DE4106008A1

DE4106008A1 - METHOD FOR ON-LINE MONITORING IN WORKPIECE PROCESSING WITH LASER RADIATION

Info

Publication number: DE4106008A1
Application number: DE19914106008
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl Phys Seidel; Peter Dipl Ing Abels; Eckhard Dipl Ing Dr Beyer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1991-02-26
Filing date: 1991-02-26
Publication date: 1992-08-27
Also published as: DE4106008C2

Abstract

Method of on-line monitoring the effect of a laser beam on the surface of a workpiece, esp. during welding consists of using the laser beam focussing device to direct the emitted light (13) from the area around the work area (11) to cylindrical lenses (A,B) which focus the light onto two receiver units (A'B') arranged at an angle to each other and built as single dimension working receiver lines. These receivers send out electric signals to an evaluation unit which produces data concerning the local and/or statistical brightness distribution of the area (11). ADVANTAGE - The monitoring takes place without stopping the welding process.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur on-line- Überwachung bei der Werkstückbearbeitung mit Laserstrahlung, insbesondere zur Erkennung von Schweißfehlern durch Beobachtung von Schweißspritzern, bei dem aus dem Bereich um die mit Laser strahlung beaufschlagte Bearbeitungsstelle herum emittiertes Licht durch einen Strahlteiler zu zwei optoelektrischen Empfän gern gelangt, die eine Auswertungseinrichtung beaufschlagen, in der Daten über das Bearbeitungsergebnis gewonnen werden.The invention relates to a method for on-line Monitoring of workpiece processing with laser radiation, especially for the detection of welding defects by observation of welding spatter, in the area around the laser processing point emitted by radiation Light through a beam splitter to two optoelectric receivers gladly arrives that charge an evaluation facility in the data about the machining result are obtained.

Beim Bearbeiten von Werkstücken mit Laserstrahlung ist es erforderlich, den Bearbeitungsprozeß on-line zu überwachen, um in diesem Prozeß sofort oder nachträglich auf Werkstück- und Prozeßänderungen reagieren zu können. Beispielsweise beim Schweißen von Werkstücken mit Ausbildung einer Dampfkapillare, dem sogenannten keyhole-Schweißen, können infolge von Verdamp fungsvorgängen in der Dampfkapillaren Schweißspritzer entste hen, also mehr oder minder große Mengen flüssigen Materials, das infolge des Dampfdrucks aus der Dampfkapillaren herausge schleudert wird. Dieses herausgeschleuderte Material steht für die Schweißnahtbildung nicht mehr zur Verfügung, so daß infol gedessen Schweißfehler auftreten können.It is when machining workpieces with laser radiation required to monitor the machining process online in this process immediately or afterwards on workpiece and Being able to react to process changes. For example at Welding of workpieces with formation of a steam capillary, the so-called keyhole welding, can result from evaporation processes in the steam capillaries hen, i.e. more or less large amounts of liquid material, that due to the vapor pressure from the vapor capillaries is hurled. This thrown out material stands for the weld seam formation is no longer available, so that infol welding errors can occur.

Aus der DE 39 08 187 A1 ist ein Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen bekannt. Zur Beobachtung von Schweißsprit zern beim Schweißen wird ein separat von der Laserstrahlfokus sierungsoptik anzuordnendes optisches System verwendet, das un ter flachem Winkel zur Werkstückoberfläche seitlich von der Be arbeitungsstelle positioniert und gehaltert werden muß. Das stört, weil der Bereich seitlich der Laserstrahlfokussierungs optik für andere notwendige Anbauten möglichst frei bleiben sollte, beispielsweise für Prozeßgasdüsen od. dgl. Um Lichtsi gnale aus dem Bereich um die mit Laserstrahlung beaufschlagte Bearbeitungsstelle herum detektieren zu können, muß bei dem be kannten Verfahren das Licht des laserinduzierten Plasmas im Be reich der Bearbeitungsstelle ausgeblendet werden. Die hierzu erforderliche Blende muß in der Nähe der Bearbeitungsstelle an geordnet werden. Dadurch wird das Bearbeiten fallweise behin dert. Insbesondere ist das Bearbeitungsverfahren für dreidimen sionale Materialbearbeitung normalerweise nicht einzusetzen. Bei dem bekannten Verfahren werden die elektrischen Signale der optoelektrischen Empfänger dahingehend ausgewertet, daß die Dauer des Ausstoßes von Spritzern in der Auswertungseinheit er mittelt wird. Die Auswertung der elektrischen Signale der opto elektrischen Empfänger durch die Auswertungseinrichtung erfolgt dahingehend, daß Mittelwerte des gesamten Beobachtungsbereichs gebildet werden. Eine ortsaufgelöste Messung ist nicht möglich. Übersteigt die Dauer des Ausstoßes eine vorbestimmte Schwelle, so wird mit einem Schwellwertschalter ein Fehlersignal abgege ben. Auf diese Weise können sicherlich Schweißfehler ermittelt werden, jedoch ist eine solche Ermittlung grundsätzlich unvoll ständig, weil auch ein sehr kurzzeitiger Ausstoß von Schweiß spritzern großen Volumens unakzeptable Schweißfehler bedingen kann.DE 39 08 187 A1 describes a method with the above known features known. For the observation of welding gas zer when welding is a separate focus from the laser beam Optical system to be arranged uses the un the flat angle to the workpiece surface to the side of the workpiece position must be positioned and held. The bothers because the area to the side of the laser beam focusing optics for other necessary attachments remain as free as possible should, for example for process gas nozzles or the like. Um Lichtsi signals from the area around the laser beam To be able to detect the processing point around, the be knew the light of the laser-induced plasma in the Be the processing point can be hidden. The for this The required screen must be close to the processing point be ordered. As a result, processing is sometimes prevented different. In particular, the machining process is for three dimensions Normal material processing should not normally be used. In the known method, the electrical signals of the optoelectric receiver evaluated in that the Duration of ejection of splashes in the evaluation unit is averaged. The evaluation of the electrical signals of the opto electrical receiver is carried out by the evaluation device in that mean values of the entire observation area be formed. A spatially resolved measurement is not possible. If the duration of the ejection exceeds a predetermined threshold, an error signal is emitted with a threshold switch ben. In this way, welding defects can certainly be determined such a determination is fundamentally incomplete constantly because there is also a very short expiration of sweat splashes of large volumes cause unacceptable welding defects can.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen so zu verbessern, daß mit der Laserstrahlfokussierungsoptik durch Meßvorrichtungen unge hindert geschweißt werden kann und zugleich eine sehr kurzzei tige Prozeßüberwachung ermöglicht wird.The invention has for its object a method to improve with the features mentioned so that with the laser beam focusing optics by measuring devices prevents welding and at the same time a very short time process monitoring is enabled.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das emittierte Licht unter Nutzung der Laserstrahlfokussiereinrichtung aufge nommen und von zwei linienbündelnden Fokussiereinrichtungen quer auf die beiden als eindimensional wirkende Empfängerzeilen ausgebildeten, im Winkel zueinander angeordneten Empfänger fo kussiert wird, und daß aus den elektrischen Signalen der Meß zellen der Empfängerzeilen in der Auswertungseinrichtung Daten über eine örtliche und/oder eine statistische Helligkeitsver teilung des beobachteten Bereichs gewonnen werden.This object is achieved in that the emitted Light turned on using the laser beam focusing device taken and by two line-focusing devices across the two receiver lines acting as one-dimensional trained, at an angle to each other receiver fo is kissed, and that from the electrical signals of the measuring cells of the recipient lines in the evaluation device data via a local and / or a statistical brightness ver division of the observed area.

Für die Erfindung ist zunächst die Erkenntnis von Bedeu tung, daß zur kurzzeitigen Beobachtung von Lichtvorgängen in dem Umgebungsbereich der Bearbeitungsstelle eine ortsauflösende Beobachtung erforderlich ist. Durch eine solche ortsauflösende Beobachtung können Einzelheiten der Lichtvorgänge des Beobach tungsbereichs ermittelt werden, beispielsweise Einzelheiten von Schweißspritzerbewegungen, wie deren zeitlicher Verlauf, Anzahl der Schweißspritzer und Masse der Schweißspritzer. Eine solche ortsaufgelöste Beobachtung muß jedoch auch hinreichend genau sein, so daß bestimmte Auflösungsraten nicht unterschritten werden dürfen. Beispielsweise sind 256·256 Bildpunkte bzw. Pi xel pro Bild zweckmäßig. Die sich daraus ergebenden Datenmengen müssen schnell verarbeitet werden, um kurzzeitig Ergebnisse zu bekommen bzw. in kurzen Zeitabständen wiederholt Ergebnisse zu ermitteln. Derartige Datenmengen sind in Echtzeitverarbeitung, d. h. im ms-Bereich kaum zu beherrschen. Die Erfindung beschrei tet daher den Weg der Datenreduktion durch bildzeilen- bzw. bildspaltenweise Integration bzw. Summen- oder Grauwertbildung mit optischen Mitteln. Hierzu werden die linienbündelnden Fo kussiereinrichtungen verwendet, welche die Summenbildung in Bündelungsrichtung bewirken und infolge ihrer winkeligen Anord nung bzw. infolge der winkeligen Anordnung der Empfängerzeilen zu zeilen- bzw. spaltenweise aufsummierten Werten des gesamten Beobachtungsbereichs führen. Dadurch wird eine Datenreduktion von n·m Werten auf n+m Werten erreicht, wenn n, m die Anzahl der Spalten bzw. Zeilen sind. Aus den Werten bzw. aus den elek trischen Signalen der Meßzellen der Empfängerzeilen können mit der Auswertungseinrichtung Daten gewonnen werden, die den beob achteten Bereich betreffen. Es sind dies die Daten über eine örtliche Helligkeitsverteilung zu einem bestimmten Zeitpunkt, nämlich die Lage der Schweißspritzer in Bezug auf die Bearbei tungsstelle und/oder statistische Daten, die durch in der Aus wertungseinrichtung ausgenutzte Rechenregeln ermittelt werden.The knowledge of Bedeu is first of all for the invention tion that for the brief observation of light processes in the surrounding area of the processing point a spatially resolving Observation is required. By such a spatially resolving Observation can provide details of the light processes of the observer tion range can be determined, for example details of Weld spatter movements, such as their time course, number the spatter and mass of spatter. Such However, spatially resolved observation must also be sufficiently precise be so that certain resolution rates are not undercut may be. For example, 256 x 256 pixels or Pi xel useful for each image. The resulting amount of data must be processed quickly in order to achieve short-term results get or repeated results at short intervals determine. Such amounts of data are in real time processing, d. H. barely mastered in the ms range. Describe the invention Therefore, the way of data reduction through image line or Column-by-column integration or totalization or gray value formation with optical means. For this purpose, the line-bundling fo kissing devices used, which the sum formation in Cause bundling direction and due to their angular arrangement voltage or due to the angular arrangement of the receiver lines to row or column total values of the total Lead observation area. This will result in data reduction reached from n · m values to n + m values if n, m the number which are columns or rows. From the values or from the elec trical signals of the measuring cells of the receiver lines can with the evaluation device data are obtained that the observ eighth area. This is the data about a local brightness distribution at a certain point in time, namely the position of the weld spatter in relation to the machining ting point and / or statistical data generated by in the Aus evaluation device exploited calculation rules can be determined.

Beispielsweise wird das Verfahren so durchgeführt, als Da ten über die örtliche Helligkeitsverteilung die Koordinaten örtlicher Helligkeitszentren gewonnen werden.For example, the method is carried out as Da coordinates via the local brightness distribution local brightness centers can be obtained.

Das Verfahren kann auch so durchgeführt werden, als Daten über eine statistische Helligkeitsverteilung die Anzahl der Helligkeitszentren und/oder ein Wert für die Gesamtstrahlungs stärke ermittelt wird.The method can also be performed as data using a statistical brightness distribution, the number of Centers of brightness and / or a value for the total radiation strength is determined.

Von Bedeutung für die Erfindung ist auch die Nutzung der Laserstrahlfokussiereinrichtung zum Aufnehmen des emittierten Lichts des Beobachtungsbereichs. Es entfällt die Anordnung ei ner Beobachtungseinrichtung neben der Laserstrahlfokussierein richtung und es entfällt auch die Anordnung einer Blende im Be reich der Bearbeitungszone zum Ausblenden störender Lichtemis sionen des laserinduzierten Plasmas der Bearbeitungsstelle. Daraus folgt die Möglichkeit zum Einsatz des Verfahrens auch an beweglichen Beobachtungsoptiken und bei dreidimensionaler Bear beitung.Of importance for the invention is the use of Laser beam focusing device for recording the emitted Light of the observation area. The arrangement is omitted ner observation device next to the laser beam focusing direction and there is also no arrangement of an aperture in the loading range of the processing zone for hiding disturbing light emis sions of the laser-induced plasma of the processing point. From this follows the possibility of using the method movable observation optics and with three-dimensional bear processing.

Infolge der Datenreduktion ist es möglich, daß die Daten des beobachteten Bereichs in vorbestimmten kurzen Zeitabständen wiederholt gewonnen und histogramatisch ausgewertet werden. Ein derartiges Verfahren ermöglicht zum einen die Kontrolle eines kurz vorher gewonnenen Meßergebnisses, insbesondere aber eine laufende Verarbeitung von Informationen in Echtzeit, d. h. im ms-Bereich. Infolgedessen kann die Dynamik der Helligkeitsvor gänge im Beobachtungsbereich erfaßt werden, also die Dynamik der Spritzerbewegungen bzw. deren zeitlicher, örtlicher und strahlungsstärkemäßiger Verlauf. As a result of the data reduction, it is possible that the data of the observed area at predetermined short time intervals won repeatedly and evaluated histogramatically. A Such a method enables on the one hand the control of a measurement result obtained shortly before, but in particular one ongoing processing of information in real time, d. H. in the ms range. As a result, the dynamics of brightness can gears in the observation area, i.e. the dynamics the splash movements or their temporal, local and radiation-like course.

Eine Vorrichtung zur Durchführung der vorbeschriebenen Verfahren ist zweckmäßigerweise so ausgebildet, daß in dem Strahlengang der Laserstrahlfokussiereinrichtung ein teildurch lässiger Spiegel, ein Auskoppelprisma oder ein Scraperspiegel zur Erfassung des aus dem Bereich um die Bearbeitungsstelle herum emittierten Lichts angeordnet ist, oder daß in die Laser strahlfokussiereinrichtung ein Detektor für dieses emittierte Licht eingebaut ist. Sämtliche mit der Laserstrahlfokussierein richtung baulich verbundenen Einrichtungen werden bei Relativ bewegungen zwischen dem Werkstück und der Laserstrahlung ent sprechend relativbewegt, so daß besondere Steuerungen für die Meßeinrichtung entfallen und eine kompakte Bauweise der Laser strahlfokussierungseinrichtung beibehalten werden kann, insbe sondere wenn die lichtauskoppelnden Einrichtungen außerhalb der Laserstrahlfokussiereinrichtung angeordnet sind.A device for performing the above The method is expediently designed so that in the Part of the beam path of the laser beam focusing device casual mirror, a decoupling prism or a scraping mirror to capture the area around the processing point emitted light is arranged, or that in the laser beam focusing device a detector for this emitted Light is installed. All with laser beam focusing Relatively movements between the workpiece and the laser radiation ent speaking relatively moved, so that special controls for the There is no need for a measuring device and the compact design of the laser beam focusing device can be maintained, esp especially if the light decoupling devices outside the Laser beam focusing device are arranged.

Zweckmäßigerweise sind als linienbündelnde Fokussierein richtungen Zylinderlinsen vorhanden.It is expedient to focus as a line bundling directions cylindrical lenses available.

Die winkelmäßige Anordnung der Empfängerzeilen relativ zu einander kann beliebig sein, sofern nur eine hinreichende, in zwei Beobachtungsrichtungen erfolgende Erfassung des gesamten Beobachtungsbereichs ermöglicht wird. Die Vorrichtung hat je doch einen bewährten Aufbau, wenn als eindimensional wirkende Empfängerzeilen CCD-Zeilen quer zueinander in rechtwinklig zu einander stehenden Ebenen angeordnet sind.The angular arrangement of the receiver lines relative to each other can be any, provided there is only a sufficient one in two directions of observation of the whole Observation area is made possible. The device has ever but a proven structure, if acting as one-dimensional Receiver lines CCD lines across to each other at right angles to mutually standing levels are arranged.

In vielen Anwendungsfällen ist es nicht erforderlich, die Lichtemission der Bearbeitungsstelle auszublenden. Denn die Bündelung kann so ausgeführt werden und die einzelnen Meßzellen einer eindimensionalen Empfängerzeile haben eine derartige Trennschärfe, daß sich eine hinreichend unbeeinflußte Bildauf lösung ergibt. Falls es jedoch auf eine Auflösung geringer Hel ligkeitsdifferenzen außerhalb des Bearbeitungsbereichs ankommt, kann eine Ausblendung des Bereichs der Bearbeitungsstelle durch eine Vorrichtung erreicht werden, bei der vor den eindimensio nalen Empfängerzeilen im Bereich der Projektion der Bearbei tungsstelle jeweils eine Blende angeordnet ist.In many use cases, it is not necessary Hide the light emission from the processing point. Because the Bundling can be carried out in this way and the individual measuring cells a one-dimensional receiver line have one Selectivity that there is a sufficiently unaffected image solution results. However, if the resolution is low Hel differences in arrival outside the processing area, can hide the area of the processing point a device can be achieved in which before the inimensio nal receiver lines in the area of the projection of the machining tion point is arranged an aperture.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestell ten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:The invention is illustrated by means of in the drawing th exemplary embodiments explained. It shows:

Fig. 1 eine schematische Darstellung von Einrichtungen zur Detektion von Lichterscheinungen aus dem Bereich einer Bearbeitungsstelle eines Werkstücks, Fig. 1 is a schematic illustration of equipment for detection of phenomena of light from the area of a processing point of a workpiece,

Fig. 2 einen speziellen Aufbau eines Detektors der Fig. 1, Fig. 2 shows a specific construction of a detector of FIG. 1,

Fig. 3a bis 3d Darstellungen zur Erläuterung grundsätzli cher optischer Abbildungseigenschaften des Detektors der Fig. 2, Fig. 3a to 3d are views for explaining grundsätzli cher optical imaging properties of the detector of Fig. 2,

Fig. 4 eine schematische perspektivische Darstellung des Abbildungsverhaltens des Detektors der Fig. 2 in Bezug auf eine eindimensional wirkende Empfänger zeile, Fig. 4 is a schematic perspective view of the imaging behavior of the detector of Fig. 2 line with respect to a one-dimensionally acting receiver,

Fig. 5 eine Aufsicht auf einen Bearbeitungsbereich und der Signalverlauf von eindimensional wirkenden Empfän gerzeilen in zwei zueinander senkrechten Koordi naten, und Fig. 5 is a plan view of a processing area and the waveform of one-dimensional receiver Gerzeilen in two mutually perpendicular coordinates, and

Fig. 6 Signaldarstellungen gemäß Fig. 5 für mehrere im ms- Bereich aufeinanderfolgende Beobachtungen der Werk stückbearbeitung. Fig. 6 signal representations according to Fig. 5 for several successive observations of the workpiece machining in the ms range.

Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Werkstück besteht beispielsweise aus zwei durch einen Schweißvorgang miteinander zu verbindenden Werkstückteilen. Es kann aber auch ein Werk stück sein, das durch die Bearbeitung geschnitten werden soll. Auch sonstige Bearbeitungen können erfolgen, wie Abtragen oder Ritzen, sofern dabei ein Ausstoßen von Werkstückmaterial er folgt, was beobachtet werden soll.The workpiece shown schematically in FIG. 1 consists, for example, of two workpiece parts to be connected to one another by a welding process. But it can also be a work piece that is to be cut by machining. Other machining operations can also be carried out, such as removal or scratching, provided that workpiece material is ejected, which is to be observed.

Der Bearbeitung des Werkstücks dient Laserstrahlung 10, die dem Werkstück von einem Laser durch eine Laserstrahlfokus siereinrichtung 15 zugeführt wird. Dabei wird die Laserstrah lung innerhalb der Laserstrahlfokussiereinrichtung 15 mit Spie geln 17, 21, 22 umgelenkt und durch den letztgenannten Spiegel 22 so fokussiert, daß sich auf dem Werkstück eine Bearbeitungs stelle 12 ergibt. Um die Bearbeitungsstelle 12 herum ist ein Bereich 11, in dem Helligkeitserscheinungen zu beobachten sind, die beispielsweise durch herausspritzenden Werkstoff verursacht werden. Diese Helligkeitserscheinungen, also aus dem Bereich 11 emittiertes Licht 13, gelangen zurück in die Laserstrahlfokus siereinrichtung 15, auf den Fokussierspiegel 22 und die Umlenk spiegel 21, 17. Um die Laserstrahlfokussiereinrichtung 15 zur Detektion des emittierten Lichts 13 zu nutzen, greift in den Strahlengang 13′ des sich innerhalb der Einrichtung 15 bewegen den emittierten Lichts 13 ein Auskoppelprisma 18 ein, oder der Spiegel 17 ist dichroitisch ausgebildet, er läßt also einen Teil der insgesamt auf ihn fallenden Strahlung durch, nämlich den Anteil des von der Bearbeitungsstelle 12 bzw. deren Umge bungsbereich emittierten Lichts vorbestimmter Wellenlänge. Die an das Prisma 18 bzw. an den Spiegel 17 angeschlossenen Detek toren 2, 3 können an geeigneter Stelle angeordnet sein, also auch entfernt von der Laserstrahlfokussiereinrichtung 15, so daß letztere durch die Detektoren 2, 3 unbehindert bewegt werden kann. Des weiteren ist in Fig. 1 noch ein Scraper-Spiegel 19 im Strahlengang des emittierten bzw. reflektierten Lichts 13 dar gestellt, das durch diesen Spiegel 19 einem Detektor 1 zugelei tet wird.The machining of the workpiece serves laser radiation 10 , which is supplied to the workpiece by a laser through a laser beam focusing device 15 . The laser beam is deflected within the laser beam focusing device 15 with Spie gels 17 , 21 , 22 and focused by the latter mirror 22 so that there is a machining point 12 on the workpiece. Around the processing point 12 is an area 11 in which brightness phenomena can be observed, which are caused, for example, by material spurting out. This brightness phenomena, so light emitted from the area light 11 13 get back into the laser beam focus siereinrichtung 15 on the focusing mirror 22 and the deflection mirror 21, 17th In order to use the laser beam focusing device 15 for the detection of the emitted light 13 , engages in the beam path 13 'of the light 13 moving within the device 15 , a coupling-out prism 18 , or the mirror 17 is dichroic, so it leaves part of the total radiation incident on it, namely the proportion of light of predetermined wavelength emitted by the processing point 12 or its surrounding area. The detectors 2 , 3 connected to the prism 18 or to the mirror 17 can be arranged at a suitable location, that is to say also away from the laser beam focusing device 15 , so that the latter can be moved unhindered by the detectors 2 , 3 . Furthermore, a scraper mirror 19 is provided in FIG. 1 in the beam path of the emitted or reflected light 13 , which is supplied to a detector 1 by this mirror 19 .

Es ist aber auch möglich, den Bearbeitungsprozeß direkt zu beobachten, indem ein Detektor 4 in die Laserstrahlfokussie rungseinrichtung 15 integriert wird. Die Integration erfolgt dabei derart, daß der Anstellwinkel des Detektors 4 zur Senk rechten bzw. zum Laserstrahl 10 möglichst klein ist. Er wird durch die baulichen Gegebenheiten der Laserstrahlfokussierein richtung 15 bestimmt.But it is also possible to observe the machining process directly by integrating a detector 4 into the laser beam focusing device 15 . The integration takes place in such a way that the angle of attack of the detector 4 with respect to the perpendicular or to the laser beam 10 is as small as possible. It is determined by the structural conditions of the laser beam focusing device 15 .

Alle Detektoren 1 bis 4 können gleichwirkend aufgebaut sein, was durch die Bezeichnung mit dem Buchstaben D angedeutet wird. Sie sollen zweidimensional wirkende Detektoren sein. Eine solche zweidimensionale Ausbildung zeigt schematisch Fig. 2, in der Z die bei den Detektoren 1 bis 4 jeweils angegebene Zwi schenbildebene darstellt. Das emittierte Licht 13 gelangt also auf einen Strahlteiler 14, der das Licht zum Teil zu einer ein dimensional wirkenden Empfängerzeile A′ durchläßt, zum anderen Teil jedoch infolge seiner 45°-Anordnung zum Licht 13 im rech ten Winkel auf eine weitere eindimensional wirkende Empfänger zeile B′ ablenkt. Auf den Wegen vom Strahlteiler 14 zu den Zei len A′, B′ durchläuft das Licht Zylinderlinsen A, B, welche also linienbündelnde Fokussiereinrichtungen sind. Infolgedessen er gibt sich für den Teilstrahl 23 des von einem Objektpunkt P1 ausgehenden Linienbündels, daß der Teilstrahl 23 auf die Zeile B′ fokussiert wird, während der Teilstrahl 23′ durch die Linse A unfokussiert bleibt, da sie in der Darstellungsebene unwirk sam ist. Entsprechend ist die Linse B in ihrem wirksamen und die Linse A in ihrem unwirksamen Schnitt dargestellt. Das be deutet für die Darstellung von Objektpunkten einer Koordinaten ebene x, y bezüglich des Punktes P1 mit den Koordinaten x₁, y₁ gemäß Fig. 3c, daß P1 aus der Gegenstandsebene gemäß Fig. 3a in die Bildebene durch die Zylinderlinse mit der Koordinate x_1′ ab gebildet wird, wenn die Zylinderlinse mit ihrem wirksamen Schnitt senkrecht zur Darstellungsebene angeordnet ist. Für einen Punkt P2 der Gegenstandsebene mit den Koordinaten x₂, y₂ bedeutet das die Abbildung dieses Punktes P2 in der Bildebene mit der Koordinate x_2′. Bezüglich der Koordinate y ist die gemäß Fig. 3b angeordnete Zylinderlinse unwirksam, so daß die Punkte P1, P2 als Linien y_1′ bzw. y_2′ dargestellt werden. Diese Linien y_1′, y_2′ haben die gemäß Fig. 3d angegebenen x-Koordinaten x_1′ = β·x₁ bzw. x_2′ = β·x₂, wobei β ein durch die Zylinder linse bestimmter Umrechnungsfaktor ist.All detectors 1 to 4 can be constructed in the same way, which is indicated by the designation with the letter D. They are supposed to be two-dimensional detectors. Such a two-dimensional design is shown schematically in FIG. 2, in which Z represents the intermediate image plane indicated for the detectors 1 to 4 . The emitted light 13 thus arrives at a beam splitter 14 which partly passes the light to a one-dimensionally acting receiver line A ', but partly due to its 45 ° arrangement to the light 13 at right angles to another one-dimensionally acting receiver line B 'distracts. On the way from the beam splitter 14 to the lines len A ', B', the light passes through cylindrical lenses A, B, which are line-focusing devices. As a result, he gives up for the partial beam 23 of the line bundle emanating from an object point P 1 that the partial beam 23 is focused on the line B ', while the partial beam 23 ' remains unfocused by the lens A, since it is ineffective in the display plane. Accordingly, lens B is shown in its effective and lens A in its ineffective section. This means for the representation of object points of a coordinate plane x, y with respect to the point P 1 with the coordinates x ₁ , y ₁ according to FIG. 3c, that P 1 from the object plane according to FIG. 3a into the image plane through the cylindrical lens with the Coordinate x _{1 'is} formed when the cylindrical lens is arranged with its effective section perpendicular to the plane of representation. For a point P 2 of the object plane with the coordinates x ₂ , y _2, this means the mapping of this point P 2 in the image plane with the coordinate x _{2 '} . With regard to the coordinate y, the cylindrical lens arranged according to FIG. 3b is ineffective, so that the points P 1 , P 2 are represented as lines y _{1 '} and y _2' . These lines y _{1 '} , y _2' have the x coordinates given in FIG. 3d x _{1 '} = β · x ₁ or x _2' = β · x ₂ , where β is a conversion factor determined by the cylinder lens.

Die perspektivische Darstellung der Fig. 4 zeigt die Abbil dung zweier Objektpunkte P1′, P2′, die auf einer parallel zum unwirksamen Schnitt gemäß Fig. 3b angeordneten Geraden 24 ange ordnet sind, die senkrecht zur optischen Achse ist. Senkrecht zu dieser Geraden und zur optischen Achse ist eine eindimensio nal wirkende Empfängerzeile A′ angeordnet. Es ist ersichtlich, daß diese Objektpunkte P1′, P2′ in überlappenden Bildlinien L1, L2 abgebildet werden. Der maximale Abstand der beiden Punkte P1′, P2′, bei dem es zu einer Überlappung der Bildlinien L1, L2 kommt, ist durch die Brennweite und die Breite der Zylinderlin se bestimmt, sowie durch die Objektweite, also den Abstand der Punkte P1′, P2′ von der Zylinderlinse. Diese in Fig. 4 mit einem dicken schwarzen Strich dargestellte Überlappung Ü wird zur In tegration aller in Richtung der Geraden 24 liegenden Objekt punkte ausgenutzt, indem eine quer zur Geraden 24 und senkrecht zur optischen Achse angeordnete eindimensionale Empfängerzeile A′ verwendet wird. Sämtliche Objektpunkte der Geraden 24, also sämtliche Helligkeiten einer durch den Beobachtungsbereich ge legten Geraden können auf diese Weise durch eine einzige Meß zelle oder eine Gruppe von Meßzellen gemittelt erfaßt werden. Im Darstellungsfall der Fig. 4 sämtliche Helligkeitssignale der Geraden 24 durch eine Meßzelle der Zeile A′ der optischen Achse. Voraussetzung ist dabei natürlich, daß der Beobachtungs bereich um die Bearbeitungsstelle des Werkstücks herum durch die Linse auf die Zeile abgebildet wird.The perspective view of FIG. 4 shows the Abbil extension of two object points P 1 ', P 2 ', which are arranged on a straight line 24 arranged parallel to the ineffective section according to FIG. 3b, which is perpendicular to the optical axis. Perpendicular to this straight line and to the optical axis, a one-dimensionally acting receiver line A 'is arranged. It can be seen that these object points P 1 ', P 2 ' are mapped in overlapping image lines L 1 , L 2 . The maximum distance between the two points P 1 ', P 2 ', at which there is an overlap of the image lines L 1 , L 2 , is determined by the focal length and the width of the cylinder lens, as well as by the object width, that is the distance of the Points P 1 ', P 2 ' from the cylindrical lens. This overlap U shown in FIG. 4 with a thick black line is used for integrating all object points lying in the direction of the straight line 24 by using a one-dimensional receiver line A 'arranged transversely to the straight line 24 and perpendicular to the optical axis. All object points of the straight line 24 , that is to say all the brightnesses of a straight line laid through the observation region, can be detected in this way averaged by a single measuring cell or a group of measuring cells. In the display case of FIG. 4, all brightness signals of the line 24 through a measuring cell of the line A 'of the optical axis. The prerequisite is, of course, that the observation area around the machining point of the workpiece is imaged by the lens on the line.

Die eindimensionale Empfängerzeile A′, die also beispiels weise aus einer Vielzahl von in Reihe angeordneten Fotodioden besteht, erfaßt also sämtliche Objektpunkte, nämlich Helligkei ten, beispielsweise der x-Koordinate im +x-Bereich unterhalb der optischen Achse und im -x-Bereich oberhalb der optischen Achse der Fig. 4. Infolgedessen ist ersichtlich, daß der gesamte Beobachtungsbereich durch zwei im Winkel zueinander angeordnete Empfängerzeilen aufintegriert werden kann, so daß sich Abhän gigkeiten z. B. x = f (Meßzellen-Nummer Zeile A′) und y = f (Meßzellen-Nummer Zeile B′) ergeben.The one-dimensional receiver line A ', which thus, for example, consists of a plurality of photodiodes arranged in series, thus detects all object points, namely brightness, for example the x coordinate in the + x range below the optical axis and in the -x range above The optical axis of Fig. 4. As a result, it can be seen that the entire observation area can be integrated by two receiver lines arranged at an angle to one another, so that dependencies z. B. x = f (measuring cell number line A ') and y = f (measuring cell number line B') result.

Fig. 5 zeigt eine Aufsicht auf einen Bearbeitungsbereich einer Schweißstelle mit der Bearbeitungsstelle 12. Der nicht dargestellte Laserstrahl bewegt sich relativ zum Werkstück in Richtung des Pfeils. Die Empfängerzeilen A′, B′ des Beobach tungsbereichs 25 werden der x- bzw. der y-Koordinate zugeord net. A′ integriert also aus dem Beobachtungsbereich 25 herrüh rende Helligkeiten spaltenweise, so daß sich die in Fig. 5 dar gestellte Abhängigkeit Helligkeit bzw. Grauwert = f (CD-Spalten nummer) ergibt. Die Empfängerzeile B′ integriert in y-Richtung und bildet die Abhängigkeit Helligkeit bzw. Grauwert = f (CCD- Zeilennummer) ab. Beide Zeilen A′, B′ bewirken also infolge ih rer linear verteilten Meßzellen eine Digitalisierung des Beob achtungsbereichs 25. Aus den elektrischen Signalen der Meßzel len dieser Zeilen A′, B′ kann die nicht dargestellte Auswer tungseinheit die oben genannten und in Fig. 5, 6 dargestellten Abhängigkeiten berechnen. Fig. 5 shows a plan view of a processing region of a weld to the processing location 12. The laser beam, not shown, moves relative to the workpiece in the direction of the arrow. The receiver lines A ', B' of the observation area 25 are assigned to the x and y coordinates, respectively. A 'thus integrates from the observation area 25 herrüh-generating brightnesses in columns, so that the dependence shown in FIG. 5 shows brightness or gray value = f (CD column number). The receiver line B 'integrates in the y direction and depicts the dependence of brightness or gray value = f (CCD line number). Both lines A ', B' thus cause digitization of the observation area 25 as a result of their linearly distributed measuring cells. From the electrical signals of the measuring cells len these lines A ', B', the evaluation unit, not shown, can calculate the dependencies mentioned above and shown in FIGS . 5, 6.

Es ist ersichtlich, daß die absoluten Maxima Mx bzw. My in den Abhängigkeiten durch die Bearbeitungsstelle 12 bzw. das von dieser emittierte Licht bedingt sind. Darüber hinaus sind je doch Nebenmaxima vorhanden, z. B. mx und my, bedingt durch einen Spritzer Sp mit den aus Fig. 5 ersichtlichen Koordinaten. Haupt und Nebenmaxima beider dargestellten Abhängigkeiten sind also durch die räumliche Anordnung der Zeilen A′, B′ einander zuge ordnet und erlauben die Bestimmung der Lage der Helligkeitszen tren, wie Bearbeitungsstelle 12 und Spritzer Sp, im Beobach tungsbereich 25. Es ist ersichtlich, daß auch die Größe der Ma xima bzw. deren Amplitude bestimmt werden kann, was Aussagen über die Größe und damit die Masse z. B. des Spritzers Sp er laubt, aber auch Aussagen über die Strahlungsstärke.It can be seen that the absolute maxima Mx and My are dependent on the processing point 12 and the light emitted by it. In addition, secondary maxima are available, e.g. B. mx and my, due to a splash Sp with the coordinates shown in FIG. 5. The main and secondary maxima of both dependencies shown are thus assigned to one another by the spatial arrangement of the rows A ', B' and allow the position of the brightness centers to be determined, such as processing point 12 and splashes Sp, in the observation area 25 . It can be seen that the size of the Ma xima or its amplitude can be determined, which statements about the size and thus the mass z. B. the sprayer Sp he leaves, but also statements about the radiation intensity.

Die Aussagen über die örtliche Helligkeitsverteilung bzw. über die örtliche Verteilung der Maxima bzw. der Spritzer kön nen von der Auswertungseinheit dazu benutzt werden, den Bear beitungsprozeß zu beeinflussen, beispielsweise durch eine Redu zierung der Strahlungsleistung des Lasers, wenn vorbestimmte Schwellwerte oder Grenzen überschritten werden. Dasselbe gilt für durch die Auswertungseinheit gewonnene statistische Daten über die Helligkeitsverteilung oder die Verteilung der Sprit zer, deren Anzahl oder Strahlungsstärke.The statements about the local brightness distribution or about the local distribution of the maxima or the splashes can be used by the evaluation unit to generate the bear to influence the processing process, for example by reducing decoration of the radiation power of the laser, if predetermined Threshold values or limits are exceeded. The same applies for statistical data obtained by the evaluation unit about the brightness distribution or the distribution of the fuel zer, their number or radiance.

Fig. 6 zeigt links die Abhängigkeit der Grauwertsummen von der Spaltennummer in x-Richtung und rechts die Abhängigkeit der Grauwertsummen von der Zeilennummer in y-Richtung analog zu den Darstellungen in Fig. 5, jedoch bezogen auf den zeitlichen Ab lauf der Beobachtungsvorgänge. Dieser zeitliche Ablauf erfolgt so, daß die Zeit zwischen zwei Beobachtungsvorgängen, also die Differenz t_i+1-t_i = 2 ms beträgt. Die Beobachtungsergebnisse sind in den Diagrammen für die Zeitpunkte t₀ bis t₃ übereinander dargestellt, jeweils bezogen auf einen anderen Nullpunkt, so daß die unterschiedlichen Intensitäten der Helligkeitsvertei lungen zu den jeweiligen Zeitpunkten ersichtlich ist. Es ist ersichtlich, daß sich im Laufe der Zeit t₀ bis t₃ die räumliche Lage der Bearbeitungsstelle 12 nur unwesentlich ändert, wie sich aus der praktisch gleichbleibenden Lage der Hauptmaxima Mx und My ergibt. Andererseits ist aber aus der zeitlichen Ent wicklung der Nebenmaxima mx und my ersichtlich, daß sich ausge hend von der Bearbeitungsstelle ein erheblicher Spritzerauswurf ereignet. Das kann in einem Histogramm in der Auswertungsein heit festgehalten und ausgewertet werden. Daraufhin wird bei spielsweise die Intensität der Laserstrahlung verringert. Schnelle CCD-Zeilen und auf deren eindimensionale Erfassung ab gestimmte Bildverarbeitungsalgorithmen stehen zur Verfügung, um die auf die beschriebene Weise gewonnenen Bildinformationen zur Prozeßsteuerung on-line verwenden zu können. Fig. 6 shows on the left the dependency of the gray value sums on the column number in the x direction and on the right the dependence of the gray value sums on the row number in the y direction analogous to the representations in Fig. 5, but based on the chronological sequence of the observation processes. This time sequence takes place in such a way that the time between two observation processes, that is to say the difference t _{i + 1} -t _i = 2 ms. The observation results are shown one above the other in the diagrams for the times t ₀ to t ₃ , in each case based on a different zero point, so that the different intensities of the brightness distributions at the respective times can be seen. It can be seen that in the course of the time t ₀ to t ₃ the spatial position of the processing point 12 changes only insignificantly, as can be seen from the practically constant position of the main maxima Mx and My. On the other hand, however, it can be seen from the temporal development of the secondary maxima mx and my that, starting from the processing point, a considerable amount of spatter occurs. This can be recorded and evaluated in a histogram in the evaluation unit. Then, for example, the intensity of the laser radiation is reduced. Fast CCD lines and image processing algorithms that are matched to their one-dimensional acquisition are available in order to be able to use the image information obtained in the described manner for process control on-line.

Claims

1. A method for on-line monitoring in the workpiece machining with laser radiation, in particular for the detection of welding defects by observation of welding spatter, in which light emitted from the area around the processing point exposed to laser radiation reaches a optoelectric receiver through a beam splitter , which act on an evaluation device in which data on the machining result are obtained, characterized in that the emitted light ( 13 ) is taken up using the laser beam focusing device ( 15 ) and by two line-focusing devices (cylindrical lenses A, B) transversely to the two as one-dimensional receiver lines (A ′, B ′) are trained, the receiver is arranged at an angle to one another, and that from the electrical signals of the measuring cells of the receiver lines (A ′, B ′) in the evaluation device, data about a local and / or a statistical Brightness distribution of the observed area ( 11 ) can be obtained.

2. The method according to claim 1, characterized in that the coordinates of local brightness centers ( 16 ) are obtained as data on the local brightness distribution.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the number of brightness centers ( 16 ) and / or a value for the total radiation intensity is determined as data on a statistical brightness distribution.

4. The method according to claims 1 to 3, characterized in that the data of the observed area ( 11 ) are repeatedly obtained at predetermined short time intervals and evaluated histogramatically.

5. The device according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that in the beam path of the laser beam focusing device ( 15 ), a partially transparent mirror ( 17 ), a coupling prism ( 18 ) or a scraper mirror ( 19 ) for detecting the area ( 11 ) around the processing point ( 12 ) emitted light ( 13 ), or that in the laser beam focusing device ( 15 ) a detector ( 4 ) for this emitted light ( 13 ) is installed.

6. The device according to claim 5, characterized in that that as a line-focusing lens cylinder sen (A, B) are present.

7. The device according to claim 5 or 6, characterized records that as one-dimensional receiver lines (A ′, B ′) CCD lines at right angles to each other are arranged at other levels.

8. The device according to one or more of claims 5 to 7, characterized in that in front of the one-dimensional receiver lines (A ', B') in the region of the projection of the processing point ( 12 ) each have an aperture ( 20 ) is arranged.