Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren einer Laserbestrahlung beschichteter Werkstücke, bei dem die Oberflächentemperatur des bestrahlten Werkstückbereichs, insbesondere eines Bearbeitungsbereichs gemessen wird. Derartige Verfahren sind als Bearbeitungsverfahren bekannt.The invention relates to a methodLaser irradiation of coated workpieces, in which theSurface temperature of the irradiated workpiece area, espspecial processing area is measured. SuchMethods are known as machining methods.
Beim Bearbeiten von Werkstücken mit Laserstrahlung ist es allgemein bekannt, die Oberflächentemperatur des bestrahlten Bearbeitungsbereichs zu messen, um die Auswirkung der Laserstrahlung auf das Werkstück zu erfassen. Dazu kann die Oberflächentemperatur z.B. mit einem Pyrometer berührungslos gemessen werden.It is when machining workpieces with laser radiationgenerally known, the surface temperature of the irradiatedMachining area to measure the impact of Lato detect radiation on the workpiece. The waiter cansurface temperature e.g. measured without contact with a pyrometerwill be.
Bei Werkstücken mit blanken Flächen, beispielsweise bei blanken metallischen Werkstücken, ist die Absorption der Strahlung jedoch häufig nicht groß genug, um eine ausreichende Energieeinkopplung zu gewährleisten. Als Beispiel sei das Umwand lungshärten mit Laserstrahlung genannt. Hierbei ist es bekannt, auf die Werkstückoberfläche eine strahlungsabsorbierende Beschichtung aufzutragen, mit der die Energieeinkopplung verbessert wird. Infolge der Beschichtung ist es jedoch nicht mehr möglich, die Temperatur des von der Schicht abgedeckten Werkstücks bzw. Werkstückumfangs direkt zu messen. Die herkömmliche Messung der Oberflächentemperatur mit einem Pyrometer ergibt lediglich die Temperatur an der Oberfläche der auf das Werkstück aufgetragenen Schicht.For workpieces with bare surfaces, for example withbare metallic workpieces, is the absorption of the beamhowever, it is often not large enough to provide sufficient energyto ensure coupling. The conversion is an example hardened with laser radiation. Here it is knowna radiation-absorbing Be on the workpiece surfaceto apply stratification with which the energy coupling verbessert. As a result of the coating, however, it is no longerpossible, the temperature of the work covered by the layerpiece or workpiece circumference directly. The conventional oneMeasurement of the surface temperature with a pyrometer showsjust the temperature on the surface of the workpiece of applied layer.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die Werkstücktemperatur im bestrahlten Bereich auch unter einer Beschichtung der Werkstückoberfläche bestimmt werden kann.The invention is therefore based on the object, a Verdrive to improve the type mentioned that theWorkpiece temperature in the irradiated area even under one loadinglayering of the workpiece surface can be determined.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Laserstrahlung mit einem in Bezug auf ihre Strahlungsleistung niedrigen Modulationsgrad leistungsmoduliert ist, und daß zur Bestimmung der Temperatur des von mindestens einer Schicht abgedeckten Werkstückumfangs von der gemessenen Oberflächentemperatur der Schicht ein Temperaturwert abgezogen wird, der aus dem Produkt der vom Werkstück absorbierten Laserstrahlungsleistung und dem mit dem Wärmeersatzschaltbild des jeweiligen Werkstücks ermittelten Wärmewiderstand des Wärmestroms durch die Schicht in das Werkstück berechnet wird.This object is achieved in that the laser radiationwith a modulus that is low in terms of radiant powerlationsgrad is power modulated, and that to determine theTemperature of that covered by at least one layerWorkpiece circumference from the measured surface temperature of theLayer a temperature value is subtracted from the productthe laser radiation power absorbed by the workpiece and thewith the heat replacement circuit diagram of the respective workpieceheat resistance of the heat flow through the layer into theWorkpiece is calculated.
Für die Erfindung ist die Erkenntnis von Bedeutung, daß leistungsmodulierte Laserstrahlung dazu benutzt werden kann, einen von der gemessenen Oberflächentemperatur abzuziehenden Temperaturwert näherungsweise zu berechnen. Denn jede kurzzeitige Änderung der Laserstrahlungsleistung führt zu einer Änderung der Oberflächentemperatur der Beschichtung des Werkstücks, nicht aber zu einer Änderung der zu bestimmenden Temperatur des Werkstücks, weil dieses im Vergleich zur Beschichtung eine große Wärmekapazität hat, die nur eine langsame Änderung der Werkstücktemperatur zuläßt. Unter dieser Voraussetzung kann der Korrelationskoeffizient, demgemäß jede kurzzeitige Änderung der Laserstrahlungsleistung mit der Änderung der Oberflächentemperatur der Beschichtung korreliert ist, mit dem Wärmewiderstand des Wärmestroms durch die Beschichtung hindurch gleichgesetzt werden. Infolgedessen kann der von der gemessenen Oberflächentemperatur der Schicht abzuziehende Temperaturwert dadurch bestimmt werden, daß er unter Heranziehung des Wärmewiderstands der Schicht und der absorbierten Laserstrahlungsleistung berechnet wird. Letztere kann meßtechnisch bestimmt werden und der Wärmewiderstand ergibt sich aus dem Wärmeersatzschaltbild des jeweiligen Werkstücks. Der Berechnung des abzuziehenden Temperaturwerts wird also im wesentlichen ein Korrelationskoeffizient bzw. Wärmewiderstand zugrundegelegt, der durch das dem jeweiligen Werkstück entsprechende Wärmeersatzschaltbild bestimmbar ist. Das Wärmeersatzschaltbild kann je nach seiner Art analog und/oder digital für die Berechnung ausgewertet werden.It is important for the invention thatpower-modulated laser radiation can be usedone to be subtracted from the measured surface temperatureApproximately calculate the temperature value. Because every short timechange in the laser radiation power leads to a changethe surface temperature of the coating of the workpiece,but not to a change in the temperature of theWorkpiece because this is a compared to the coatinghas large heat capacity, which is only a slow change inAllows workpiece temperature. Under this condition, theCorrelation coefficient, accordingly any short-term change in theLaser radiation power with the change in surface temperaturerature of the coating is correlated with the thermal resistanceequated to the heat flow through the coating will. As a result, that of the measured surfacestemperature of the layer to be subtractedbe true that he is using thermal resistancethe layer and the absorbed laser radiation poweris calculated. The latter can be determined by measurement andthe thermal resistance results from the thermal equivalent circuit diagramof the respective workpiece. The calculation of the deductibleThe temperature value essentially becomes a correlation coefficientefficient or thermal resistance, which is the result of thebe corresponding heat replacement circuit diagram for each workpieceis tunable. Depending on its type, the heat equivalent circuit diagram cancan be evaluated analog and / or digital for the calculation.
Die für die Bestimmung des abzuziehenden Temperaturwerts zu wählende Leistungsmodulierung, die also einer zeitlich konstanten Laserleistung überlagert wird, ist hinsichtlich ihrer Amplitude und ihres Frequenzspektrums auf die Beschichtung und auf die Ausbildung des Werkstücks abzustimmen. Daher versteht sich, daß die gemessene Oberflächentemperatur der Schicht und auch die Messung der absorbierten Laserstrahlungsleistung zeitlich aufgelöst erfolgen müssen. Infolgedessen müssen auch die zur Berechnung des von der gemessenen Oberflächentemperatur der Schicht abzuziehenden Temperaturwerts erforderlichen Berechnungen entsprechend on-line durchgeführt werden, was also sowohl für die analogen Rechenschaltungen gilt, als auch für etwaige digitale Rechenschaltungen.The for the determination of the temperature value to be subtractedpower modulation to be selected, i.e. a temporally conconstant laser power is superimposed on themAmplitude and its frequency spectrum on the coating andto match the design of the workpiece. Therefore understandthat the measured surface temperature of the layer andalso the measurement of the absorbed laser radiation power timemust be resolved. As a result, they tooto calculate the from the measured surface temperature of theLayer subtracted temperature value required calcaccording to on-line, so whatapplies to the analog arithmetic circuits as well as forany digital arithmetic circuits.
Die zur Berechnung des Wärmewiderstandes zugrundegelegten Wärmeersatzschaltbilder hängen im wesentlichen von den Materialeigenschaften und der Geometrie des Werkstücks ab, z.B. von der Wärmekapazität, der Wärmeleitfähigkeit, der Dichte und der Dicke. Es gehen aber auch Bearbeitungsparameter mit ein, wie Vorschubgeschwindigkeit und Strahlradius, nämlich über die thermische Zeitkonstante des bestrahlten Werkstücksbereichs. Die sich infolgedessen ergebenden Wärmeersatzschaltbilder sind aber in jedem Fall mit herkömmlichen Berechnungsmethoden erfaßbar, für die es die zahlreichen bekannten Theorien gibt.The basis for the calculation of the thermal resistanceHeat equivalent circuit diagrams essentially depend on the material properties and the geometry of the workpiece, e.g. fromthe thermal capacity, thermal conductivity, density andThickness. However, processing parameters are also included, such asFeed speed and beam radius, namely over thethermal time constant of the irradiated workpiece area.The resulting heat replacement circuit diagrams arebut in any case with conventional calculation methodsfor which there are numerous known theories.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhafterweise beim Bearbeiten von Werkstücken eingesetzt, beispielsweise beim Härten. Es ist aber auch als Meßverfahren einzusetzen, beispielsweise um festzustellen, wie groß die Schichtdicke eines beschichteten Werkstücks ist.The method according to the invention is advantageousused when machining workpieces, for example Hardening. But it can also be used as a measuring method forfor example to determine the thickness of a layercoated workpiece.
In einer Vielzahl von Anwendungsfällen sind die zu verwendenden Wärmeersatzschaltbilder vergleichsweise einfacher Natur. Dementsprechend ergeben sich Vereinfachungen insbesondere beim Berechnen des von der gemessenen Oberflächentemperatur der Schicht abzuziehenden Temperaturwerts. Beispielsweise wird zur Temperaturbestimmung an einem Werkstück mit lediglich durch seine Wärmekapazität modelliertem Wärmeersatzschaltbild ein Temperaturwert von der gemessenen Oberflächentemperatur der Schicht abgezogen, der aus dem Gleichanteil der Laserstrahlungsleistung durch Multiplikation mit einem gemittelten Quotienten aus Wechselanteilen der Oberflächentemperatur und Wechselanteilen der Laserstrahlungsleistung bestimmt wird. Die drei letztgenannten Größen sind meßtechnisch bestimmbar und ihre Berücksichtigung bei einer Berechnung des von der Oberflächentemperatur abzuziehenden Temperaturwerts ist daher entsprechend einfach möglich. Die Mittelung der Wechselanteile bzw. des Quotientens der Wechselanteile kann über einen vorbestimmten Zeitraum erfolgen, der genügend groß ist, damit die hochfrequenten Fluktuationen bzw. Modulationen der Laserleistung und damit der Oberflächentemperatur des bestrahlten Bereichs nicht zu zu stark schwankenden Werten der Werkstücktemperatur führt. Die Zeit für die vorgenannte Mittelung darf aber auch nicht zu lang sein, damit genügend schnell gemessen werden kann, beispielsweise um das Meßergebnis dazu zu benutzen, Verfahrensparameter während der Bearbeitung zu beeinflussen, beispielsweise die Laserstrahlungsleistung.They can be used in a variety of applicationsheat substitute circuit diagrams of a comparatively simple nature.Accordingly, there are simplifications in particularCalculate the from the measured surface temperature of theLayer to be subtracted temperature value. For example,Temperature determination on a workpiece with onlyits heat capacity modeled heat equivalent circuit diagramTemperature value from the measured surface temperature of theLayer subtracted from the DC laser beamperformance by multiplying by an averaged quotients from changing parts of the surface temperature and changingshare of the laser radiation power is determined. The threethe latter quantities can be determined by measurement and theirConsideration when calculating the surfaceThe temperature value to be subtracted is therefore correspondingsimply possible. The averaging of the alternating shares or the quotientens the alternating components can over a predetermined timespace that is large enough for the high-frequencyFluctuations or modulations of the laser power and thus theSurface temperature of the irradiated area does not increasefluctuating workpiece temperature values. TheHowever, time for the above-mentioned averaging must not be too longbe so that measurements can be carried out quickly enough, for examplewise to use the measurement result to process parametersto influence during processing, for example theLaser radiation power.
Der physikalische Zusammenhang zwischen den oben genannten meßtechnisch bestimmbaren Größen wird weiter unten erläutert.The physical relationship between the aboveQuantifiable quantities are explained below.
Die bei dem Verfahren erforderlichen Modulationen der Laserstrahlungsleistung haben in Bezug darauf einen niedrigen Modulationsgrad von z.B. einigen Prozent. Die bei dieser Modulation erforderlichen Frequenzen hängen vom Werkstück und beispielsweise von der Art der Bearbeitung ab. Zum Härten werden beispielsweise 10 bis 200 Hz genannt. Es ist daher vorteilhaft, das Verfahren so durchzuführen, daß die Laserstrahlungsleistung in einem den bei der Bearbeitung oder einer Messung gegebenen Erfordernissen angepaßten Frequenzbereich extern moduliert wird und/oder daß die durch den Laserprozeß bedingten natürlichen Fluktuationen der Strahlungsleistung als Modulationssignale benutzt werden. Die Benutzung der natürlichen Fluktuationen der Laserleistung als Modulationssignale kommt insbesondere dann in Betracht, wenn an den Frequenzbereich keine besonderen Anforderungen gestellt werden.The modulations of theLaser radiation power is low in this regardDegree of modulation e.g. a few percent. The one with this modfrequencies required depend on the workpiece and atfor example on the type of processing. To hardencalled 10 to 200 Hz, for example. It is therefore advantageous perform the procedure so that the laser radiation powerin one of those given during processing or measurementFrequency range adapted to requirements is externally modulatedand / or that the natural caused by the laser processFluctuations in radiation power as modulation signalsbe used. The use of the natural fluctuations of theLaser power comes in as modulation signals in particularConsider if there is no special requirement on the frequency rangepostings.
In Ausgestaltung des Verfahrens wird es während des Bearbeitens eines punktweise oder kontinuierlich relativverschobenen Werkstücks durchgeführt und dazu werden die Parameter des Wärmeersatzschaltbildes entsprechend angepaßt und/oder die thermische Zeitkonstante des von der Schicht abgedeckten Werkstücks im Bereich des Werkstückumfangs wird mittels der Parameter des Wärmeersatzschaltbildes berücksichtigt. In der Regel wird es genügen, bei der Durchführung des Verfahrens ein einziges Wärmeersatzschaltbild zu berücksichtigen. Das ist beispielsweise der Fall beim Punktschweißen einer einzigen Werkstückgeometrie. Ändert sich diese Geometrie, so muß jede Änderung zumindest durch die Anpassung der Parameter des Wärmeersatzschaltbildes berücksichtigt werden. Genügt das nicht, so ist das Ersatzschaltbild selbst anzupassen. Die Berücksichtigung der thermischen Zeitkonstanten ist beispielsweise dann erforderlich, wenn die Erwärmung des Werkstücks ein entsprechendes zeitliches Verhalten zeigt. Die vorbeschriebenen Einflußnahmen auf das Wärmeersatzschaltbild werden bei der Bestimmung des Wärmewiderstandes durch Berechnung berücksichtigt. Dementsprechend ist die erforderliche Rechnerleistung umso größer, je komplizierter das Wärmeersatzschaltbild ist, oder je öfter dessen Parameter im Verlauf eines Verfahrens geändert werden. Im Sinne einer Vereinfachung des Verfahrens wird es daher angestrebt, die Berechnungen näherungsweise durchzuführen, also unter Verwendung einfacher Wärmeersatzschaltbilder, wobei letztere möglichst im voraus bestimmt werden, also nicht während des Verfahrens selbst. Durch diese Maßnahmen wird die für die Berechnung erforderliche Rechnerleistung minimiert.In one embodiment of the method, it is used during the bearprocessing a point by point or continuously relatively shiftedthe workpiece and the parameters of theHeat equivalent circuit diagram adapted accordingly and / or thethermal time constant of that covered by the layerWorkpiece in the area of the workpiece circumference is by means of the Paparameters of the heat equivalent circuit diagram are taken into account. In the Regel will suffice when performing the proceduresingle heat equivalent circuit to be considered. That is withfor example, the case when spot welding a single oneWorkpiece geometry. If this geometry changes, everyone mustChange at least by adjusting the parameters of the heatreplacement circuit diagram are taken into account. That’s not enoughthe equivalent circuit diagram must be adapted. The considerationThe thermal time constant is then, for example, herequired if the heating of the workpiece corresponds to ashows the temporal behavior. The A described aboveFlows on the heat replacement circuit diagram are at the BestimThe thermal resistance is taken into account by calculation.Accordingly, the required computing power is all the morelarger, the more complicated the heat equivalent circuit diagram, or evermore often its parameters changed in the course of a procedurewill. In order to simplify the procedure, it will be therestrived to carry out the calculations approximately,So using simple heat equivalent circuit diagrams, wherethe latter should be determined in advance if possible, so not whilerend of the procedure itselfthe calculation minimizes the computing power required.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bei dem zur Temperaturbestimmung an einem Werkstück mit einem lediglich durch seine Wärmekapazität modelliertem Wärmeersatzschaltbild vorgegangen wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Meßeinrichtung die Oberflächentemperatur als Funktion der Zeit zu erfassen vermag, daß eine zweite, den Gleichanteil der Laserstrahlungsleistung und eine dritte, Wechselanteile der Laserstrahlungsleistung erfassende Meßeinrichtung vorhanden sind, und daß die Temperatur des von einer Schicht abgedeckten Werkstückumfangs mit einem Auswerter nach der Beziehung
ϑ2 = ϑ0g - PLg · bestimmbar ist, wobei
ϑ0g = Gleichanteil der Oberflächentemperatur,
ϑ0w(t) = Wechselanteil der Oberflächentemperatur, und
PLw(t) = Wechselanteil der Laserstrahlungsleistung gilt.A device for carrying out the method, in which the procedure for determining the temperature on a workpiece is based on a heat equivalent circuit diagram modeled solely by its heat capacity, is characterized in that a first measuring device is able to record the surface temperature as a function of time, that a second, the constant component of the Laser radiation power and a third, alternating components of the laser radiation power measuring device are present, and that the temperature of the workpiece circumference covered by a layer with an evaluator according to the relationship
ϑ2 = ϑ0g - PLg · can be determined, whereby
ϑ0g = equal proportion of the surface temperature,
ϑ0w (t) = alternatingproportion of the surface temperature, and
PLw (t) = alternating component of the laser radiation power applies.
Die vorgenannten Meßeinrichtungen sind an sich bekannt. Beispielsweise ist als erste Meßeinrichtung ein Pyrometer einsetzbar. Als zweite und dritte Meßeinrichtung kommen beispielsweise eine Thermosäule und beispielsweise ein pyroelektrischer Detektor zum Einsatz, wie sie beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung P 38 20 619.6 beschrieben sind.The aforementioned measuring devices are known per se.For example, a pyrometer is the first measuring devicesettable. The second and third measuring devices come, for exampleexample a thermopile and for example a pyroelectricDetector used, such as in the GermanPatent application P 38 20 619.6 are described.
Als Auswerter ist jede die oben genannte Beziehung berechnende Einrichtung geeignet. Vorteilhafterweise ist diese Einrichtung so ausgebildet, daß der an die Meßeinrichtungen angeschlossene Auswerter eine elektronische analoge Rechenschaltung oder ein digitalisierte Meßwerte für die Berechnung der Temperatur des Werkstücks verwertender Rechner ist. Derartige Auswerter können die von den Meßeinrichtungen zur Verfügung gestellten elektrischen Signale problemlos in elektrischen Schaltungen mit geringen Zeitkonstanten weiter verarbeiten.As an evaluator, each of the above relationships is calculatedsuitable facility. This is advantageously andirection designed so that the to the measuring devicesclosed evaluator an electronic analog arithmetic circuitor a digitized measured value for the calculation of the tempeof the workpiece recycling computer. Such outvalues can be available from the measuring devicesput electrical signals in electrical scarf easilyProcessing with low time constants.
Im Folgenden wird die Erfindung weiter erläutert. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Es zeigt:The invention is explained further below. In theDrawings is an embodiment of the inventionDevice shown. It shows:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,Fig. 1 is a schematic representation of a erfindungsge MAESSEN device,
Fig. 1a das Detail A derFig. 1,FIG. 1a shows the detail A ofFIG. 1,
Fig. 2 ein Wärmeersatzschaltbild zuFig. 1a,Fig. 3 bis 6 unterschiedliche Wärmeersatzschaltbilder undFig. 7 eine analoge Rechenschaltung zur Berechnung gemäß Wärmeersatzschaltbild derFig. 4.Fig. 2 is a thermal equivalent circuit diagram toFig. 1a,Fig. 3 to 6 different thermal equivalent circuit diagrams, andFig. 7, an analog computation circuit according heat equivalent circuit diagram ofFig. 4.
Das inFig. 1 schematisch dargestellte Werkstück10 soll einem Umwandlungshärten unterworfen werden. Hierzu wird ein Laserstrahl18 benutzt, der beispielsweise von einem Kohlendioxid-Laser erzeugt wird. Der Laserstrahl18 wird durch eine Fokussieroptik19 auf den Bearbeitungsbereich20 fokussiert, in dem das Werkstück10 von einer Beschichtung12 abgedeckt ist.The workpiece10 shown schematically inFIG. 1 is to be subjected to transformation hardening. For this purpose, a laser beam18 is used, which is generated, for example, by a carbon dioxide laser. The laser beam18 is focused by a focusing lens19 on the machining area20 , in which the workpiece10 is covered by a coating12 .
Vom Laser24 wird der Laserstrahl18 über eine Teilerplatte21 auf die Fokussieroptik19 geführt. Die Teilerplatte21 ist für die Laserstrahlung teildurchlässig und läßt ca. 1% der Laserstrahlungsleistung durch, die für Meßeinrichtungen15,16 zur Verfügung steht. Der entsprechende Teilstrahl18′ gelangt auf eine weitere Teilerplatte22, die 50% der Leistung des Teilstrahls18′ zu einer zweiten Meßeinrichtung15 ausblendet und die anderen 50% durchläßt, die über einen Spiegel23 zu einer dritten Meßeinrichtung16 gelangen. Desweiteren ist eine erste Meßeinrichtung14 vorhanden, die den Bearbeitungsbereich20 des Werkstücks10 überwacht. Diese Meßeinrichtung14 ist beispielsweise ein Pyrometer, mit der die Oberflächentemperatur ϑ0 an der Oberfläche der Beschichtung12 in exakter Abhängigkeit von der Zeit gemessen wird, also zeitlich aufgelöst.From the laser24 , the laser beam18 is guided via a splitter plate21 onto the focusing optics19 . The divider plate21 is partially transparent to the laser radiation and allows approximately 1% of the laser radiation power which is available for measuring devices15 ,16 to pass through. The corresponding sub-beam18 'ge reaches a further splitter plate22 which detects 50% of the power of the sub-beam18 ' to a second measuring device15 and passes the other 50%, which pass through a mirror23 to a third measuring device16 . Furthermore, a first measuring device14 is present, which monitors the machining area20 of the workpiece10 . This measuring device14 is, for example, a pyrometer with which the surface temperature ϑ0 on the surface of the coating12 is measured in exact dependence on the time, that is to say it is time-resolved.
Die zweite Meßeinrichtung15 ist beispielsweise eine Thermosäule, mit der die Laserstrahlungsleistung gemessen wird, und zwar deren Mittelwert bzw. Gleichanteil PLg einschließlich der niederfrequenten Fluktuationen. Die Meßeinrichtung16 ist beispielsweise ein pyroelektrischer Detektor, mit dem die höherfrequenten Fluktuationen der Laserstrahlungsleistung gemessen werden, also der Wechselanteil PLw(t) der Laserstrahlungsleistung PL.The second measuring device15 is, for example, a thermal column with which the laser radiation power is measured, specifically its mean value or direct component PLg including the low-frequency fluctuations. The measuring device16 is, for example, a pyroelectric detector with which the higher-frequency fluctuations in the laser radiation power are measured, that is to say the alternating component PLw (t) of the laser radiation line PL.
Bei den vorbeschriebenen Messungen der Strahlungsleistung PL wird jeweils der von dem Werkstück10 absorbierte Strahlungsanteil gemessen bzw. berücksichtigt. Das kann beispielsweise durch ein nicht dargestelltes Zweifarbenpyrometer erfolgen, das in bekannter Weise eingesetzt wird.In the above-described measurements of the radiation power PL , the radiation fraction absorbed by the workpiece10 is measured or taken into account. This can be done, for example, by a two-color pyrometer, not shown, which is used in a known manner.
Alle Meßeinrichtungen14,15,16 sind an einen Auswerter17 angeschlossen, der die Temperatur ϑ2 des Werkstückumfangs13 bestimmt. Diese Bestimmung wird weiter unten beschrieben. Die vom Auswerter17 ermittelte Temperatur ϑ2(t) wird an einen Regler25 weitergegeben, der sie als Istwert im Vergleich zu einem Sollwert bewertet und eine Stellgröße ustell zur Beeinflussung des Lasers24 erzeugt. Der Regler25 ist beispielsweise ein PID-Regler, der die Laserleistung dem Sollwert entsprechend regelt.All measuring devices14 ,15 ,16 are connected to an evaluator17 , which determines the temperature ϑ2 of the workpiece circumference13 be. This determination is described below. The temperature ϑ2 (t) determined by the evaluator17 is passed on to a controller25 , which evaluates it as an actual value in comparison with a setpoint value and generates a manipulated variable ustell to influence the laser24 . The controller25 is, for example, a PID controller that controls the laser power in accordance with the setpoint.
InFig. 1 ist des weiteren dargestellt, daß die Stellgröße ustell mit einem Modulationssignal umod moduliert wird. Diese Modulationsgröße umod wird mit dem Signalgenerator26 erzeugt. Die Modulation erfolgt durch einen Addierer27, dessen Ausgangsgröße ustell+mod die Laserstrahlungsleistung PL(t) des Lasers24 entsprechend regelt. Eine derartige externe Modulierung der Laserstrahlungsleistung ist erforderlich, wenn die durch den Laserprozeß bedingten natürlichen Fluktuationen der Strahlungsleistung als Modulationssignale nicht ausreichen oder nicht geeignet sind, weil sie beispielsweise nicht in dem für die Bearbeitung erforderlichen Frequenzbereich liegen.InFig. 1 further shows that the manipulated variable is modulatedalternate u umod with a modulation signal. This modulation variable umod is generated with the signal generator26 . The modulation is carried out by an adder27 , the output variable ustell + mod regulates the laser radiation power PL (t) of the laser24 accordingly. Such external modulation of the laser radiation power is required if the natural fluctuations of the radiation power caused by the laser process are insufficient as modulation signals or are not suitable because, for example, they are not in the frequency range required for the processing.
Der Auswerter17 bestimmt die Temperatur ϑ2 dadurch, daß von der gemessenen Oberflächentemperatur ϑ0 der Schicht12 ein Temperaturwert ϑb abgezogen wird. Es gilt also:
ϑ2 = ϑ0-ϑb.The evaluator17 determines the temperature ϑ2 by subtracting a temperature value ϑb from the measured surface temperature ϑ0 of the layer12 . So the following applies:
ϑ2 = ϑ0 -ϑb .
Die vorgenannte Beziehung ergibt sich aus folgenden Überlegungen: Die Oberflächentemperatur ϑ0 ist größer, als die gesuchte Werkstücktemperatur ϑ2, weil innerhalb der Absorptionsschicht und beim Übergang der Wärme von der Absorptionsschicht auf das Werkstück ein Temperaturabfall stattfindet. Dieser Temperaturabfall bis zu dem von der Schicht12 abgedeckten, wärmebeeinflußten Werkstückumfang13 kann beispielsweise anhand des Ersatzschaltbildes2 bestimmt werden.The above relationship results from the following considerations: The surface temperature ϑ0 is greater than the sought workpiece temperature ϑ2 , because a temperature drop takes place within the absorption layer and when the heat transfers from the absorption layer to the workpiece. This tem perature drop to the covered by the layer12 , heat-affected workpiece circumference13 can be determined, for example, using the equivalent circuit diagram2 .
Fig. 2 zeigt schematisch den Bearbeitungsbereich20, in dem der Laserstrahl18 mit der Leistung PL wirkt. An dieser Stelle herrscht die Oberflächentemperatur ϑ0. Die Beschichtung bzw. Schicht12 des Werkstücks10 setzt dem sie durchsetzenden Wärmestrom einen Widerstand entgegen, der im wesentlichen durch den Wärmewiderstand Rth01 der Schicht12 bestimmt ist. In der Mitte der Schicht12 herrscht die Temperatur ϑ1 und die Schicht12 hat die Wärmekapazität Cw1. Der Wärmewiderstand von der Schicht12 in den erwärmten Werkstückumfang13 wird durch den Wärmewiderstand Rth01 gekennzeichnet. Im Werkstückumfang13 herrscht die Temperatur ϑ2. Aus dem Werkstückumfang13 fließt der Wärmestrom in die nicht bearbeitete, vom Werkstück10 gebildete Umgebung entsprechend dem Wärmewiderstand Rth2u. Das Werkstück10 hat eine Wärmekapazität Cw2.Fig. 2 shows diagrammatically the machining area20, in which the laser beam18 with the power PL acts. At this point the surface temperature is ϑ0 . The coating or layer12 of the workpiece10 opposes the heatflow passing through it with a resistance which is essentially determined by the thermal resistance Rth01 of the layer12 . The temperature ϑ1 prevails in the middle of the layer12 and the layer12 has the heat capacity Cw1 . The thermal resistance from the layer12 into the heated workpiececircumference13 is characterized by the thermal resistance Rth01 . The temperature ϑ2 prevails in the workpiece circumference13 . From the workpiece circumference13 , the heat flow flows into theunprocessed environment formed by the workpiece10 in accordance with the thermal resistance Rth2u . The workpiece10 has a heat capacity Cw2 .
Das vorstehend beschriebene Wärmeersatzschaltbild kann vereinfacht werden, wenn beispielsweise angenommen wird, daß die Wärmekapazität Cw2 erheblich größer ist, als die Wärmekapazität Cw1 der Schicht12. Im Folgenden wird daher die Annahme gemacht, daß die Wärmekapazität der Schicht12 vernachlässigt werden kann. Es gilt infolgedessen:
Cw1 ≅ 0.The heatequivalent circuit diagram described above can be simplified if, for example, it is assumed that the heat capacity Cw2 is considerably larger than the heat capacity Cw1 of the layer12 . In the following, the assumption is therefore made that the heat capacity of the layer12 can be neglected. The following therefore applies:
Cw1 ≅ 0.
Daraus folgt eine Vereinfachung des Ersatzschaltbildes derFig. 2 gemäßFig. 4, wobei Rth02 die beiden Widerstandswerte Rth01 und Rth12 durch Addition zusammenfaßt.This results in a simplification of the equivalent circuit diagram ofFIG. 2 according toFIG. 4, wherein Rth02 combines the two resistancevalues Rth01 and Rth12 by addition.
Des weiteren ist bei der Vereinfachung inFig. 4 angenommen worden, daß der Wärmewiderstand in die Umgebung unendlich groß ist, so daß keine Wärme aus dem Werkstückumfang13 abfließen kann. Das ist dann der Fall, wenn der Werkstückumfang13 gleich der Gesamtdicke des Werkstücks ist, also z.B. ein Blech. Demgemäß läßtFig. 4 rechts erkennen, daß modulierte Leistung PL = PL(t) eine Temperatur ϑ2 = ϑ2(t) zur Folge hat, die stetig ansteigt. Die Temperatur ϑ2(t) bleibt aufgrund der großen Wärmekapazität Cw2 durch die Modulationen der Strahlungsleistung PL(t) unbeeinflußt. Eine Temperaturbeeinflussung zeigt sich jedoch im Verlauf der Oberflächentemperatur ϑ0(t), die mit den kurzzeiti gen Änderungen der Strahlungsleistung unmittelbar korreliert ist.Furthermore, it has been assumed in the simplification inFIG. 4 that the thermal resistance to the surroundings is infinitely large, so that no heat can flow out of the workpiece circumference13 . This is the case when the workpiece circumference13 is equal to the total thickness of the workpiece, for example a sheet. Accordingly allowedFig. 4 right seen that modulated power PL = PL (t) is a temperature θ2 = θ2 (t) has the consequence that steadily increases. The temperature ϑ2 (t) remains unaffected due to the large heat capacity Cw2 by the modulations of the radiation power PL (t). However, a temperature influence can be seen in the course of the surface temperature ϑ0 (t), which is directly correlated with the short-term changes in the radiation power.
Im Vergleich zurFig. 4 zeigt dieFig. 3 ein vereinfachtes Wärmeschaltbild, wonach das Werkstück als Wärmesenke mit konstanter Temperatur wirkt. Daher ist die Temperatur ϑ0(t) an der Oberfläche der Schicht12 der absorbierten Strahlungsleistung PL(t) direkt proportional. Der zeitliche Verlauf des Modulationssignals bzw. der Strahlungsleistung kann beliebig sein. Die Temperatur ϑ2(t) bleibt auch in diesem Fall von der Modulation unbeeinflußt.In comparison toFIG. 4,FIG. 3 shows a simplified heat circuit diagram, according to which the workpiece acts as a heat sink with a constant temperature. Therefore, the temperature ϑ0 (t) on the surface of the layer12 is directly proportional to the absorbed radiation power PL (t). The time course of the modulation signal or the radiation power can be arbitrary. The temperature ϑ2 (t) remains unaffected by the modulation in this case too.
WährendFig. 3 gegenüberFig. 4 ein vereinfachtes Modell ist, wird gemäß Ersatzschaltbild derFig. 5 angenommen, daß ein Wärmewiderstand vom Werkstückumfang13 in die Umgebung des Werkstücks10 zu berücksichtigen ist. Demgemäß stellen sich bei konstanter absorbierter Strahlungsleistung PL(t) Temperaturen ϑ2(t) und ϑ0(t) mit entsprechenden thermischen Zeitkonstanten auf ihre stationären Endwerte ein. Das Ersatzschaltbild könnte z.B. für ein etwa 100 mm dickes Werkstück verwendet werden.WhileFIG. 3 is a simplified model compared toFIG. 4, it is assumed according to the equivalent circuit diagram ofFIG. 5 that a thermal resistance from the workpiece circumference13 into the surroundings of the workpiece10 must be taken into account. Accordingly, at constant absorbed radiation power PL (t), temperatures ein2 (t) and ϑ0 (t) adjust to their stationary end values with corresponding thermal time constants. The equivalent circuit diagram could, for example, be used for an approximately 100 mm thick workpiece.
Fig. 6 zeigt ein beispielsweises Wärmeersatzschaltbild für mehrschichtige Werkstücke, sei es daß das Werkstück mehrfach beschichtet ist und/oder daß es selbst aus mehreren Schichten besteht, so daß entsprechende Widerstandswerte Rth12 bis Rthn-1,n zu berücksichtigen sind, gegebenenfalls auch nicht dargestellte Wärmekapazitäten zwischen den Kapazitäten Cw1 und Cwn.Fig. 6 shows an example heatreplacement circuit diagram for multi-layer workpieces, be it that the workpiece is coated several times and / or that it itself consists of several layers, so that corresponding resistancevalues Rth12 to Rthn-1, n have to be taken into account, possibly not shown heat capacities between the capacities Cw1 and Cwn .
Zur Berechnung kommen analog und/oder digital arbeitende Rechenschaltungen innerhalb des Auswerters17 zum Einsatz. Derartige Rechenschaltungen sind jedenfalls für die vorbeschriebenen Wärmeersatzschaltbilder größtenteils bekannt, so daß hier zur Erläuterung lediglich auf das Wärmeersatzschaltbild gemäßFig. 4 zurückgegriffen wird.Analog and / or digital computing circuits within the evaluator17 are used for the calculation. The type of arithmetic circuits are in any case largely known for the previously described heat equivalent circuit diagrams, so that only the heat equivalent circuit diagram according toFIG. 4 is used here for explanation.
Aus dem Ersatzschaltbild derFig. 4 kann abgeleitet werden, daß die gesuchte Temperatur ϑ2 aus den drei Größen PL, ϑ0 und Rth02 bestimmt werden muß. Für diese Bestimmung wird von dem durch die Schicht12 fließenden Wärmestrom ausgegangen, für den bei einer Schicht mit konstanter Dicke und bestimmter Fläche die allgemein bekannte Beziehung gilt:
QH = c · (ϑa-ϑb)/Rth.It can be derived from the equivalent circuit diagram inFIG. 4 that the sought temperature ϑ2 must be determined from the three variables PL , ϑ0 and Rth02 . This determination is based on the heat flow flowing through the layer12 , for which the generally known relationship applies for a layer with a constant thickness and a certain area:
QH = c · (ϑa -ϑb ) / Rth .
In dieser Beziehung ist c eine Konstante zur Berücksichtigung der Fläche und der Dicke der Schicht. ϑa, ϑb sind die Temperaturen auf den beiden Seiten der Schicht und Rth ist der Wärmewiderstand. Es wird angenommen, daß die Beschichtung12 an ihrer Oberfläche die eingestrahlte Laserleistung konstant absorbiert, so daß es zu einem konstanten Wärmestrom durch die Schicht12 hindurchkommt. Aus der vorstehenden Beziehung ergibt sich dann für die Ersatzschaltung nachFig. 4
QH ∼ PL = PL(t) = (ϑ0(t)- ϑ2(t))/Rth02.In this regard, c is a constant taking into account the area and the thickness of the layer. ϑa , ϑb are the temperatures on both sides of the layer and Rth is the thermal resistance. It is assumed that the coating12 constantly absorbs the irradiated laser power on its surface, so that there is a constant heat flow through the layer12 . The above relationship then results for the equivalent circuit according toFIG. 4
QH ∼ PL = PL (t) = (ϑ0 (t) - ϑ2 (t)) / Rth02 .
In der vorstehenden Beziehung wurde berücksichtigt, daß die Laserleistung grundsätzlich zeitabhängige Komponenten aufweist bzw. leistungsmoduliert ist und demzufolge auch die infolgedessen erzeugten Temperaturen ϑ0 und ϑ2 zeitabhängig sind. Für die Größen PL(t), ϑ0(t) und ϑ2(t) gelten grundsätzlich folgende Beziehungen:
PL(t) = PLg + PLw(t)
ϑ0(t) = ϑ0g + ϑ0w(t)
ϑ2(t) = ϑ2g + ϑ2w(t).In the above relationship it was taken into account that the laser power basically has time-dependent components or is power-modulated and consequently the temperatures ϑ0 and ϑ2 generated as a result are also time-dependent. The following relationships apply to the quantities PL (t), ϑ0 (t) and ϑ2 (t):
PL (t) = PLg + PLw (t)
ϑ0 (t) = ϑ0g + ϑ0w (t)
ϑ2 (t) = ϑ2g + ϑ2w (t).
Mit diesen Beziehungen ergibt sich
PLg + PLw(t) = (ϑ0g-ϑ2g)/Rth02 + (ϑ0w(t)-ϑ2w(t))/ Rth02.With these relationships follows
PLg + PLw (t) = (ϑ0g -ϑ2g ) / Rth02 + (ϑ0w (t) -ϑ2w (t)) / Rth02 .
Die Temperatur ϑ2 kann sich aufgrund der großen Wärmekapazität Cw2 des Werkstücks10 bzw. des Werkstückumfangs13 im Vergleich zur vernachlässigbaren Wärmekapazität Cw1 der Schicht12 zeitlich nur langsam ändern. Infolgedessen ergibt sich:
ϑ2(t) ≅ ϑ2g = C oder ϑ2w(t) ≅ 0.The temperature ϑ2 can only change slowly over time due to the large heat capacity Cw2 of the workpiece10 or the workpiececircumference13compared to the negligible heat capacity Cw1 of the layer12 . As a result:
ϑ2 (t) ≅ ϑ2g = C or ϑ2w (t) ≅ 0.
Zur Lösung der vorstehenden Gleichung für die Laserleistung durch Superposition wird eine getrennte Betrachtung von Gleich- und Wechselgrößen durchgeführt. Es gilt:
I. PLg = (ϑ0g-ϑ2g)/Rth02
II. PLw(t) = ϑ0w(t) /Rth02.To solve the above equation for the Laserlei stung by superposition, a separate consideration of DC and AC quantities is carried out. The following applies:
I. PLg = (ϑ0g -ϑ2g ) / Rth02
II. PLw (t) = ϑ0w (t) / Rth02 .
Aus II. folgt:
Rth02 = ϑ0w(t)/PLw(t).From II follows:
Rth02 = ϑ0w (t) / PLw (t).
Daraus ergibt sich:
PLg = (ϑ0g-ϑ2g) · PLw(t)/ϑ0w(t)
bzw.
ϑ2g = ϑ0g-PLg/Rth02 = ϑ2.This results in:
PLg = (ϑ0g -ϑ2g ) PLw (t) / ϑ0w (t)
respectively.
ϑ2g = ϑ0g -PLg / Rth02 = ϑ2 .
Aus der vorstehenden Beziehung ist ersichtlich, daß die Temperatur ϑ2 aus den zu messenden Größen des Gleichanteils ϑ0g der Oberflächentemperatur ϑ0 und des Gleichanteils PLg der Laserleistung PL bestimmt werden kann, nämlich durch Differenzbildung, wenn der Gleichanteil PLg durch den Quotienten aus dem Wechselanteil PLw(t) und dem Wechselanteil ϑ0w(t) dividiert wird.From the above relationship, it can be seen that the temperature ϑ2 can be determined from the quantities of thedirect componentanteil 0g of the surface temperature ϑ0 and the direct component PLg of the laser power PL to be measured, namely by difference formation if the direct component PLg by the quotient is divided from the alternating component PLw (t) and the alternating component ϑ0w (t).
Um die hochfrequenten Schwankungen der Wechselanteile auszuschalten, ist von dem vorgenannten Quotienten ein Mittelwert zu bilden, wobei die Zeit für die Mittelwertbildung außerhalb der Größenordnung der Schwingungszeit liegt, aber klein genug ist, um ausreichend häufige ϑ2-Bestimmungen zu ermöglichen. Außerdem muß der Frequenzbereich der Wechselanteile so gewählt werden, daß Temperaturänderungen des Werkstücks10 bzw. des bearbeiteten Werkstückumfangs13 im Verhältnis zu Temperaturänderungen der Schicht12 vernachlässigt werden können. Die Bestimmung von ϑ2 erfolgt also nach der folgenden Beziehung:
ϑ2 = ϑ0g-PLg · .In order to switch off the high-frequency fluctuations of the alternating components, an average of the aforementioned quotient is to be formed, the time for averaging being outside the order of magnitude of the oscillation time, but being short enough to enable sufficiently frequent ϑ2 determinations. In addition, the frequency range of the alternating components must be selected so that changes in temperature of the workpiece10 or the workpiece circumference13 machined be relative to temperature changes of the layer12 can be neglected. The determination of ϑ2 is based on the following relationship:
ϑ2 = ϑ0g -PLg ·.
In dieser Beziehung gilt: ϑ0g = Gleichanteil der Oberflächentemperatur ϑ0w, ϑ0(t) = Wechselanteil der Oberflächentemperatur ϑ0, und PLw(t) = Wechselanteil der Laserstrahlungsleistung PL.In this respect, the following applies: ϑ0g =constant component of the surface temperature ϑ0w , ϑ0 (t) = alternating component of the surface temperature ϑ0 , and PLw (t) = alternating component of the laser radiation power PL.
Den Gleichanteil ϑ0g und den Wechselanteil ϑ0w(t) der Oberflächentemperatur ϑ0 kann der Auswerter17 aufgrund des Meßergebnisses der Meßeinrichtung14 für den jeweiligen Meßzeitraum oder Meßzeitpunkt bestimmen, während der Gleichanteil PLg und der Wechselanteil PLw(t) der Laserstrahlungsleistung PL durch die Meßeinrichtungen15,16 bestimmt werden. Ein Beispiel für eine analoge Rechenschaltung des Auswerters17 zur Bestimmung von ϑ2 gibtFig. 7. Die vom Laser24 erzeugte Strahlungsleistung PL = PL(7) wirkt auf das Werkstück10 ein und wird mittels schneller Laserleistungsmessung15,16 gemessen, die ein entsprechendes Signal uL(t) an den Auswerter17 gibt. Parallel dazu erzeugt das Pyrometer14 einen Meßspannungswert ujo(t). Dieses Signal wird auf einen Tiefpaß28 gegeben, so daß infolge dessen Filterwirkung der Gleichanteil uϑog zu einem Addierer30 gelangt. Diesem Addierer30 wird außerdem ein Spannungswert uϑb zugeführt, und zwar mit negativem Vorzeichen, so daß die Ausgangsgröße des Addierers30 eine Spannung ujog-uϑb ist, also eine der gesuchten Temperatur ϑ2 proportionale Spannung ustell. Das ist die bereits zuFig. 1 beschriebene Stellgröße für den Regler25 zur Beaufschlagung des Lasers24.The evaluator17 can determine the direct component ϑ0g and the alternating component ϑ0w (t) of the surface temperature aufgrund0 on the basis of the measurement result of the measuring device14 for the respective measuring period or measuring time, while the direct component PLg and the alternating component PLw (t) Laser radiation power PL can be determined by the measuring devices15 ,16 . An example of an analog arithmetic circuit of the evaluator17 for determining ϑ2 is shown inFIG. 7. The radiation power PL = PL (7) generated by the laser24 acts on the workpiece10 and is measured by means of fast laser power measurement15 ,16 a corresponding signal uL (t) to the evaluator17 . In parallel, the pyrometer14 generates a measurement voltage value ujo (t). This signal is given to a low-pass filter28 , so that as a result of its filtering action the DC component uϑog reaches an adder30 . This adder30 is also supplied with a voltage value uϑb , with a negative sign, so that the output variable of the adder30 is a voltage ujog -uϑb , that is to say a temperature u2 proportional voltage ustell . This is the manipulated variable already described forFIG. 1 for the controller25 to act on the laser24 .
Die Spannung uϑo(t) wird auf einen Hochpaß29 gegeben, so daß der Wechselanteil ujow(t) auf einen Eingang eines Addierers31 kommt, dessen anderer Eingang zur Bandumsetzung zwecks selektiver Frequenzuntersuchung mit einer durch die Funktion cos2πfo · t beeinflußten Größe beaufschlagt wird. Die Ausgangsgröße des Multiplizierers31 gelangt über einen Tiefpaß32 und einen Absolutwertbildner33, z.B. einen Gleichrichter, in der Form von |jow| auf einen Addierer34, der einen Integrierer34 mit einem Signal ê(t) beaufschlagt. Der Integrierer35 liefert den erforderlichen Widerstandswert Rtho2 infolge seiner Anordnung in einer ausFig. 7 ersichtlichen Nachlaufschaltung mit einem Multiplizierer36, der den Addierer34 mit einem negativen Spannungswert |ûϑow| beaufschlagt. Dieser Wert ergibt sich aus dem Multiplizierer36 dadurch, daß der Spannungswert uL(t), analog dem Spannungswert uϑo(t), einem Hochpaß37, einem Bandum setzer38, einem Tiefpaß39 und einem Absolutwertbildner40 zugeführt wird, dessen Absolutwert |Lw| dem Multiplizierer36 zugeführt wird und daraus unter Heranziehung eines dem Widerstand Rth02 entsprechenden Signals den Wert |ûϑow| bestimmt.The voltage uϑo (t) is given to a high-pass filter29 , so that the alternating component ujow (t) comes to an input of an adder31 , the other input of which is used for band conversion for the purpose of selective frequency analysis using a function cos2πfo . t affected size is applied. The output variable of the multiplier31 passes through a low-pass filter32 and an absolute value generator33 , for example a rectifier, in the form of |jow | to an adder34 which supplies an integrator34 with a signal ê (t). The integrator35 delivers the required resistance value Rtho2 as a result of itsarrangement in afollow-up circuit shown inFIG. 7 with a multiplier36 which supplies the adder34 with a negative voltage value | ûϑow | acted upon. This value results from the multiplier36 in that the voltage value uL (t), analogous to the voltage value uϑo (t), a high-pass filter37 , a Bandum converter38 , a low-pass filter39 and an absolute value generator40 , the Absolute valueLw | is supplied to the multiplier36 and from this, using a signal corresponding to theresistance Rth02 , the value | ûϑow | certainly.
Die von dem Integrierer35 erzeugten, dem Wärmewiderstand Rth02 proportionalen Signale werden auf einen Multiplizierer41 gegeben, der über einen Tiefpaß42 aus der Spannung uL(t) durch Filterwirkung gewonnene Signale uLg erhält und damit durch Multiplikation entsprechend der oben angegebenen Beziehung für ϑb = PLg/Rth02 das elektrische Signal uϑΔ erzeugt, welches in einen Eingang des Addierers30 gegeben wird, der die bereits oben genannte Stellgröße ustell proportional ϑ2 ermittelt.The generated by the integrator35, the thermal resistance RTH02 proportional signals are applied to a multiplier41 through a low-pass filter42 from the voltage uL (t) obtained by filtering effect signals obtained uLg and thus by Mul tiplikation according to the above relationship for ϑb = PLg / Rth02 the electrical signal uϑΔ is generated, which isfed into an input of the adder30 , which determines the manipulated variable ustell proportional ϑ2 already mentioned above.
Entsprechend der vorbeschriebenen analogen Rechenschaltung können auch digitale Rechenschaltungen nach dem gleichen Prinzip die Werkstücktemperatur ermitteln. Die Bestimmung des Wärmewiderstandes Rth02 kann hierbei auch mit den aus der Regelungstechnik bekannten Methoden zur Systemidentifikation bestimmt werden, z.B. mit Fourieranalyse, Kreuzkorrelation und minimaler Fehlerquadratmethode zur Parameterschätzung. Bei bekannten Materialeigenschaften, wie Wärmeleitfähigkeit, Dichte und Wärmekapazität, können mit diesen Verfahren zusätzliche Informationen über den Bearbeitungsprozeß gewonnen werden, z.B. über die Einhärttiefe.According to the analog arithmetic circuit described above, digital arithmetic circuits can also determine the workpiece temperature according to the same principle. The determination of the thermal resistance Rth02 can also be determined using the methods for system identification known from control engineering, for example with Fourier analysis, cross correlation and a minimal square error method for parameter estimation. With known material properties, such as thermal conductivity, density and heat capacity, additional information can be obtained about the machining process with these processes, for example about the hardening depth.
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|---|---|---|---|
| DE3926540ADE3926540A1 (en) | 1989-08-11 | 1989-08-11 | METHOD OF LASER RADIATION OF COATED WORKPIECES AND DEVICE FOR CARRYING OUT THE METHOD |
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|---|---|---|---|
| DE3926540ADE3926540A1 (en) | 1989-08-11 | 1989-08-11 | METHOD OF LASER RADIATION OF COATED WORKPIECES AND DEVICE FOR CARRYING OUT THE METHOD |
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE3926540A1true DE3926540A1 (en) | 1991-02-14 |
| DE3926540C2 DE3926540C2 (en) | 1992-12-24 |
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE3926540AGrantedDE3926540A1 (en) | 1989-08-11 | 1989-08-11 | METHOD OF LASER RADIATION OF COATED WORKPIECES AND DEVICE FOR CARRYING OUT THE METHOD |
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE3926540A1 (en) |
| WO (1) | WO1992013668A1 (en) |
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1992013668A1 (en)* | 1989-08-11 | 1992-08-20 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Method of irridiating coated workpieces with laser radiation, and a device for carrying out the method |
| DE4234339A1 (en)* | 1992-10-12 | 1994-04-14 | Manfred Prof Dr Ing Geiger | Monitoring the quality of a lap weld - by measuring the temp. at the back of the weld and adjusting the laser beam accordingly |
| WO1997041995A3 (en)* | 1996-05-06 | 1997-12-11 | Fraunhofer Ges Forschung | Workpiece laser machining process |
| DE102012221218A1 (en) | 2011-11-22 | 2013-05-23 | Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V. | Device, useful for quality assurance of products manufactured by laser beam processing, includes laser beam processing apparatus, laser beam source, deflecting unit, and unit for determining and recording temperature at processing position |
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5705788A (en)* | 1993-05-19 | 1998-01-06 | Fraunhofer-Gesellschaft Zur Forderung Der Angewandten Forschung E.V. | Process for treatment of materials with diode radiation |
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4579463A (en)* | 1984-05-21 | 1986-04-01 | Therma-Wave Partners | Detecting thermal waves to evaluate thermal parameters |
| DE3424825C2 (en)* | 1984-07-06 | 1988-12-22 | Herziger, Gerd, Prof. Dr.-Ing., 5190 Stollberg, De | |
| DE3701013C2 (en)* | 1987-01-15 | 1989-02-16 | Messerschmitt-Boelkow-Blohm Gmbh, 8012 Ottobrunn, De | |
| DE3820619A1 (en)* | 1988-06-17 | 1989-12-21 | Fraunhofer Ges Forschung | DEVICE FOR MEASURING THE RADIATION POWER OF LASERS |
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3733147A1 (en)* | 1987-10-01 | 1989-04-13 | Messer Griesheim Gmbh | METHOD FOR LASER HEAT TREATMENT, LASER HARDENING, LASER SOFT GLOWING, LASER RECRISTALLIZING OF COMPONENTS IN SOLID STATE |
| DE3926540A1 (en)* | 1989-08-11 | 1991-02-14 | Fraunhofer Ges Forschung | METHOD OF LASER RADIATION OF COATED WORKPIECES AND DEVICE FOR CARRYING OUT THE METHOD |
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4579463A (en)* | 1984-05-21 | 1986-04-01 | Therma-Wave Partners | Detecting thermal waves to evaluate thermal parameters |
| DE3424825C2 (en)* | 1984-07-06 | 1988-12-22 | Herziger, Gerd, Prof. Dr.-Ing., 5190 Stollberg, De | |
| DE3701013C2 (en)* | 1987-01-15 | 1989-02-16 | Messerschmitt-Boelkow-Blohm Gmbh, 8012 Ottobrunn, De | |
| DE3820619A1 (en)* | 1988-06-17 | 1989-12-21 | Fraunhofer Ges Forschung | DEVICE FOR MEASURING THE RADIATION POWER OF LASERS |
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1992013668A1 (en)* | 1989-08-11 | 1992-08-20 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Method of irridiating coated workpieces with laser radiation, and a device for carrying out the method |
| DE4234339A1 (en)* | 1992-10-12 | 1994-04-14 | Manfred Prof Dr Ing Geiger | Monitoring the quality of a lap weld - by measuring the temp. at the back of the weld and adjusting the laser beam accordingly |
| WO1997041995A3 (en)* | 1996-05-06 | 1997-12-11 | Fraunhofer Ges Forschung | Workpiece laser machining process |
| DE102012221218A1 (en) | 2011-11-22 | 2013-05-23 | Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V. | Device, useful for quality assurance of products manufactured by laser beam processing, includes laser beam processing apparatus, laser beam source, deflecting unit, and unit for determining and recording temperature at processing position |
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO1992013668A1 (en) | 1992-08-20 |
| DE3926540C2 (en) | 1992-12-24 |
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE69532851T2 (en) | DIFFERENTIAL ANALYSIS USING REAL AND IMAGINARY PARTS | |
| DE69818275T2 (en) | QUALITY MEASUREMENT OF WELDING | |
| DE19957163C1 (en) | Method and device for quality control of the seam on sheets or strips butt welded with a laser | |
| EP0655294A1 (en) | Process for simultaneously measuring temperatures in a laser seam welding using at least two pyrometers and process parameters treatment and seam quality control | |
| DE4325856A1 (en) | Method for assessment of welded joints using ultrasound | |
| DE3543632C2 (en) | ||
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| EP0307442B1 (en) | Process and device for regulation of resistance or arc welding processes | |
| DE3926540C2 (en) | ||
| DE10117854A1 (en) | Methods and devices for recording the quality and for controlling and regulating pressure welding and fusion welding processes | |
| DE4308246A1 (en) | Method and device to increase the economic efficiency of processing machines | |
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| DD295248A5 (en) | METHOD AND DEVICE FOR MEASURING THE INSTABILITY OF AN ARC IN AN ELECTRIC OVEN FOR THE TREATMENT OF LIQUID METAL | |
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| DE19618045C2 (en) | Process for processing workpieces with laser radiation | |
| DE1966696C3 (en) | Process for electrical resistance flash butt welding | |
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| DE4423409C2 (en) | Process for machining a workpiece using a laser beam |
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