CH687132A5

CH687132A5 - Method and apparatus for material processing by means of a laser beam and uses this device.

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: ITMI931115A1; DE4217705A1; IT1264513B1; DE4217705C2; ITMI931115A0

Description

1 1

CH 687 132 A5 CH 687 132 A5

2 2nd

Beschreibung description

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. The invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and a device according to the preamble of claim 4 and their uses for novel laser beam machining processes.

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. The generic measures are the subject of German patent application P 4 108 419.5. There, a spherical mirror with adjustable curvature of its spherical cap-like central mirror surface is provided as far as possible from a flying processing optics, the so-called focusing head, and thus as close as possible to the beam source, in order to control the beam divergence despite the operating time-dependent shifting of the beam waist in front of the beam source and in spite of beam paths of different lengths up to the focusing optics, the illumination of the focusing optics as constant as possible and thereby achieving a constant optimal focus spot geometry even if, for example, the beam path length changes considerably along long cutting distances.

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. The object of the present invention is to open up further optimization and adaptation options for laser beam machining with regard to the materials and the strengths of the workpieces to be machined.

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. This object is achieved according to the invention essentially in that the generic measures are further developed according to the respective characterizing part of claim 1 or claim 4 and this device is used in particular according to claim 10 or 11.

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. With this arrangement of a definable spherical mirror as close as possible to the focusing optics (possibly even integrated into the processing head with the replacement of a deflection mirror otherwise provided there), the illumination and thus the beam caustics can be kept practically constant due to the minimal beam path length to the focusing optics, despite the large divergence change, and at the same time the effective position of the focus in front of the focusing head nozzle can be set within wide limits. Such a variable focus shift represents an advantageous addition for working head nozzles, which serve the process-supporting supply of working gas at the interaction point and have the largest possible working distance to the nozzle outlet with a large working area and large diameter of the nozzle outlet for the laser beam, as in the case of e.g. Double jet Laval nozzles. Due to the adjustable focus position, distance controls between the working head and the workpiece may not be necessary in the future. For the same reason, a change of nozzles or of focusing optics depending on different machining tasks can largely be dispensed with, since an adaptation to the current machining task is already possible through the focus position. You can now use the same processing head to either cut or weld, as the focus position can be adjusted depending on the type of action and depth required.

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. The possibility of a periodic shifting of the effective focus position by variable beam divergence immediately in front of the focusing optics is particularly advantageous. The resulting continuous up and down movement of the effective focal spot, which can be realized with a comparatively high frequency thanks to the piezoelectric actuator in the center behind the warping mirror surface, allows material to be processed on the spot with great depth of field and thus cutting or welding processes even over very large ones Material thicknesses. By overlaying the focus position shift and the feed movement, time-varying mechanisms in the beam-material interaction can be achieved. This can be Use thick sheet metal for laser beam cutting. A periodic shift of focus causes a kind of sawing effect. Depending on the time course of the oscillation frequency, the use of the vertical focus point shift in laser beam welding can be used to specifically influence the weld seam geometry (e.g. stitching seams) or its other parameters (weld depth, weld seam width).

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. When machining contoured or profiled workpiece surfaces, it is often not possible to maintain the optimal nozzle-sheet spacing for the process and thus the focus position with respect to the workpiece due to the risk of collision or limited dynamics of mechanical tracking axes. By tracking the focus using a deformable mirror, it is still possible to achieve a constant machining result.

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: Additional alternatives and further developments as well as further features and advantages of the invention result from the further claims and, also taking into account the explanations in the summary, from the following description of a preferred implementation example for the invention according to the invention, which is highly abstracted but approximated to scale and limited to the essentials Solution. The drawing shows:

Fig. 1 einen Axial-Längsschnitt durch einen kompakten Laser-Fokussierkopf mit adaptierter prozess-optimierender Optik und Fig. 1 shows an axial longitudinal section through a compact laser focusing head with adapted process-optimizing optics and

Fig. 2 in vergrösserter Darstellung die Wirkung der Brennfleck-Verschiebung vor dem Düsenaustritt des Fokussierkopfes nach Fig. 1. 2 shows in an enlarged view the effect of the focal spot shift before the nozzle exit of the focusing head according to 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. The focusing head 11 sketched in the drawing is loaded with a laser beam 12, which passes through a, preferably reflective, focusing optics 14 with a comparatively large focal length f2 before it emerges through the nozzle 13. Depending on the machining process to be carried out, the focus F lies on or just below the surface 15 of a metal workpiece 16 facing the nozzle 13.

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 In the beam path just in front of the focusing optics 14 and thus, as shown, as far as possible within the focusing head 11, there is a variable optics 17 with a spherically deformable mirror surface 18

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

2 2nd

3 3rd

CH 687 132 A5 CH 687 132 A5

4 4th

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. in the form e.g. arranged a reflective metal plate, behind the center of which an electrically controllable actuator 19 is clamped, which is preferably created as a prestressed stack of piezoelectric elements. The average focal length f1 of the mirror surface 18, which can be curved in the manner of a spherical cap, is very large in comparison to the fixed focal length f2 of the focusing optics 14. In practice, the effective position of the focus F ... F 'can be shifted by several millimeters in the radiation direction 20. The focus stroke dF is therefore dependent on the instantaneous focal length f1 and thus on the actuator stroke h, which in turn is a function of the control voltage u from a voltage source 21.

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. The position of the focus F... F 'on or in the workpiece 16 can be set via the control voltage u in such a way that different processing methods can be carried out on different materials with the same device, in a process-optimized manner. For example, Carry out a cutting and welding process on different materials with the same setting, so that real process optimization is possible via the variable optics 17. The axial focus shift also adjusts the supply of a process-supporting working gas. If the voltage source 21 supplies a periodically fluctuating control voltage u, the focus F ... F 'is continuously moved up and down. In this way, a desirable depth effect can be achieved during welding, while the cutting with the feed of the workpiece 16 relative to the nozzle 13 produces a kind of sawing effect in that the zones of the focal spot shifted up and down are shifted into successively adjacent material areas. This pulsating focal spot position means that the melted material is no longer glued to the lower end of the workpiece 16, but is literally blown out, which results in a continuously large cutting width even in very thick sheets. This sawing effect makes it possible to clearly separate sheets in the order of magnitude of, for example, 20 mm with a 2 kW laser, which cannot be achieved at all by conventional maintenance or tracking of the focal spot in the vicinity of the workpiece surface 15 .

Claims

1. A method for material processing on a workpiece by means of a laser beam, the beam divergence of which can be influenced via a deformable mirror before its beam focusing, characterized in that the beam divergence is expanded so close to the beam focusing that the axial focus position is changed while the beam caustic is essentially constant .

2. The method according to claim 1, characterized by a periodic change in the beam divergence.

3. The method according to claim 2, characterized by a superimposition of feed and focus position movements on or in the workpiece.

4. Device for performing the method according to claim 1, which is equipped in a focusing head (11) in the beam path in front of its focusing optics (14) with variable optics (17) for influencing the beam divergence, characterized in that the variable optics (17 ) has a bulging mirror surface (18) close to the focusing optics (14).

5. Device according to claim 4, characterized in that the variable optics (17) is arranged using a deflecting mirror in the focusing head (11).

6. Device according to claim 4 or 5, characterized in that a prestressed piezoelectric actuator (19) in the center behind the mirror surface (18) for setting the effective position of the focus (F, F ') from a voltage source (21) can be controlled.

7. Device according to claim 6, characterized by a periodic control voltage (u) for periodic shift of the focus (F ... F ').

8. Device according to one of claims 4 to 7, characterized by adapting the focusing head (11) to a material processing task via means for influencing the optics (17).

9. Use of a device according to one of claims 4 to 8 for laser material processing with a variably archable mirror surface (18) close to its focusing optics (14) next to a nozzle (13) for process-supporting gas supply to the interaction point of the laser beam with its current focus position in the workpiece .

10. Use of a device according to one of claims 4 to 8 for processing sheet metal by superimposing feed and joining, removal or separating movements due to relative movement of the workpiece transverse to an oscillating movement of the focus.

11. Use of a device according to one of claims 4 to 8 to achieve a uniform machining result when machining also contoured or profiled workpieces without nozzle tracking or distance control.

5

10th

15

20th

25th

30th

35

40

45

50

55

60

65

3rd