CH611192A5 - Method of removing material from a metallic workpiece, in particular for boring, by means of a laser-beam pulse focused on the material to be removed - Google Patents

Method of removing material from a metallic workpiece, in particular for boring, by means of a laser-beam pulse focused on the material to be removed

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CH611192A5
CH611192A5 CH461977A CH461977A CH611192A5 CH 611192 A5 CH611192 A5 CH 611192A5 CH 461977 A CH461977 A CH 461977A CH 461977 A CH461977 A CH 461977A CH 611192 A5 CH611192 A5 CH 611192A5
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laser beam
workpiece
laser
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Ekkehard Dipl Phys Stuermer
Bernhard Dipl Phys Einstein
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Lasag Ag
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Description


  
 

**WARNUNG** Anfang DESC Feld konnte Ende CLMS uberlappen **.

 



   PATENTANSPRUCH 1
Verfahren nach dem Patentanspruch I des Hauptpatents, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (8) der zu bearbeitenden Stelle des Werkstücks (9) in einem Abstand d in der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahlimpulses vor der Strahltaille (6) angeordnet wird, wobei wenigstens annähernd kw    d= tga ' tga    worin k = 0,1 bis 2,0, w der Radius der Strahltaille (6) und   z    der Öffnungswinkel des fokussierten Laserstrahles ist.



   UNTERANSPRÜCHE
1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass k = 0,2 bis 1,0 ist.



   2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass k = 0,5 bis 0,9 ist.



   3. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass k = 0,6 bis 0,8 ist.



   4. Verfahren nach Patentanspruch I oder einem der Unteransprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere aufeinanderfolgende Laserstrahlimpulse zum schrittweisen Abtragen von Material erzeugt werden, und das Werkstück (9) nach Auftreffen des ersten Laserstrahlimpulses entgegen dessen Ausbreitungsrichtung verschoben wird, derart, dass sich die Oberfläche (8) der jeweils zu bearbeitenden Stelle des Werkstücks (9) beim Auftreffen jedes Laserstrahlimpulses im Abstand d vor der Strahltaille (6) befindet.



     PATENTANSPRUCH II   
Anordnung nach Patentanspruch II des Hauptpatents zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I hiervor, gekennzeichnet durch Mittel zur Anordnung der Oberfläche (8) der zu bearbeitenden Stelle des Werkstücks (9) zwischen der Fokussierungsoptik (4) und der Strahltaille (6) des fokussierten Laserstrahlimpulses, wobei der Abstand d der Oberfläche (8) von der Strahltaille (6) wenigstens annähernd    dk w tga    ist, worin k = 0,1 bis 2,0, w der Radius der Strahltaille (6) und a der Öffnungswinkel des fokussierten Laserstrahles ist.



   UNTERANSPRÜCHE
5. Anordnung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass k = 0,2 bis 1,0 ist.



   6. Anordnung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass k = 0,5 bis 0,9 ist.



   7. Anordnung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass k = 0,6 bis 0,8 ist.



   8. Anordnung nach Patentanspruch II oder einem der Unteransprüche 5 bis 7, bei der der Infrarotlaser zum schrittweisen Abtragen von Material mehrere aufeinanderfolgende Laserstrahlimpulse emittiert, gekennzeichnet durch eine Vorschubvorrichtung für das Werkstück (9), die dieses nach Auftreffen eines Laserstrahlimpulses in Richtung auf die Fokussierungsoptik (4) vorschiebt, derart, dass sich die Oberfläche (8) der jeweils zu bearbeitenden Stelle des Werkstücks (9) beim Auftreffen jedes Laserstrahlimpulses im Abstand d vor der Strahltaille (6) befindet.



   PATENTANSPRUCH III
Anwendung des Verfahrens nach Patentanspruch I hiervor gemäss dem Patentanspruch III des Hauptpatents.



   Der Patentanspruch I des Hauptpatentes betrifft ein Verfahren zum Abtragen von Material von einem metallischen Werkstück, insbesondere zum Bohren, mittels eines auf das abzutragende Material fokussierten Laserstrahlimpulses eines Infrarotlasers, wobei die zu bearbeitende Stelle des Werkstücks mit einer Helium und/oder Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre umgeben und der zeitliche Intensitätsverlauf des Laserstrahlimpulses so bemessen und der Laserstrahlimpuls unter einem derart grossen Öffnungswinkel auf das abzutragende Material fokussiert wird, dass ein die Laserstrahlung absorbierendes Plasma am Anfang des Laserstrahlimpulses im Fokus gebildet, aber nur während eines Bruchteils des Laserstrahlimpulses aufrechterhalten wird.



   Der Patentanspruch II des Hauptpatents betrifft eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, mit einem gepulsten Infrarotlaser, einer Fokussierungsoptik zur Fokussierung des Infrarotlaserimpulses auf das abzutragende Material und Mittel, um die zu bearbeitende Stelle des Werkstücks mit Helium und/oder Wasserstoff zu umgeben.



   Der Patentanspruch III des Hauptpatents betrifft eine Anwendung des Verfahrens nach Patentanspruch I zum Materialabtragen von Werkstücken aus Metallen oder Legierungen, deren Reflexionsgrad bei Infrarotstrahlung der Wellenlänge   lOm    über   95%    beträgt, oder von Werkstücken, die mit einer Schicht aus solchen Metallen oder Legierungen überzogen sind.



   Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad der Materialabtragung bei dem Verfahren nach dem Hauptpatent weiter zu verbessern. Unter dem Wirkungsgrad wird dabei das Verhältnis des Volumens des abgetragenen Materials zur Energie des Laserstrahlimpulses verstanden.



   Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Oberfläche der zu bearbeitenden Stelle des Werkstücks in einem Abstand d in der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahlimpulses vor der Strahltaille angeordnet wird, wobei wenigstens annähernd    d=k w tga    worin k = 0,1 bis 2,0, w der Radius der Strahltaille und a der Öffnungswinkel des fokussierten Laserstrahles ist.



   Die erfindungsgemässe Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch Mittel zur Anordnung der Oberfläche der zu bearbeitenden Stelle des Werkstücks zwischen der Fokussierungsoptik und der Strahltaille des fokussierten Laserstrahlimpulses, wobei der Abstand d der Oberfläche von der Strahltaille wenigstens annähernd d,kw tg a    worin k dk¯w ist, worin k= 0,1 bis 2,0, w der Radius der Strahltaille und a der Öffnungswinkel des fokussierten Laserstrahlimpulses ist.   



   Unter dem Öffnungswinkel a des fokussierten Laserstrahles wird der Winkel verstanden, den die optische Achse mit dem konischen Teil der Hüllfläche des konvergierenden Laserstrahles bildet. Die Strahltaille ist die schmalste Stelle der Hüllfläche des fokussierten Laserstrahles. Bei einem vom Infrarotlaser mit dem Öffnungswinkel Null emittierten Laserstrahl liegt die Strahltaille in der Brennebene der Fokussierungsoptik. Der Radius w der Strahltaille ist (analog wie der Radius eines Laserstrahls) definiert als Radius des Kreises um die Strahlachse, durch den   86%    der Laserleistung transmittiert werden. Vorzugsweise ist k wenigstens annähernd 0,7.



   Im folgenden wird anhand der beiliegenden Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Bohren von metallischen Werkstücken,  
Fig. 2 den Verlauf des Wirkungsgrads beim Materialabtragen in Funktion des Abstandes der Oberfläche der zu bearbeitenden Stelle von der Strahltaille und eine schematische Darstellung der Hüllkurve des fokussierten Laserstrahles in diesem Abstandsbereich.



   Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Anordnung hat einen gepulsten TEA-CO2-Laser 1, vor dessen Auskopplungsspiegel eine (nicht dargestellte) Modenblende so angeordnet ist, dass der vom Laser 1 emittierte Laserstrahl 2 eine   TEM0O-Moden-    struktur aufweist. Die Wellenlänge A des Laserstrahls 2 beträgt A = 10,6,um. Der Laserstrahl 2 verläuft parallel zur optischen Achse 3 einer den Laserstrahl 2 fokussierenden Sammellinse 4.



  Aus dem Radius des Laserstrahls 2 am Ort der Linse 4 von 4 mm und der Brennweite der Linse 4 von f = 12,5 cm ergibt sich ein Öffnungswinkel a des fokussierten Laserstrahls von a =   1,8 .    Die Hüllfläche 5 des fokussierten Strahls hat, wie in Fig. 2 angedeutet, die Form der Mantelfläche eines einschaligen Hyperbolids. Die Strahltaille 6, d. i. die engste Stelle der Hüllkurve 5, liegt ungefähr in der Brennebene 7 der Linse 4. Der Radius w der Strahltaille berechnet sich aus    tg a    xtga zu w =   107,zum,    in guter Übereinstimmung mit einem experimentell gemessenen Wert von w = 106   ptm.    Die Oberfläche 8 der zu bearbeitenden Stelle eines metallischen Werkstücks 9 ist zwischen der Linse 4 und der Strahltaille 6 des fokussierten Laserstrahls angeordnet.

  Der Abstand d der Oberfläche 8 von der Strahltaille 6 bzw. der Brennebene 7 ist nach der Formel    dk w tg a    bemessen. Darin ist k ein empirisch zu 0,7 bestimmter Faktor.



  Daraus ergibt sich ein Abstand d von 2,4 mm. Die Oberfläche 8 ist also in einem gegenüber der Brennweite f kleinen Abstand d (der Abstand d beträgt 1,9% der Brennweite f) vor der Brennebene 7 der Linse 4 angeordnet. Wie im Hauptpatent näher erläutert, ist auf die zu bearbeitende Stelle eine (hier nicht dargestellte), mit Heliumgas beschickte Düse gerichtet.



   Zum Bohren eines Werkstücks mit der in Fig. 1 dargestellten Anordnung wird zunächst der Ort der Strahltaille 6 des fokussierten Laserstrahlimpulses bestimmt. Für den eine   TEM0O-Modenstruktur    aufweisenden Laserstrahl 2 kann dies experimentell folgendermassen durchgeführt werden: Ein Stück Plexiglas wird schrittweise entlang der optischen Achse 3 verschoben. Bei jedem Schritt werden nebeneinander zwei Löcher mit Laserstrahlimpulsen verschiedener Energie gebohrt. Diese beiden Löcher sind je von einer Schmelzzone umgeben, deren äussere Durchmesser   Dl    und D2 mit dem Strahlradius R des Laserstrahls an der betreffenden Stelle der optischen Achse 3 durch die Gleichung
2R21n(E1/E2) =   D21 - D22    verknüpft sind. Darin bedeuten E1 und E2 die Energien der beiden Laserimpulse, mit denen die Löcher erzeugt wurden.



  Die Strahltaille befindet sich an der Stelle der optischen Achse 3, an der der kleinste   Strahlradius    R gemessen wird. Dort gilt w = R. Darauf wird der Abstand d nach der Formel    k w d=k w tga    worin k = 0,7 berechnet und die Oberfläche 8 der zu bearbeitenden Stelle des Werkstücks 9 im Abstand d vor der Strahltaille 6 angeordnet. Die Oberfläche 8 wird dann mit einer wenigstens 50% Helium enthaltenden Atmosphäre umgeben und der   Bohrprozess    durch Auslösen eines Laserstrahlimpulses eingeleitet, wie im Hauptpatent ausführlich erläutert ist.



   Zum Bohren tiefer Löcher mittels mehrerer aufeinanderfolgender Laserstrahlimpulse kann das Werkstück 9 kontinuierlich oder schrittweise nach jedem Laserstrahlimpuls in Richtung auf die Linse 4 geschoben werden, derart, dass die Oberfläche 8 der zu bearbeitenden Stelle beim Auftreffen jedes Laserstrahlimpulses stets im Abstand d vor der Strahltaille 6 liegt.



   In Fig. 2 ist der experimentell bestimmte Verlauf des durch das Verhältnis des Volumens des abgetragenen Materials zur Energie des Laserstrahlimpulses definierten Wirkungsgrads W der Materialabtragung in Funktion des Abstandes d der Oberfläche 8 von der Strahltaille 6 aufgezeichnet. Als Material wurde Kupfer gewählt. Das Maximum des Wirkungsgrads W wird bei im Abstand d = 2,4 mm vor der Strahltaille 6 angeordneter Oberfläche 8 erzielt. Bei in der Strahltaille 6 (d = 0) angeordneter Oberfläche 8 werden lediglich   60 %    des maximalen Wirkungsgrads erreicht.



   Dieses merkwürdige Ergebnis, wonach zur Erzielung eines maximalen Wirkungsgrads die Oberfläche der zu bearbeitenden Stelle nicht in der Strahltaille, in der die z. B. in W/cm2 gemessene Intensität des Laserstrahlimpulses maximal ist, sondern in einem bestimmten Abstand vor der Strahltaille anzuordnen ist, konnte nachträglich wie folgt begründet werden: Zum Materialabtragen ist, wie im Hauptpatent beschrieben, ein Laserstrahlimpuls hoher Intensität erforderlich. Dabei wird im Fokus, d. h. in einem Bereich um die Strahlentaille, eine Intensität erreicht, bei der sich ein Plasma vor der zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstücks bildet, das die Laserstrahlung absorbiert. Dieses Plasma bildet eine sogenannte LSD-Welle (Laser-Supported-Detonation-Wave), die sich mit einer Geschwindigkeit von ca. 1   cm/,us    von der Oberfläche wegbewegt.



  Solange sich die LSD-Welle in einem Bereich befindet, in dem die Intensität eine bestimmte Schwelle übersteigt, wird sie von der Laserstrahlung aufrechterhalten, absorbiert also diese, wodurch der Wirkungsgrad der Materialabtragung verkleinert wird. Beim Eintritt der LSD-Welle in Bereiche niedrigerer Intensität bricht die Absorption der Laserstrahlung ab. Während sich die LSD-Welle bei einer Anordnung der Oberfläche der zu bearbeitenden Stelle in der Strahltaille verhältnismässig lange in einem Bereich praktisch konstant hoher Intensität fortbewegt, gelangt sie bei der Anordnung in einem Abstand vor der Strahltaille rasch in Bereiche mit niedrigerer Intensität, so dass die Dauer der Absorption des Laserstrahlimpulses verkürzt wird.



   Der Faktor k ist abhängig von der Art der die Oberfläche der zu bearbeitenden Stelle umgebenden Atmosphäre. Im Vakuum, in dem sich keine LSD-Welle bildet, ist k   =0,    in Luft k = 1,4. Verschiedene Experimente haben gezeigt, dass der Faktor k in Helium zwischen 0,6 und 0,8 liegt.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH 1 Verfahren nach dem Patentanspruch I des Hauptpatents, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (8) der zu bearbeitenden Stelle des Werkstücks (9) in einem Abstand d in der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahlimpulses vor der Strahltaille (6) angeordnet wird, wobei wenigstens annähernd kw d= tga ' tga worin k = 0,1 bis 2,0, w der Radius der Strahltaille (6) und z der Öffnungswinkel des fokussierten Laserstrahles ist.
    UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass k = 0,2 bis 1,0 ist.
    2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass k = 0,5 bis 0,9 ist.
    3. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass k = 0,6 bis 0,8 ist.
    4. Verfahren nach Patentanspruch I oder einem der Unteransprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere aufeinanderfolgende Laserstrahlimpulse zum schrittweisen Abtragen von Material erzeugt werden, und das Werkstück (9) nach Auftreffen des ersten Laserstrahlimpulses entgegen dessen Ausbreitungsrichtung verschoben wird, derart, dass sich die Oberfläche (8) der jeweils zu bearbeitenden Stelle des Werkstücks (9) beim Auftreffen jedes Laserstrahlimpulses im Abstand d vor der Strahltaille (6) befindet.
    PATENTANSPRUCH II Anordnung nach Patentanspruch II des Hauptpatents zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I hiervor, gekennzeichnet durch Mittel zur Anordnung der Oberfläche (8) der zu bearbeitenden Stelle des Werkstücks (9) zwischen der Fokussierungsoptik (4) und der Strahltaille (6) des fokussierten Laserstrahlimpulses, wobei der Abstand d der Oberfläche (8) von der Strahltaille (6) wenigstens annähernd dk w tga ist, worin k = 0,1 bis 2,0, w der Radius der Strahltaille (6) und a der Öffnungswinkel des fokussierten Laserstrahles ist.
    UNTERANSPRÜCHE 5. Anordnung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass k = 0,2 bis 1,0 ist.
    6. Anordnung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass k = 0,5 bis 0,9 ist.
    7. Anordnung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass k = 0,6 bis 0,8 ist.
    8. Anordnung nach Patentanspruch II oder einem der Unteransprüche 5 bis 7, bei der der Infrarotlaser zum schrittweisen Abtragen von Material mehrere aufeinanderfolgende Laserstrahlimpulse emittiert, gekennzeichnet durch eine Vorschubvorrichtung für das Werkstück (9), die dieses nach Auftreffen eines Laserstrahlimpulses in Richtung auf die Fokussierungsoptik (4) vorschiebt, derart, dass sich die Oberfläche (8) der jeweils zu bearbeitenden Stelle des Werkstücks (9) beim Auftreffen jedes Laserstrahlimpulses im Abstand d vor der Strahltaille (6) befindet.
    PATENTANSPRUCH III Anwendung des Verfahrens nach Patentanspruch I hiervor gemäss dem Patentanspruch III des Hauptpatents.
    Der Patentanspruch I des Hauptpatentes betrifft ein Verfahren zum Abtragen von Material von einem metallischen Werkstück, insbesondere zum Bohren, mittels eines auf das abzutragende Material fokussierten Laserstrahlimpulses eines Infrarotlasers, wobei die zu bearbeitende Stelle des Werkstücks mit einer Helium und/oder Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre umgeben und der zeitliche Intensitätsverlauf des Laserstrahlimpulses so bemessen und der Laserstrahlimpuls unter einem derart grossen Öffnungswinkel auf das abzutragende Material fokussiert wird, dass ein die Laserstrahlung absorbierendes Plasma am Anfang des Laserstrahlimpulses im Fokus gebildet, aber nur während eines Bruchteils des Laserstrahlimpulses aufrechterhalten wird.
    Der Patentanspruch II des Hauptpatents betrifft eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, mit einem gepulsten Infrarotlaser, einer Fokussierungsoptik zur Fokussierung des Infrarotlaserimpulses auf das abzutragende Material und Mittel, um die zu bearbeitende Stelle des Werkstücks mit Helium und/oder Wasserstoff zu umgeben.
    Der Patentanspruch III des Hauptpatents betrifft eine Anwendung des Verfahrens nach Patentanspruch I zum Materialabtragen von Werkstücken aus Metallen oder Legierungen, deren Reflexionsgrad bei Infrarotstrahlung der Wellenlänge lOm über 95% beträgt, oder von Werkstücken, die mit einer Schicht aus solchen Metallen oder Legierungen überzogen sind.
    Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad der Materialabtragung bei dem Verfahren nach dem Hauptpatent weiter zu verbessern. Unter dem Wirkungsgrad wird dabei das Verhältnis des Volumens des abgetragenen Materials zur Energie des Laserstrahlimpulses verstanden.
    Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Oberfläche der zu bearbeitenden Stelle des Werkstücks in einem Abstand d in der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahlimpulses vor der Strahltaille angeordnet wird, wobei wenigstens annähernd d=k w tga worin k = 0,1 bis 2,0, w der Radius der Strahltaille und a der Öffnungswinkel des fokussierten Laserstrahles ist.
    Die erfindungsgemässe Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch Mittel zur Anordnung der Oberfläche der zu bearbeitenden Stelle des Werkstücks zwischen der Fokussierungsoptik und der Strahltaille des fokussierten Laserstrahlimpulses, wobei der Abstand d der Oberfläche von der Strahltaille wenigstens annähernd d,kw tg a worin k dk¯w ist, worin k= 0,1 bis 2,0, w der Radius der Strahltaille und a der Öffnungswinkel des fokussierten Laserstrahlimpulses ist.
    Unter dem Öffnungswinkel a des fokussierten Laserstrahles wird der Winkel verstanden, den die optische Achse mit dem konischen Teil der Hüllfläche des konvergierenden Laserstrahles bildet. Die Strahltaille ist die schmalste Stelle der Hüllfläche des fokussierten Laserstrahles. Bei einem vom Infrarotlaser mit dem Öffnungswinkel Null emittierten Laserstrahl liegt die Strahltaille in der Brennebene der Fokussierungsoptik. Der Radius w der Strahltaille ist (analog wie der Radius eines Laserstrahls) definiert als Radius des Kreises um die Strahlachse, durch den 86% der Laserleistung transmittiert werden. Vorzugsweise ist k wenigstens annähernd 0,7.
    Im folgenden wird anhand der beiliegenden Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Bohren von metallischen Werkstücken, **WARNUNG** Ende CLMS Feld konnte Anfang DESC uberlappen**.
CH461977A 1976-10-07 1977-04-14 Method of removing material from a metallic workpiece, in particular for boring, by means of a laser-beam pulse focused on the material to be removed CH611192A5 (en)

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DE19772740755 DE2740755A1 (de) 1976-10-07 1977-09-09 Verfahren zum abtragen von material von einem metallischen werkstueck, insbesondere zum bohren, mittels eines fokussierten laserstrahlimpulses
GB39452/77A GB1585609A (en) 1976-10-07 1977-09-22 Method of removing material from a workpiece
FR7730265A FR2366910A1 (fr) 1976-10-07 1977-10-07 Procede et dispositif d'enlevement de matiere, notamment de percage, d'une piece metallique au moyen d'une impulsion de rayonnement laser focalise

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104889565A (zh) * 2015-05-27 2015-09-09 广东高聚激光有限公司 一种激光加工方法和加工系统

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CN104889565A (zh) * 2015-05-27 2015-09-09 广东高聚激光有限公司 一种激光加工方法和加工系统

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