由所述以至少两个波长被测量的辐射来求得绝对温 度和发射系数。为此，工件上每个被检测到的面单元的辐射借助于分析分 离转换为一个绝对温度和一个发射系数。由此产生一个由蒸汽毛细部分的、 该蒸汽毛细部分的熔体膜表面的、包围所述蒸汽毛细部分的熔体的、熔池 尾迹的、凝固的材料的和具有熔融液态/固态的相过渡的附加的单义的信息 的热影响区的温度值构成的图像。
特别优选的是，在考虑温度、特别是绝对温度和/或发射系数的情况下 进行质量评估。本发明的方法比公知的方法更精确。例如可以更精确地分 析一个熔融液态的、在其上已经形成一层氧化物层的区域。在该区域中， 由于氧化物层而存在与熔体相比较高的发射系数，其中，具有氧化物层和不具有氧化物层的两个区域具有类似的温度。在公知的方法中，这种区域 被错误地检测为凝固的熔体，因为熔融液态/固态的相过渡的分析基于通过 不同的发射率引起的辐射强度改变。通过分开地分析温度和发射系数，在 一个这样的部位上出现发射系数的跃变，但仅出现绝对温度的轻微改变。 熔融液态相的轮廓和大小可通过以下方式求得即确定如下区域，在所述 区域中，绝对温度低于材料的熔点。此外，平衡了如下效应即温度和发 射系数可相互反作用。低发射系数情况下的高绝对温度错误地导致较低的 辐射强度测量值或者在摄像机图像中导致露天熔池的显示与固态材料相比 较暗。由此，在公知的简单的辐射强度测量中错误地求得一个与凝固的或 者说固态的材料相比较低的熔池测量温度。
除了实际的熔融液态個态相过渡的探测之外，绝对温度同样对于凝固 了的材料和热影响区提供改善的评判可能性。在此，可求得具有精度较高 的、时间上的和域地点上的温度梯度并且对于焊接连接的质量结论提出证 明。
在一个有利的方法变型方案中可以提出，将由加工区域发射的辐射分 为多个单光路并且对这些单光路进行滤波。由此可能的是，以不同的波长 对由面单元发射出的辐射进行检测和分析。被发射的辐射的分配可以例如 借助分光镜进行。作为替代方案，所述辐射也可以输入耦合到配置给不同 面单元的纤维光学装置中，在所述纤维光学装置的端部上进行所述辐射的 波长选择性检测。
如果对于每个面单元都实施一个用于至少两个波长的光学滤波，则能 够以特别简单的方式方法以至少两个波长检测由一个面单元发射的辐射。
如果产生加工区域的多个与波长相关的图像，则得到本发明的另外的 优点。由这些热像的过程图像可以求得实际的温度图像和发射系数图像。 由此，能够通过简单的方式方法以图形显示和分析处理加工区域中的温度 分布和加工区域中的发射系数分布。
此外， 一种本文开头所述类型的装置也落在本发明的范围内，其中， 对每个被成像的面单元配置至少两个传感元件，对这些传感元件分别配置 一个光学滤波器，并且其中，这些滤波器对被发射的所述辐射以不同的波长进行滤波。在此，可对多个传感元件——用于不同的面单元——配置相 同的滤波器。但是，每个传感元件也可以具有一个自己的滤波器。这种装 置适合于实施本发明的方法，由此可得到关于所述方法提及到的优点。优 选本发明的装置与一个激光焊接装置形成一个单元。由此可能的是，可以 与激光材料加工同时实施分析和质量监测。在此，可以容忍过程监测与焊 接过程的较短的、时间上的或地点上的间距。
为了能够实施所述以不同的波长被吸收的辐射的分析，有利的是，设 置一个用于对每个面单元确定温度和/或发射系数的分析处理装置。
在一个优选的实施形式中可以在光路中设置分光器。由加工区域发射 出的辐射可通过该分光器分为多个单光路并且在选择性的窄带光谱范围中 通过成像光学装置成像在一个合适的探测系统上。在此，特别是可以在一 个探测器上产生多个图像。根据这些热像的过程图像可以计算温度图像和 发射系数的图像。
例如可以设置阵列-摄像机作为探测系统。优选该阵列-摄像机具有适合 于待测量的温度辐射的、即足够高的光谱敏感性。作为替代方案，也可以 设置多个单个的摄像机、尤其是阵列-摄像机作为探测系统，其中，在每个 单摄像机上成像一个单个的、选择性的光谱范围。所述或者至少一个阵列-摄像机可以由不同的半导体材料制成。
用于从可见光谱范围经过近红外光谱范围一直到远红外光谱范围的辐
射范围的探测器适合于作为摄像机。例如CCD、 CMOS-和^UnGaAs摄像 机适合于作为探测系统的摄像机，其中，该列举绝不是穷举的并且可以使 用其他类型的摄像机。当使用单摄像机时，也可以组合多个不同的摄像机。 例如可以对于不同的待测量光谱范围使用具有不同光谱敏感性的不同摄像 机。
在本发明的一个优选构型中可以提出，探测系统包括多个光电二极管 装置。在此，这些光电二极管装置可以包括一个或多个光电二极管。这些 光电二极管装置可以被构造为窄带光谱的单二极管或多二极管，以便对于 加工区域中的每个面单元同时探测相应的辐射份额。这些多二极管或单二 极管可以由不同的半导体材料构成。在一个有利的实施形式中，可以在光路中在光电二极管装置前面设置 一些纤维光学装置和/或成像光学装置。通过这些光电二极管装置可以形成 一个传感器阵列。在此，这些光电二极管或者纤维光学装置或工件面单元 的图像可以具有彼此任意的布置。
通过滤波装置能够以至少两个波长对每个被检测到的面单元的辐射进 行滤波，使得由每个面单元产生两个具有不同光谱辐射信息的图像点。该 滤波装置可以集成在摄像机阵列中、在单个传感元件前面设置在阵列表面 上或者设置在分光器与探测系统之间。此外，该滤波装置可以集成在分光 镜中或者设置在分光器上或集成在该分光器中。
此外可以考虑的是，滤波装置包括棋盘图案、条纹图案或者设置有一 些光学的单滤波元件。特别是可以根据所使用的探测系统或所需的局部温 度测量范围来合适地选择滤波装置。也就是说，滤波装置的滤波器的波长 可以适配于待测量的温度范围。较大的滤波器优选与阵列-摄像机结合使用。 整个加工区域的辐射可以通过一个分光器光谱中性地或光谱选择性地分为 多个光路。在此，将每个光路配置给一个波长滤波器，该波长滤波器位于 在阵列装置前面或在阵列装置上的分光器后面。作为替代方案，该光学滤 波器也可以已经安置在分光器上或分光镜上。由此，整个加工区域的辐射 被过滤。如果使用单个二极管，则可以对每个二极管并且从而对加工区域 的每个面单元配置一个小的滤波元件，由此，仅仅是由一个面单元发射出 的辐射通过滤波元件过滤。
该测量装置可以用一个基准辐射源校准。在此，优选使用一个黑色辐 射器，该辐射器在其基准辐射面上具有均匀的温度以及均匀的温度分布。 所述基准辐射通过所使用的设备/光学装置首先成像在探测器上并且接着进 行每个阵列元件/探测元件的校准。
由下面按照附图对本发明实施例的说明中以及由权利要求中得出本发 明的其他特征和优点，附图中示出对于本发明重要的细节。各个特征可以 本身单个地或者多个地以任意的组合在本发明的变型方案中实现。
附图中示出本发明的优选实施例，下面参照附图详细解释这些实施例。 图中示出-
图1是用于对激光加工装置进行质量监测的第一装置的第一示意图； 图2是用于对激光加工装置进行质量监测的第二装置的第二示意图。
具体实施例方式
在图1中示出一个用激光束48加工的工件10。在工件10的加工区域 11中形成一个熔池12，该熔池发射电磁辐射13。该电磁辐射13通过一个 聚焦光学装置14到达分光镜15并且到达可构造为棱镜的分光器16。
分光镜15如图1和2所示地可对于激光辐射48高透射地并且对于用 于热成像(Thermographie)的波长范围反射地构成。另外的变型方案也是 可能的，例如这样设置即分光镜15对于激光辐射高反射地并且对于用于 热成像的波长范围高透射地构成。
通过分光器16将电磁辐射13分为多个光路17、 18。这些光路17、 18 分别通过一个构造为聚焦光学装置的成像光学装置19、 20和一个滤波装置 21到达一个构造为阵列-摄像机的探测系统22。聚焦光学装置可以包括一个 透镜和/或一个反光镜。成像光学装置19、 20被这样构成，使得成像失真通 过色像差来补偿。此外，特别是为了轴向和横向定位，这些光学装置19、 20可被构造得可共同地沿射束方向以及沿横向移动并且也可彼此相对调 整。
滤波装置21包括一个用于对第一波长进行滤波的第一滤波器23和一 个用于对第二波长进行滤波的第二滤波器24。由此，通过滤波进行光谱选 择并且在探测系统22上出现加工区域11的两个不同的辐射图像25、 26。 由这些辐射图像25、 26可通过分析方法对于加工区域11的每个面单元求 得一个绝对温度和一个发射系数。所述分析在一个分析处理装置30中执行。 所述绝对温度和/或发射系数又说明了加工过程的质量。
如图l和2所证明的， 一个包括毛细部分、熔池、凝固的熔体和热影 响区的加工区域11被分为多个面单元35。按照图2，由面单元35发射的 辐射通过一个聚焦光学装置14到达一个分光镜15。在电磁辐射13的光路中设置一个成像光学装置36，该成像光学装置将每个单个面单元35的辐射 输入耦合到纤维光学装置37、 38中，这些纤维光学装置在一端通过一个保 持架50保持。所述辐射通过这些纤维光学装置37、 38到达滤波元件39-42， 其中，对每个面单元35并且从而对每个纤维光学装置37、 38配置两个滤 波元件39-42。通过滤波元件39-42滤波的辐射通过构造为光电二极管装置 47的光电二极管43-46的传感元件检测。由此，对于每个面单元35又产生 不同的光谱选择性辐射测量点，这些辐射测量点可以通过一个分析处理单 元30来分析。特别是可对于每个面单元35求得一个温度和/或一个发射系 数。被分析的面单元35的数量通过传感元件的数量确定。光电二极管装置 47构成传感系统。
光纤37或被成像的图像点35可以作为阵列或者彼此间以任何其他任 意的布置(圆、线、十字等)在工件上成像。
权利要求
1、一种用于监测工件(10)的加工区域(11)的方法，在该工件上进行激光加工，在该方法中，由加工区域(11)发射的辐射通过一个探测系统(22)以局部解析的方式检测，其特征在于，对于加工区域(11)的每个成像在探测系统(22)上的面单元(35)而言，该加工区域(11)的辐射同时以至少两个波长被检测。
2、 如权利要求1所述的方法，其特征在于，对于每个由探测系统(22) 检测到的面单元(35)而言，由检测到的辐射求得一个温度和/或一个发射 系数。
3、 如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在考虑所述温度和 /或所述发射系数的情况下进行质量评估。
4、 如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，将由加工区域(11) 发射的辐射分为多个单光路(17， 18)并且对这些单光路(17， 18)进行
5、 如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，对于每个面单元(35) 进行用于至少两个波长的光学滤波。
6、 如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，产生加工区域的多 个与波长相关的图像(25， 26)。
7、 一种用于监测工件(10)的激光加工的装置，其具有一个滤波装置 (21)和一个探测系统(22)，其特征在于，对每个被成像的面单元(35) 配置至少两个传感元件，对这些传感元件分别配置一个光学滤波器(23，,24， 39-42)，其中，这些滤波器(23， 24， 39-42)对被发射的所述辐射以 不同的波长进行滤波。
8、 如权利要求7所述的装置，其特征在于，设置有一个用于确定每个 面单元(35)的温度值和发射系数的分析处理装置(30)。
9、 如上述权利要求7或8之一所述的装置，其特征在于，在光路中设 置一个分光器(16)。
10、 如上述权利要求7至9之一所述的装置，其特征在于，设置阵列-摄像机作为探测系统(22)。
11、 如上述权利要求7至10之一所述的装置，其特征在于，设置多个 单个的摄像机、特别是阵列-摄像机作为探测系统(22)。
12、 如权利要求10或11所述的装置，其特征在于，所述或至少一个 阵列-摄像机由不同的半导体材料制成。
13、 如上述权利要求7至12之一所述的装置，其特征在于，所述探测 系统包括多个光电二极管装置(47)。
14、 如权利要求13所述的装置，其特征在于，这些光电二极管装置(47) 包括一个或多个光电二极管(39-42)。
15、 如权利要求13或14所述的装置，其特征在于，在光路中在光电 二极管装置(39-42)前面设置一些纤维光学装置(37， 38)和/或成像光学 装置(36)。
16、 如上述权利要求7至15之一所述的装置，其特征在于，这些光电二极管(39-42)或纤维光学装置(37)或者面单元(35)的成像作为阵列 设置或者彼此间以其他任意的几何形式设置。
17、 如上述权利要求13至16之一所述的装置，其特征在于，这些光 电二极管(39-42)由不同的半导体材料制成。
18、 如上述权利要求7至17之一所述的装置，其特征在于，所述滤波 装置(21)集成在摄像机阵列中、设置在单个传感元件前面的阵列表面上 或者设置在分光器(16)与探测系统(22)之间。
19、 如上述权利要求7至18之一所述的装置，其特征在于，所述滤波 装置(21)集成在分光镜(15)中或者安置在分光器(16)上或集成在该 分光器中。
20、 如上述权利要求7至19之一所述的装置，其特征在于，所述滤波 装置(21)包括棋盘形图案、条纹形图案或者一些光学的单滤波元件的设 置。
21、 如上述权利要求7至20之一所述的装置，其特征在于，所述滤波 装置(21)的滤波器的波长适配于待测量的温度范围。
22、 如上述权利要求7至21之一所述的装置，其特征在于，所述滤波 装置(21)的滤波器的波长适配于待测量的测量点。
23、 如上述权利要求7至22之一所述的装置，其特征在于，所述成像 光学装置(19， 20)为了补偿色像差、特别是为了轴向和横向定位而彼此 相对可调整地构成。
全文摘要
本发明涉及一种用于监测工件(10)的加工区域(11)的方法，在该工件上进行激光加工，在该方法中，由加工区域(11)发射的辐射通过一个探测系统(22)以局部解析的方式检测，其特征在于，对于加工区域(11)的每个在探测系统(22)上成像的面单元(35)而言，加工区域(11)的辐射同时以至少两个波长被检测。由此可进行精确的过程监测。
文档编号G01J5/60GK101553339SQ200680056285
公开日2009年10月7日 申请日期2006年11月4日 优先权日2006年11月4日
发明者D·普菲茨纳, T·埃斯, W·马格 申请人:通快机床两合公司