(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導された高エネルギービーム、例えばレーザービームのプラズマによる材料加工方法であって、加工材料（10）の領域から発するビームを、加工材料（10）に集束されたレーザービーム（12）の軸線で時間に依存して観察する方法において、
蒸気毛細管（13）の専ら横断面だけを、加工材料の全厚さ（14）を検出する被写界深度で観察し、プラズマビームの強度の平均値を、浸入深さに対する尺度として使用する、ことを特徴とする材料加工方法。
【請求項２】
ビーム強度の平均値を強度ピーク値を除外して検出し、該強度ピーク値は光学信号および／または音響信号と同時に発生するものであり、
当該信号を集束されたレーザービーム（12）の側方から検出する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
蒸気毛細管（13）内の強度ピーク値発生個所を、相互に時間的に所属する軸方向測定値と横方向測定値との伝搬時間差測定によって検出する、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
誘導されたレーザービーム（12）のプラズマによる材料加工装置であって、前記レーザービームはミラー（15）によって加工材料に集束され、加工材料（10）から発するビームを、集束されたレーザービーム（12）の方向で観察する光学系（16）を有する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法を実施するための装置において、
観察光学系（16）の半径方向観察領域が蒸気毛細管の横断面に制限され、
プラズマビームの強度平均値を検出する測定装置が設けられており、
観察光学系（16）は、ビーム路中に後置されたダイオード列（18）を備えた円筒レンズ（17）を有し、
前記ダイオード列は斜めに配置されており、かつ評価ユニット（19）に接続されており、該評価ユニットは個々のダイオードの出力値を所定の基準値と関連して評価する、ことを特徴とする装置。
【請求項５】
誘導されたレーザービーム（12）のプラズマによる材料加工装置であって、前記レーザービームはミラー（15）によって加工材料に集束され、加工材料（10）から発するビームを、集束されたレーザービーム（12）の方向で観察する光学系（16）を有する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法を実施するための装置において、
観察光学系（16）の半径方向観察領域が蒸気毛細管の横断面に制限され、
プラズマビームの強度平均値を検出する測定装置が設けられており、
観察光学系（16）は回転対称のレンズを有し、
該レンズの光軸（11）に光センサ（20）が配置されており、
該光センサは、観察光学系（16）の焦点（24）に共役の面から発したビーム成分を検出し、
少なくとも１つの別の光センサ（21）が観察光学系（16）の光軸の外に配置されており、
前記別の光センサは、観察光学系（16）の焦点（24）に共役でない面から発するビーム成分を検出し、
すべての光センサ（20、21）は評価ユニット（19）に接続されており、
該評価ユニットは測定されたビーム強度を所定の基準値と関連して評価する、ことを特徴とする装置。
【請求項６】
光センサ（20、21）は光導波体である、請求項５記載の装置。
【請求項７】
加工材料（10）から発するビームのスペクトル領域をバンドパスフィルタにより制限する、請求項４から６までのいずれか１項記載の装置。
【請求項８】
レーザービーム（12）はリングモード（23）を有し、
穴付ミラーが焦点ミラー（15）として設けられており、
該焦点ミラー（15）の穴（22）はリングモード（23）のリングマキシマム（28）内に配置されている、請求項４から７までのいずれか１項記載の装置。
【請求項９】
観察光学系（16）の焦点は加工材料（10）の下側（10'）に配置されている、請求項４から８までのいずれか１項記載の装置。
【発明の詳細な説明】
本発明は、誘導された高エネルギービームのプラズマによる材料加工方法に関する。この方法では、加工材料の領域から発したビームが、加工材料に集束されたレーザービームの軸線で時間に依存して観察される。
前記の特徴的構成を有する方法は、一般的にレーザー溶接法として公知である。その際に観察される光学的および音響的信号は監視および制御のために使用される。この種の信号は加工材料表面または加工材料表面の上側から発する。ここでは例えば基部貫通の検出は絶縁されたパラメータ領域でのみ可能である。さらに一般的には、基部貫通を検出するために観察すべき加工材料の下側を観察することが公知である。しかし加工材料の下側には工業的製造プロセス中、しばしば接近するのが非常に困難である。従って、加工材料への溶接の深さをその表面から検出すること、すなわちレーザービームが供給されている側から検出することが必要である。
従って本発明の課題は、冒頭に述べた構成を有する方法をさらに改善し、加工材料の上側からの浸入深さを確実に連続的に、材料処理中に検出することができるように構成することである。
本発明に対しては、レーザービームと加工材料との....ゾーンの奥へ入り込む観察を行うことが重要である。従って信号を蒸気毛細管の内側から確実に検出し、評価することが必要である。このことは、専ら蒸気毛細管の横断面だけを観察し、障害となる横方向信号を排除することによって達成される。観察されるのは、プラズマ加工の際に発生するプラズマの発光強度である。しかしこの強度は大きく変動するから、プラズマビームの強度の平均値が浸入深さに対する尺度として使用される。レーザービームが加工材料に、交互作用ゾーンの深さが材料の厚さと同じになるだけ浸入すると、基部貫通が存在する。強度平均値の特徴的偏差が材料処理過程の時間経過に現れる。必要な場合には、処理方法を中断または切り替えて、不所望の加工結果を回避するために貫通溶接しないようにする。
前記の方法では、ビーム放出粒子の濃度と温度が蒸気毛細管中で一定であると簡略的に仮定した。この仮定の下では、測定されたビーム強度は一次近似で加工材料への蒸気毛細管の浸入深さである。しかし蒸気毛細管内の濃度と温度に影響を及ぼす多数のファクタがある。従って、仮定した一定性は存在しない。影響パラメータは例えば、蒸気毛細管内で吸収フロントおよび融解フロントが運動する結果のダイナミックな過程である。加工幾何形状も非常に大きく影響する。このことに起因する強度変動は測定結果に悪影響を及ぼす。しかしこのことは、ビーム強度の平均値を、強度ピーク値を遮断して検出することによって排除される。ピーク値は光学的および／または音響的信号と同時に発生し、これらの信号はフォーカスされたレーザービームの横方向から検出することができる。
しかしビーム強度の変動は、蒸気毛細管における過程ないしこの過程の位置についての情報を含む。この発生個所を検出するために本発明の方法を次のように行うことができる。すなわち、蒸気毛細管における強度ピーク値の発生個所を、相互に時間的に所属する測定値の軸方向および横方向での伝搬時間差を検出することによって行うのである。強度ピーク値のこの個所には飛沫および細孔による加工エラーが発生し得る。処理方法の品質管理が可能である。
本発明は、誘導されたレーザービームのプラズマによる加工材料処理装置にも関連する。このレーザービームは、ミラーによって加工材料にフォーカシングされ、加工材料から発したビームをフォーカシングされたレーザービームの方向で観察する光学系を有する。
レーザービームの....ゾーンないし蒸気毛細管の加工材料への浸入深さを時間経過で連続して検出するために、かつ同時に蒸気毛細管の深さの異なる領域から情報を得ることができるようにするため、本発明の装置は、観察光学系の半径方向観察領域が蒸気毛細管の横断面に制限され、プラズマビームの強度の平均値を検出する測定装置が設けられており、観察光学系がビーム路に後置されたダイオード列を備えた円筒レンズを有し、このダイオード列が斜めに配置され、かつ評価ユニットに接続されており、評価ユニットが個々のダイオードの出力値を基準値と関連して評価するように構成されている。この基準値は例えばビーム強度の平均値である。観察光学系の半径方向観察領域を蒸気毛細管の横断面に制限することによって、蒸気毛細管周囲の加工材料の領域からの影響が排除されることが保証される。測定装置は、変動を除外するためにプラズマビームの強度の平均値を形成する。この変動は浸入深さ等の測定結果を不所望に損なう。観察光学系を用いて、蒸気毛細管の種々異なる深さから発生するビーム信号を検出し、評価ユニットにより強度ピーク値の位置決めをするために評価することができる。
従って前記の課題は次のようにして解決される。すなわち、観察光学系の半径方向観察領域を蒸気毛細管の横断面に制限し、プラズマビーム強度の平均値を検出する測定装置が設けられており、観察光学系は回転対称レンズを有し、このレンズの光軸に光センサが配置されており、この光センサは観察光学系の焦点に共役の面から発するビーム成分を検出し、少なくとも１つの別の光センサが観察光学系の光軸の外に配置されており、この光センサは観察光学系の焦点とは共役でない面から発するビーム成分を検出し、すべての光センサは評価ユニットに接続されており、この評価ユニットは測定されたビーム強度を所定の基準値と関連して評価するように構成して解決される。
前記の装置を簡単に構成するために、光センサは光導波体である。
前記装置の測定結果をさらに正確にすることは、加工材料から発するビームのスペクトル領域をバンドパスフィルタにより制限することによって達成される。蒸気毛細管の深さについての情報を十分に明確に示さない、プラズマ発光のスペクトル領域は遮断する。
レーザービームがリングモードを有し、焦点ミラーとしての光ミラーが設けられており、焦点ミラーの穴がリングモードのリングマトリクス内に配置されているように装置が構成されていれば、ビームの出力損失を焦点ミラーの穴の領域で低減することができる。このことはとくに、できるだけ大きな軸方向解像度ないし小さな軸方向被写界深度を達成するために比較的大きな穴が選択された場合に有利である。
観察光学系は、その焦点構成並びにその焦点の共役面についての構成の点で、加工材料をレーザービームの加工材料上の衝突点ないし焦点で観察でき、かつその上方または下方でも観察できるように構成する。有利には貫通溶接を問題なく検出し、また蒸気毛細管の全横断面を観察する装置を整合するように、観察光学系の焦点を加工材料の下側に配置する。
本発明を以下、図面に示された実施例に基づいて説明する。
図１は、レーザービームによる加工時に加工材料を観察するための装置の概略図、
図２は、CO2レーザーによるパルスの信号経過を示す線図、
図3aから図3cは、CO2レーザーによるレーザービーム溶接の際の貫通溶接プロセスの蒸気毛細管の形成を説明するための図、
図４は、時間的センサ信号と溶接の深さとの関係を時間に依存して示す線図、
図５は、本発明の観察光学系の概略図、
図６は、本発明の観察光学系の別の概略図である。
図１は、加工材料10を示す。この加工材料は焦点合わせされたレーザービーム12によって加工される。加工としては使用されるレーザーによって、溶接、切断、穴あけ、切除、再溶解がある。レーザーから放射されたレーザービーム12'は反転ミラー25によって焦点ミラー25に偏向される。焦点24は例えば加工材料表面26上にある。焦点ミラー15として穴付ミラーが使用される。このミラーの穴27は、リングモード23を有するレーザービーム12のリングマキシム28内に配置されている。穴27は加工材料表面26を観察するための自由空間を加工材料10の焦点24の領域に許容する。観察のために観察光学系16が使用される。この観察光学系は加工材料10を焦点合わせされたレーザービーム12の軸線11の方向で正確に観察する。観察光学系16により記録された光は光導体29でまとめられる。この光導波体は観察光学系16を評価ユニット19と接続し、これにより測定値評価が行われる。
観察光学系16ができるだけ高い解像度を達成できるように、穴はできるだけ大きく選択される。この目的のために、観察光学系16はできるだけ小さな焦点距離を有する。観察光学系16の焦点30は、図１の実施例では、加工材料10の裏側10'に配置されている。従って観察光学系16は、加工材料14全体の領域で焦点24の専ら上部を観察する。しかし観察光学系16の焦点30を別の構成にすることもできる。例えば、フォーカス24の上部と下部の両方を観察することもできる。すなわち、比較的に大きな被写界深度によりレーザービーム12と加工材料10との交互作用ゾーンを観察することもできる。焦点30を、加工材料10の上部も観察できるように構成することもできる。
観察プロセスはレーザーのパルス駆動中に、パルス休止中と同じように行われる。レーザーとしては例えばCO2レーザーを使用することができる。焦点ミラー15として構成された穴付ミラーの代わりにGaAs窓を使用することもできる。このGaAs窓はCO2レーザーの光を通過させるが、しかし加工材料10の交互作用ゾーンから発した光は通過させない。これにより交互作用ゾーンを形成する蒸気毛細管13を観察することができる。同じようにZnSe窓を使用することも可能である。この窓はCO2レーザーの光を反射するが、しかし交互作用ゾーンから発した可視光線は通過させる。CO2レーザーの代わりに、材料加工のためにNd−YAGレーザーを使用することもできる。
観察光学系16により、観察過程を入射する集束レーザービーム12に対して軸方向に行うことができる。この観察光学系16にはバンドパスフィルタが設けられている。バンドパスフィルタは入射光を500nm±5nmに制限し、これによりビームスペクトル全体がレーザー誘導プラズマの放射で優勢な波長領域に制限される。観察光学系の被写界深度は変化することができる。被写界深度は例えば、交互作用ゾーン全体ないし蒸気毛細管13ないし加工材料厚さ14が観察光学系により検出できるように調整される。光学系の解像度は半径方向、すなわち軸線11に対して横方向に0.5mmの測定領域に調整される。このことは、吸収フロント41が図１に示すような平均傾斜を有し、毛細管の深さが5mmであるときに、図１の装置により検出された信号が蒸気毛細管の領域全体の放射を完全に表すことを意味する。
図２は、評価ユニット19により検出された、CO2レーザーによるプラズマの際の信号経過を示す。このCO2レーザーの出力は周波数10Hzで変調されている。約3kWの低レベルが、図２の下に示されている。比較的に高いレベルは約6kWである。所定のプロセスパラメータの下で、低出力レベル時にはレーザー誘導プラズマはほとんど消失する。その間溶接プロセスは小さな溶接深さで行われる。この溶接深さはビーム直径のオーダーにある。熱電力溶接が行われる。レーザー出力が大きい際には、貫通溶接プロセスが達成される。ここではレーザービーム12によってプラズマが誘導される。その際にレーザービーム12は、高出力の投入接続時点で予熱された溶融浴に達する。この溶融浴の表面は相変わらず蒸気温度近傍の温度を有している。このプロセスでは、どの特徴的作用がビーム信号への貫通溶接を有しているかが最適に説明される。このビーム信号は形成されたプラズマから発する。
高レーザー出力のインターバル開始時に、レーザービーム12は滑らかな溶融表面31に達する。加工材料10の溶接体32は固体加工材料10により形成された凹部33にある。溶融体の上部にはプラズマ34が形成される。プラズマ34と溶融体32との間には吸収フロント41が存在する。すなわち、液体と気体との相境界であり、この領域でレーザービーム12は蒸気毛細管13の液体壁に衝突する。溶融体32と固体加工材料10との間には溶融フロント35が存在する。すなわち、液体と固体との相境界が存在する。溶融フロントの深さは浸入深さを表す。すなわち、プラズマ溶接の際に、吸収フロントの深さを無視した蒸気毛細管の深さを表す。
プラズマ34は発光し、発光された光は上記の観察光学系16によって記録される。その際に、信号経過に対する解釈のために、上記の構成とこの観察光学系16のデータが重要である。プラズマの観察が制限された波長領域（光学的に狭いとみなすことのできる）で行われれば、観察されるビームの強度は観察領域にある粒子の数に比例する。加工方向に対して軸方向に加工材料の全厚さにわたって鋭く観察すれば、プラズマ光の測定強度は一次近似で、加工材料への蒸気毛細管の浸入深さに比例する。このプロセスは理想的には経過しないから、蒸気毛細管内の密度と温度は一定でない。なぜなら例えば、蒸気毛細管の部分的閉鎖が吸収フロントおよび溶融フロントの運動の際に、さらに高い蒸発率をリラクゼーション中に定常状態で要求する。さらに放射光ないしその強度は加工パラメータと影響パラメータにも依存する。しかし基本過程は図3aから図3cに基づいて説明することができ、これらにより図２上部の信号経過を説明することができる。
図3aの吸収フロント41は最初は小さな深さを有するから、レーザー出力の大きな強度によって急激に大量の加工材料を蒸発させる。短時間の高い材料密度はレーザービームの高い吸収につながり、ひいては蒸発された材料中の温度が高くなる。この過程は急速に経過し、蒸発した材料は膨張することができない。従ってビーム強度は急激に上昇し、強度ピーク値が生じる。その間はまだ吸収フロント41は目だった運動をせず、溶融フロント35はまったく運動しない。
材料蒸気の加熱に起因して、ここでは雰囲気に対して過圧が形成される。材料蒸気が膨張するようになる。その結果、プラズマ温度と材料蒸気密度の退行が生じる。プラズマビームの強度は低下する。前記のプロセスは図２に１により示されている。
他方では膨張した材料蒸気は溶融体32を圧迫し、蒸気毛細管の形成が始まる。溶融体32は大部分が排除される。蒸気毛細管の最深部と吸収フロント41にはレーザー出力が大きいため相変わらず過剰の強度が存在し、その結果レーザービームは一部が反射され、蒸気毛細管は再び離れ、一部は溶融フロントの蒸発動作と運動に変換される。固体の加工材料10への穴あけプロセスが始まる。図3bはレーザービーム12の部分ビーム12"を示す。レーザービームは一部が反射され、一部が吸収される。蒸気毛細管の発生の開始時に、吸収フロント41での運動が、蒸発した材料の反動圧力にもとづいて行われ、そのサインい溶融フロント35は顕著な運動をしない。
エネルギーをプラズマを介して吸収フロントに入力結合し、溶融フロント35への方向の吸収フロントの運動が開始することにより、固体の加工材料10への本来の穴あけプロセスが開始する。吸収フロント41における溶融層の厚さは小さくなる。底部では図3cが示すように溶融層はほとんど存在しない。しかしこのことは、薄い溶融層が非常に小さな程度まで変動することを意味する。従ってプラズマビームの観察強度には僅かな変動が重畳されている。このことはプラズマ信号の経過、すなわちプラズマビームの強度経過に時間に依存して非常に明瞭である。
蒸気毛細管が固体加工材料10にさらに浸入する際、蒸気毛細管は中央で次のような深さになる。すなわち、第２の反射が蒸気毛細管13の壁または底部に衝突するような深さになる。図3c参照。これにより全体として吸収されるレーザー出力が第２の反射の成分だけ増大し、このことは信号跳躍につながる。レーザービームの更なる反射が蒸気毛細管内で行われるとこのことは、ビーム吸収につながり、相応の跳躍が信号経過に生じる。更なる反射に起因する信号レベルはそれ以上トリガされず、多重反射の作用を介してCO2レーザーはほぼ完全に吸収されるとき中程度の信号上昇は終了する。この疑似的平衡状態はとりわけ信号変動の大きな上昇によって指示される。その原因は、固体加工材料の別の穴に対して十分な出力が存在しないことである。従って毛細管フロントでは、毛細管が所定の搬送速度で固体内に入り込みことができるのに必要なだけ加工材料が蒸発される。緩慢な熱上昇がますます大きな役割を果たし、比較的に厚い溶融層が形成される。これにより再び信号変動が大きくなる。この領域は２により示されている。
その前に、吸収フロントの運動が、蒸発した加工材料の反動圧力によって溶融フロントの顕著な運動なしに行われる。ビーム信号の所属の形状は平均信号値を中心に大きく変動する。プラズマ形成と後続の吸収フロントの運動は、溶融フロントも高速に運動するまで維持される。この場合、信号の大きな変動は抑圧される。前記の過程は図２に３により示されている。
信号変動が大きいため、図２の信号経過に基づく浸入深さの検出の際に大きな困難がある。しかし変動は蒸気毛細管中の過程に関する情報も含んでおり、この情報は浸入深さの検出に必要である。適切な手段によって信号経過から、強い信号変動があっても平均浸入深さを選別することができる。このような時間的平均は図４に示されている。図２と図４の時間尺度の比較から、図２の信号経過は図４の上昇フェーズに相当することがわかる。全体として図４の下に図示した加工材料横断面を注意してみると、浸入深さないし溶接深さが質的および量的に平均センサ信号によって非常に良好に再生されていることがわかる。
材料加工の際に発生する信号特異性は測定結果に悪影響を及ぼす。これは時間的に独立した強度ピーク値、いわゆる信号ピークであり、表面が強く急速に加熱されることによって発生する。この信号ピークの短時間の間、吸収フロントないし溶融フロントの運動は不可能である。さらにこの信号の顕著な疑似周期的変動が定常の平均信号値を中心にして発生する。この変動は、蒸気毛細管内の吸収フロントの液圧ダイナミック変動によるものである。これに起因する信号経過の間違いが除外するため、トリガされるフィルタを使用することができる。この場合のトリガは、音響的および／または光学的信号を利用する。これらの信号は例えば強い蒸発によって生じるものであり、側方から観察することができる。すなわち、レーザービーム12の軸線11の外から観察できる。
強度ピーク値をレーザービーム12の軸線11で観察することも可能である。また横方向から観察することも可能である。レーザービームの軸線で検出された信号とその側方から検出された信号の伝搬時間測定ないしの伝搬時間差を検出することによって、蒸気毛細管中の信号値の発生個所を求めることができる。この測定はエラー検出に利用される。
蒸気毛細管内の特別な過程の位置決めはとくに重要である。蒸気毛彩管の深さにわたって分割された蒸気毛細管の局所的結像を得るために、特別に構成された、プラズマビームを観察するための装置を使用することができる。図５は、円筒レンズ17を有する観察光学系の構成を概略的に示す。このレンズの焦点17'には、それぞれの焦点に共役の面が直線として結像される。円筒レンズ17から最も離れた対象物の個所に配属された共役面、すなわち蒸気毛細管内で最も深い所定個所の共役面が円筒レンズ17から最も離れた線形焦点17'として鮮鋭に結像される。蒸気毛細管を深さ全体にわたって検出することができるようにするためには、それぞれ求める線形焦点17'を検出する必要がある。このために、円筒レンズ17にビーム路中で後置されたダイオード列18を使用する。しかしこのダイオード列は図５からわかるように、軸線11に対して鋭角に配置されている。その結果、蒸気毛細管の種々の平面を異なるダイオードに鮮鋭に結合することができる。従って強度ピーク値が蒸気毛細管の底部領域に発生すれば、相応するダイオード信号が円筒レンズ17から最も離れたダイオードの領域で期待される。このようなダイオード信号は、ビーム強度の平均値を形成する際にトリガに使用することができる。これはまた材料加工の軌跡経過中の位置的領域を記録するためにも使用できる。ダイオード列18のダイオードの出力値全体からプラズマビームの強度平均値が形成される。この平均値は浸入深さに対する尺度としてみなすことができる。
別の特別な測定装置を図６が示す。レーザービーム12の光軸11には、観察光学系16として回転対称光学系が使用される。この光学系は、その画像平面に共役の面から発生するビームを、光軸11の点に集束する。この点には穴絞り37の穴36が配置されている。穴の後方には、光センサ20が光導波体として設けられており、この光センサは観察焦点30のプラズマビームの成分を検出する。穴絞り27はさらに、穴36から半径方向に離れた穴38を有し、ここには光センサ21が後置されている。この光センサも同様に光導液体として構成されており、プラズマビームの成分を測定する。このプラズマビームの優勢な信号成分は観察焦点30の共役面にはない。このようにして同時に、蒸気毛細管の交互作用ゾーンの深さの信号および加工材料10の上部と下部の信号が検出され、相互に比較される。図６には、４つの穴38が穴36から同じ半径で離れている。基本的にはただ１つの穴38で十分である。別の情報を求めるために穴を異なる半径に配置することができる。
【図２】
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【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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