CH687132A5

CH687132A5 - Verfahren und Einrichtung zur Material- bearbeitung mittels eines Laserstrahles sowie Verwendungen dieser Einrichtung.

Info

Publication number: CH687132A5
Application number: CH01607/93A
Authority: CH
Inventors: Peter Dr Hoffmann; Manfred Prof Dr Geiger; Stefan Schuberth; Claudius Dr Kozlik
Original assignee: Diehl Gmbh & Co
Priority date: 1992-06-01
Filing date: 1993-05-28
Publication date: 1996-09-30
Also published as: DE4217705A1; DE4217705C2; ITMI931115A1; IT1264513B1; ITMI931115A0

Description

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CH 687 132 A5

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine Einrichtung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 4 sowie deren Verwendungen für neuartige Laserstrahl-Bearbeitungsvorgänge.

Die gattungsgemässen Massnahmen sind Gegenstand der deutschen Patentanmeldung P 4 108 419.5. Dort ist in möglichst grossem Abstand von einer fliegenden Bearbeitungsoptik, dem sogenannten Fokussierkopf, und damit möglichst dicht hinter der Strahlquelle ein sphärischer Spiegel mit einstellbarer Krümmung seiner kugelkappenähn-lichen mittleren Spiegelfläche vorgesehen, um durch gesteuerte Veränderung der Strahldivergenz trotz betriebszeitabhängiger Verlagerung der Strahltaille vor der Strahlquelle und trotz unterschiedlich langer Strahlwege bis zur Fokussieroptik eine möglichst konstant grosse Ausleuchtung der Fokussieroptik und dadurch eine konstante optimale Fokus-fleckgeometrie auch dann zu erzielen, wenn sich beispielsweise längs langer Schneidstrecken die Strahlweglänge stark ändert.

Vorliegender Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, weitere Optimierungs- und Anpassungsmöglichkeiten der Laserstrahl-Bearbeitung im Hinblick auf die Materialien und die Stärken der zu bearbeitenden Werkstücke zu eröffnen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss im wesentlichen dadurch gelöst, dass die gattungsbildenden Massnahmen nach dem jeweiligen Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 bzw. Patentanspruchs 4 weitergebildet sind und diese Einrichtung insbesondere nach Anspruch 10 oder 11 verwendet wird.

Mit dieser Anordnung eines defomierbaren sphärischen Spiegels möglichst dicht vor der Fokussieroptik (möglichst sogar integriert in den Bearbeitungskopf unter Ersatz eines sonst dort vorgesehenen Umlenkspiegels) kann wegen minimaler Strahlweglänge zur Fokussieroptik trotz grosser Divergenzänderung deren Ausleuchtung und damit die Strahlkaustik praktisch konstant gehalten und zugleich die wirksame Lage des Fokus vor der Fo-kussierkopf-Düse in weiten Grenzen eingestellt werden. Eine solche variable Fokusverschiebung stellt eine vorteilhafte Ergänzung für Arbeitskopf-Düsen dar, die der prozessunterstützenden Arbeitsgaszufuhr an der Wechselwirkungsstelle dienen und einen möglichst grossen Arbeitsabstand zum Düsenausgang bei gleichzeitig grossem Arbeitsbereich und grossem Durchmesser des Düsenausgangs für den Laserstrahl aufweisen, wie im Falle von z.B. Zweistrahl-Lavaldüsen. Wegen der einstellbaren Fokuslage können sich Abstandsregelungen zwischen Arbeitskopf und Werkstück künftig erübrigen. Aus gleichem Grund kann ein Wechsel von Düsen oder von Fokussieroptiken in Abhängigkeit von verschiedenen Bearbeitungsaufgaben weitgehend entfallen, da eine Anpassung an die aktuelle Bearbeitungsaufgabe schon durch die Fokuslage möglich wird. So kann nun mit demselben Bearbeitungskopf wahlweise getrennt oder geschweisst werden, da die Fokuslage je nach geforderter Einwirkungsart und Tiefe verstellbar ist.

Besonders vorteilhaft ist die nach der Erfindung sich ergebende Möglichkeit einer periodischen Verschiebung der wirksamen Fokuslage durch variable Strahldivergenz unmittelbar vor der Fokussieroptik. Die daraus resultierende kontinuierliche Auf- und Abbewegung des wirksamen Brennfleckes, die dank des piezoelektrischen-Aktuators im Zentrum hinter der verwölbbaren Spiegelfläche mit vergleichsweise hoher Frequenz realisierbar ist, erlaubt eine Materialbearbeitung auf der Stelle mit grosser Tiefenschärfe und damit Schneid- oder Schweissvorgänge auch über sehr grosse Materialstärken. Durch Überlagerung von Fokuslagenshift und Vorschubbewegung lassen sich zeitlich veränderliche Mechanismen in der Strahl-Werkstoff-Wechselwirkung erzielen. Dies lässt sich u.a. zum Laserstrahlschneiden dicker Bleche ausnutzen. Eine periodische Verlagerung des Fokus bewirkt eine Art Sägewirkung. Die Anwendung der vertikalen Fokuspunktverlagerung beim Laserstrahlschweissen kann je nach zeitlichem Verlauf der Oszillationsfrequenz zu einer gezielten Beeinflussung der Schweissnahtgeometrie (z.B. Steppnähte) oder ihrer anderen Parameter (Einschweisstiefe, Schweissnahtbreite) ausgenützt werden.

Beim Bearbeiten konturierter bzw. profilierter Werkstückoberflächen ist ein Einhalten des für den Prozess optimalen Abstandes Düse - Blech und damit der Fokuslage bzgl. dem Werkstück aufgrund von Kollisionsgefahr bzw. begrenzter Dynamik mechanischer Nachführachsen häufig nicht möglich. Durch Nachführen des Fokus mittels eines deformierbaren Spiegels lässt sich hierdurch dennoch ein gleichbleibendes Bearbeitungsergebnis erzielen.

Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und, auch unter Berücksichtigung der Darlegungen in der Zusammenfassung, aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche stark abstrahiert aber angenähert massstabsgerecht skizzierten bevorzugten Realisierungsbeispiels zur erfindungsgemässen Lösung. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Axial-Längsschnitt durch einen kompakten Laser-Fokussierkopf mit adaptierter prozess-optimierender Optik und

Fig. 2 in vergrösserter Darstellung die Wirkung der Brennfleck-Verschiebung vor dem Düsenaustritt des Fokussierkopfes nach Fig. 1.

Der in der Zeichnung skizzierte Fokussierkopf 11 wird mit einem Laserstrahl 12 beschickt, der vor seinem Austritt durch die Düse 13 eine, vorzugsweise reflektive, Fokussieroptik 14 mit vergleichsweise grosser Brennweite f2 passiert. Der Fokus F liegt je nach dem zu vollziehenden Bearbeitungsvorgang an der oder dicht unter der, der Düse 13 zugewandten, Oberfläche 15 eines metallenen Werkstückes 16.

Im Strahlengang kurz vor der Fokussieroptik 14 und somit wie dargestellt möglichst noch innerhalb des Fokussierkopfes 11 ist eine variable Optik 17 mit sphärisch deformierbarer Spiegeloberfläche 18

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in Form z.B. einer reflektierenden Metallplatte angeordnet, hinter deren Zentrum ein elektrisch ansteuerbarer Aktuator 19 eingespannt ist, der vorzugsweise als vorgespannter Stapel aus piezoelektrischen Elementen erstellt ist. Die mittlere Brennweite f1 der kugelkappenförmig auswölbbaren Spiegeloberfläche 18 ist sehr gross im Vergleich zur festen Brennweite f2 der Fokussieroptik 14. Damit lässt sich die wirksame Lage des Fokus F ... F' in der Praxis um mehrere Millimeter in Abstrahlrichtung 20 verschieben. Der Fokushub dF ist also abhängig von der momentanen Brennweite f1 und damit vom Aktuatorhub h, der seinerseits eine Funktion der Steuerspannung u aus einer Spannungsquelle 21 ist.

Über die Steuerspannung u kann die Lage des Fokus F ... F' am oder im Werkstück 16 so eingestellt werden, dass mit derselben Einrichtung wahlweise verschiedene Bearbeitungsverfahren an unterschiedlichen Werkstoffen prozessoptimiert durchführbar werden. So lassen sich z.B. mit derselben Einstellung ein Schneid- und ein Schweissvorgang auch an verschiedenen Materialien durchführen, so dass eine echte Prozessoptimierung über die variable Optik 17 ermöglicht ist. Die axiale Fokusverlagerung passt zugleich die Zufuhr eines prozess-unterstützenden Arbeitsgases an. Wenn die Spannungsquelle 21 eine periodisch schwankende Steuerspannung u liefert, dann wird der Fokus F ... F' kontinuierlich auf und ab bewegt. Damit kann beim Schweissen eine wünschenswerte Tiefenwirkung erzielt werden, während das Schneiden unter Vorschub des Werkstückes 16 relativ zur Düse 13 eine Art Sägeeffekt hervorruft, indem die Zonen des aufwärts und abwärts verschobenen Brennfleckes in aufeinanderfolgend benachbarte Materialbereiche verlagert werden. Diese pulsierende Brennfleck-Lage führt dazu, dass das angeschmolzene Material nicht mehr am unteren Ende des Werkstückes 16 verklebt, sondern förmlich ausgeblasen wird, was eine durchgehend grosse Schnittbreite auch noch in sehr dicken Blechen erbringt. So ist es durch diesen Sägeeffekt möglich, Bleche in der Grössenordnung von beispielsweise 20 mm mit einem 2-kW-Laser eindeutig zu trennen, was mit der herkömmlichen Konstanthaltung oder Nachführung des Brennflecks in der Nähe der Werkstück-Ober-fläche 15 überhaupt nicht realisierbar ist.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Materialbearbeitung an einem Werkstück mittels eines Laserstrahls, dessen Strahldivergenz vor dessen Strahlfokussierung über einen deformierbaren Spiegel beeinflussbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufweitung der Strahldivergenz so dicht vor der Strahlfokussierung erfolgt, dass bei im wesentlichen konstantbleibender Strahlkaustik die axiale Fokuslage verändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine periodische Veränderung der Strahldivergenz.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Überlagerung von Vorschub- und Fokuslagebewegungen am oder im Werkstück.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, die in einem Fokussierkopf (11), im Strahlengang vor ihrer Fokussieroptik (14) mit einer variablen Optik (17) zur Beeinflussung der Strahldivergenz ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Optik (17) eine auswölb-bare Spiegeloberfläche (18) dicht vor der Fokussieroptik (14) aufweist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Optik (17) unter Einsatz eines Umlenkspiegels im Fokussierkopf (11) angeordnet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorgespannter piezoelektrischer Aktuator (19) im Zentrum hinter der Spiegeloberfläche (18) zur Einstellung der wirksamen Lage des Fokus (F, F') aus einer Spannungsquelle (21) ansteuerbar ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine periodische Steuerspannung (u) für periodische Verlagerung des Fokus (F ... F').

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, gekennzeichnet durch Anpassung des Fokussierkopfes (11) an eine Materialbearbeitungsaufgabe über Mittel zur Beeinflussung der Optik (17).

9. Verwendung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8 zur Laser-Materialbearbeitung mit variabel auswölbbarer Spiegeloberfläche (18) dicht vor ihrer Fokussieroptik (14) neben einer Düse (13) für prozessunterstützende Gaszuführung an die Wechselwirkungsstelle des Laserstrahles mit seiner aktuellen Fokuslage im Werkstück.

10. Verwendung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8 zum Bearbeiten von Blech durch Überlagerung von Vorschub und Füge-, Ab-trag- oder Trennbewegungen aufgrund Relativbewegung des Werkstückes quer zu einer Oszillationsbewegung des Fokus.

11. Verwendung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8 zum Erzielen eines gleich-mässigen Bearbeitungsergebnisses beim Bearbeiten auch konturierter bzw. profilierter Werkstücke ohne Düsen-Nachführung bzw. Abstandsregelungen.

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