DE102007017364A1

DE102007017364A1 - Vorrichtung und ein Verfahren zur Bearbeitung von Bauteilen oder Werkstücken mit polarisierter Strahlung

Info

Publication number: DE102007017364A1
Application number: DE102007017364A
Authority: DE
Inventors: Eckhard Prof. Dr. Beyer; Peer Pfohl
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-04-03
Filing date: 2007-04-03
Publication date: 2008-10-16
Anticipated expiration: 2027-04-04
Also published as: DE102007017364B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bearbeitung von Bauteilen oder Werkstücken, insbesondere mittels statistischer oder unpolarisierter Strahlung eines Faser- oder Scheibenlasers. Aufgabe der Erfindung ist es, Verbesserungen der Absorption bzw. eine Verringerungen der Reflexion beim Einsatz von Vorrichtungen mit Faser- oder Scheibenlasern bei der Bearbeitung von Werkstücken zu erreichen, bei denen die Bearbeitung mit in gezielter Form polarisierter Strahlung erfolgen soll. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dabei so ausgebildet, dass statistische oder unpolarisierte Strahlung eines Faser- oder Scheibenlasers mittels eines Strahlteilers, der für eine Polarisationsrichtung transparent ist und für eine um 90° gedrehte Polarisationsrichtung reflektierend wirkt, der einfallende Strahl in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen aufgeteilt wird und ein Teilstrahl durch eine optische Anordnung um 90° gedreht wird und anschließend beide Teilstrahlen derart auf das Bauteil oder Werkstück gerichtet werden, dass sie sich im Fokusbereich mit gleicher Polarisationsrichtung überlagern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bearbeitung von Bauteilen oder Werkstücken, insbesondere mittels statistisch oder unpolarisierter Strahlung eines Faser- oder Scheibenlasers. Die Bearbeitung kann bei den verschiedenen bekannten Technologien, wie z. B. Schneiden, Schweißen oder auch für eine Modifizierung von Werkstoffen (z. B. Härten) sowie dem Bohren, Abtregen, Beschichten und Umschmelzen eingesetzt werden.
Seit ca. zwei Jahren sind Hochleistungs-Faserlasersysteme und Scheibenlaser auf dem Markt erhältlich, welche eine bisher nicht gekannte hohe Strahlqualität besitzen. Damit sind Faserlaser außer ordentlich gut zur Laser-Materialbearbeitung geeignet. Beim Einsatz eines Faserlasers hat sich jedoch herausgestellt, dass dieser besonders gegen rückreflektierte Strahlung empfindlich ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der „Auskoppelspiegel" des Laserresonators nur eine sehr geringe Reflexion, dafür aber eine sehr hohe Transmission besitzt. Hierdurch unterscheidet sich der Faserlaser nennenswert von anderen Festkörperlasern wie dem Scheibenlaser oder Nd: YAG-Laser.
Bei der Bearbeitung von Metallen hat die Strahlung in der Regel eine recht hohe Reflexion am Werkstück, wodurch ein nennenswerter Anteil (10–90%) in den Laser zurückreflektiert werden kann. Die damit auftretenden hohen Leistungsdichten können zur Zerstörung des Lasers oder einer Übertragungsfaser führen. Aus diesem Grund erscheint eine Rückwirkungssperre zwingend erforderlich. Die Reflexion ist polarisations- und winkelabhängig.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Verbesserungen der Absorption bzw. eine Verringerung der Reflexion beim Einsatz von Vorrichtungen mit Faser- oder Scheibenlasern bei der Bearbeitung von Werkstücken zu erreichen, bei denen die Bearbeitung mit in gezielter Form polarisierter Strahlung erfolgen soll.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist und einem Verfahren nach Anspruch 9, gelöst.
Dabei soll für die Bearbeitung von Bauteilen oder Werkstücken die Strahlung von Faser- oder Scheibenlasern auf einen Bearbeitungsbereich gerichtet werden. Dies kann auch mit aus einer Faser- oder Scheibenlaserlichtquelle emittierter statistisch bzw. uripolarisierter Strahlung erfolgen.
Bei der Erfindung ist im Strahlengang der auf einen Bearbeitungsbereich gerichteten Laserstrahlung ein optisches Element angeordnet, das für die vom Faserlaser emittierte Strahlungsrichtung in einer Polarisationsrichtung transparent und in einer senkrecht dazu ausgerichteten Polarisationsrichtung reflektierend ist. Die Strahlung kann so in zwei Strahlengänge aufgeteilt werden.
Die durch den Strahlteiler transmittierte Strahlung trifft auf einen Polarisationsdreher und wird so mit ihrer Polarisationsrichtung um einen Winkelbetrag von z. B. 90° gedreht. Diese Strahlung wird auf den jeweiligen Bearbeitungsbereich eines Bauteils gerichtet. Sie kann vorab mittels eines geeigneten optischen Elements fokussiert werden.
Der vom Strahlteiler reflektierte Anteil an Strahlung trifft auf mindestens ein neben dem Strahlteiler angeordnetes reflektierendes Element auf und kann von dort ebenfalls auf zumindest jedoch in Richtung des Bearbeitungsbereiches reflektiert werden. Auch diese reflektierte Strahlung kann mit einem optischen Element fokussiert werden. Die reflektierte Strahlung trifft so unter einem Winkel in Bezug zur optischen Achse der transmittierten Strahlung auf den Bearbeitungsbereich auf.
Die transmittierte und die reflektierte Strahlung weisen dabei nun die gleiche Polarisationsrichtung auf.
Bei einem Polarisationsdreher mit dem die Polarisationsrichtung um 90° gedreht wird, weisen die transmittierte und die reflektierte Strahlung die gleiche Polarisationsrichtung auf, was sich bei der Bearbeitung vorteilhaft auswirken kann.
Das reflektierende Element mit dem die reflektierte Strahlung auf den Bearbeitungsbereich gerichtet wird, kann um mindestens eine Achse verschwenkbar sein, so dass bei der Bearbeitung eine gleichzeitige Auslenkung des Brennflecks auf der Oberfläche des Bauteils möglich ist. Die Auslenkung kann aber auch mit dem einen oder einem weiteren reflektierenden optischen Element in einer weiteren Achse erfolgen. So sind unterschiedliche Auslenkungsbewegungen erreichbar. Die Auslenkung kann beispielsweise oszillierend erfolgen. Dies kann z. B. in einer Achsrichtung zwischen Umkehrpunkten möglich sein.
Die transmittierte und die reflektierte Strahlung können aber auch jeweils als zirkular polarisierte Strahlung auf den Bearbeitungsbereich gerichtet werden. In diesem Fall sind Polarisationsdreher mit denen eine Änderung der Polarisationsrichtung um 45° möglich ist geeignet. Dabei kann auch die mit dem Strahlteiler reflektierte Strahlung in ihrer Polarisationsrichtung gedreht werden. Ein zusätzlicher Polarisationsdreher kann dabei im Strahlengang der reflektierten Strahlung angeordnet sein.
Geeignete Polarisationsdreher sind beispielsweise Faraday-Rotatoren oder λ/4-Platten.
Bei der Erfindung kann außerdem vorteilhaft ausgenutzt werden, dass es möglich ist, vom Bearbeitungsbereich des Bauteils zurück reflektierte Strahlung für die jeweilige Laserlichtquelle unschädlich zu machen und eine Rückwirkungssperre gebildet werden.
So kann solche zurück reflektierte Strahlung mittels des Strahlteilers aus der optischen Achse zwischen Laserlichtquelle und Bearbeitungsbereich heraus reflektiert und dann auf ein diese Strahlung absorbierendes Element gerichtet werden.
An Stelle eines absorbierenden Elements oder zusätzlich dazu kann aber auch ein diese Strahlung reflektierendes Element eingesetzt sein, mit dem diese Strahlung reflektiert und somit die Richtung geändert wird. Dabei kann mit diesem reflektierenden Element die Strahlung wieder zum Strahlteiler auf der gleichen optischen Achse und von dort zurück auf den Bearbeitungsbereich reflektiert werden. Dadurch kann die Laserlichtquelle vor Rückwirkungen reflektierter Strahlung geschützt und gleichzeitig die Effizienz durch mögliche Nutzung eines eigentlich verlorenen Strahlungsanteils erhöht werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 in schematischer Form ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 ein weiteres Beispiel mit zwei verschwenkbaren reflektierenden Elementen für vom Strahlteiler reflektierte Strahlung und
3 ein weiteres Beispiel mit dem zirkular polarisierte Strahlung auf einen Bearbeitungsbereich gerichtet werden kann und bei dem eine Rückwirkungssperre vorhanden ist.
Bei dem in 1 gezeigten Beispiel wird Strahlung einer nicht dargestellten Laserlichtquelle (Faser- oder Scheibenlaser) von der unpolarisierte oder statistisch polarisierte Strahlung emittiert wird, auf einen Strahlteiler 1 gerichtet. Der Strahlteiler 1 ist so ausgebildet, dass Strahlung mit einer Polarisationsrichtung durch den Strahlteiler 1 entlang der optischen Achse hindurch tritt und auf einen Polarisationsdreher 2 trifft. Der Polarisationsdreher 2 verändert die Polarisationsrichtung um 90°. Die so polarisierte Strahlung kann mit dem optischen Element 3 auf den Bearbeitungsbereich des Bauteils 7 fokussiert werden.
Mit dem Strahlteiler 1 wird aber auch von der Laserlichtquelle emittierte Strahlung, deren Polarisationsrichtung in einem Winkel von 90° zur Strahlung, die vom Strahlteiler 1 transmittiert wird, abweicht, reflektiert und so aus dem Strahlengang abgelenkt werden. Sie wird dabei so abgelenkt, dass sie auf ein diese Strahlung reflektierendes Element 4 auftrifft und von dort in Richtung auf den Bearbeitungsbereich des Bauteils 7 reflektiert wird.
Diese reflektierte Strahlung trifft in einem schräg geneigten Winkel in Bezug zur optischen Achse der transmittierten Strahlung auf den Bearbeitungsbereich auf. Mit dem optischen Element 5 kann sie fokussiert werden, wobei bei diesem Beispiel die Fokuslage der transmittierten Strahlung, mit der der reflektierten Strahlung übereinstimmt. Lediglich die geometrische Form des Brennflecks der reflektierten Strahlung weicht von der Form des Brennflecks der transmittierten Strahlung in Folge der unterschiedlichen Winkelausrichtung ab. Es kann aber auch so reflektiert werden, dass die Teilstrahlen auf einen gemeinsamen Fokusbereich gerichtet werden.
Die transmittierte und die reflektierte Strahlung sind gleich polarisiert, da sie die gleiche Polarisationsrichtung aufweisen.
Das reflektierende Element 4 ist hier statisch angeordnet, so dass beide Strahlungen immer in der gleichen Winkelausrichtung zueinander eingesetzt werden.
Bei dem in 2 gezeigten Beispiel sind für die vom Strahlteiler 1 reflektierte Strahlung aber zwei reflektierende Elemente 4 und 4' vorhanden, die beide um mindestens eine Achse verschwenkbar sind, wie dies mit den Doppelpfeilen angedeutet ist.
Dadurch kann eine Auslenkung der reflektierten Strahlung über eine Fläche eines Bearbeitungsbereichs von Bauteilen 7 erreicht werden. Die Position der beiden Brennflecken muss demzufolge bei der Bearbeitung nicht immer übereinstimmen, was in vielen Fällen einer Bauteilbearbeitung wünschenswert und vorteilhaft ist.
Bei dem in 3 gezeigten Beispiel kann die gleiche Polarisation der transmittierten und der reflektierten Strahlung, als zirkular polarisierte Strahlung mit zwei Polarisationsdrehern 2 und 2' erreicht werden. Dabei werden die vom Strahlteiler 1 transmittierte und die reflektierte Strahlung mit den Polarisationsdrehern 2 und 2' um jeweils 45° mit ihrer Polarisationsrichtung gedreht und können dann weiter, wie bei den beiden vorab beschriebenen Beispielen auf den Bearbeitungsbereich eines Bauteils 7 gerichtet werden.
Bei diesem Beispiel ist zusätzlich eine Möglichkeit für eine Rückwirkungssperre für vom Bauteil 7 in Richtung Laserlichtquelle zurück reflektierte Strahlung vorhanden, die aber auch bei einem Beispiel nach den 1 und 2 eingesetzt sein kann.
Dabei kann vom Bauteil 7 zurück reflektierte Strah lung mit dem Strahlteiler 1 reflektiert und dadurch so ausgelenkt werden, dass sie auf ein seitlich dazu angeordnetes diese Strahlung absorbierendes Element 6 auftrifft und dabei zumindest ein größerer Teil der Strahlung absorbiert wird.
An Stelle eines absorbierenden Elements 6 kann aber auch ein weiteres reflektierendes Element 6 dort angeordnet sein, mit dem vorteilhaft die zurück reflektierte Strahlung auf der gleichen optischen Achse zum Strahlteiler 1 und von dort wieder auf den Bearbeitungsbereich des Bauteils 7 zu dessen Bearbeitung nutzbar, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung bereits erläutert, gerichtet werden.

Claims

Vorrichtung zur Bearbeitung von Bauteilen oder Werkstücken mit polarisierter Strahlung, bei dem ein Faser- oder Scheibenlaser mit statistisch oder unpolarisierter Strahlung zum Einsatz kommt, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines Strahlteilers (1), der für eine Polarisationsrichtung transparent ist und auf die um 90° gedrehte Polarisationsrichtung reflektierend wirkt, der einfallende Strahl in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen aufgeteilt wird und ein Teilstrahl durch eine optische Anordnung um 90° gedreht wird und anschließend beide Teilstrahlen derart auf das Bauteil oder Werkstück (7) fokussiert werden, dass sie sich im Fokusbereich mit gleicher Polarisationsrichtung überlagern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang der transmittierten und reflektierten Strahlung fokussierende optische Elemente (3) und (5) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere reflektierende(s) optische(s) Element(e) (4, 4') um mindestens eine Achse verschwenkbar ist/sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Polarisationsdreher (2), der die Polarisationsrich tung um 45° dreht, in beiden Strahlengängen angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Polarisationsdreher (2, 2') ein oder mehrere Farraday-Rotator(en) ist/sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Polarisationsdreher (2, 2') λ/4-Platten eingesetzt werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vom Bearbeitungsbereich rückreflektierte Strahlung vom Strahlteiler (1) auf ein reflektierendes Element oder ein die Strahlung absorbierendes Element (6) gerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere reflektierende Element (6) so ausgerichtet ist, dass reflektierte Strahlung vom Strahlteiler (1) auf den Bearbeitungsbereich zurückreflektiert wird.
Verfahren zur Bearbeitung von Bauteilen oder Werkstücken mit polarisierter Strahlung, bei dem ein Faser- oder Scheibenlaser mit statistisch oder unpolarisierter Strahlung eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines Strahlteilers (1), der für eine Polarisationsrichtung transparent ist und auf die um 90° gedrehte Polarisationsrichtung reflektierend wirkt, der einfallende Strahl in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen aufgeteilt wird und ein Teilstrahl durch eine optische Anordnung um 90° gedreht wird und anschließend beide Teilstrahlen derart auf das Bauteil oder Werkstück (7) fokussiert werden, dass sie sich in einem Fokusbereich mit gleicher Polarisationsrichtung überlagern.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die transmittierten und reflektierten Strahlen mit gleicher Polarisationsrichtung auf den Bearbeitungsbereich gerichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die transmittierten und reflektierten Strahlen als zirkular polarisierte Strahlung auf den Bearbeitungsbereich gerichtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der transmittierte und der reflektierte Strahl mit ihrem jeweiligen Fokuspunkt übereinstimmend auf den Bearbeitungsbereich gerichtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der reflektierte Strahl bei der Bearbeitung ausgelenkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass vom Bearbeitungsbereich rückreflektierte Strahlung vom Strahlteiler (1) aus dem Strahlengang ausgekoppelt wird, so dass eine Rückwirkungssperre entsteht und so auf ein die Strahlung absorbierendes oder reflektierendes Element (6), eine Rückwirkungssperre bildend, gerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Strahlengang ausgekoppelte Strahlung mit Hilfe eines reflektierenden Ele ments zurück auf das Bauteil oder Werkstück (7) reflektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass vom reflektierenden Element (6) reflektierte Strahlung vom Strahlteiler (1) auf den Bearbeitungsbereich reflektiert wird.