DE10203452B4

DE10203452B4 - Device for processing a workpiece with a laser beam

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Publication number: DE10203452B4
Application number: DE10203452A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. Berger; Detlev Dipl.-Phys. Breitling; Friedrich Dipl.-Phys. Dausinger; Christian Dipl.-Ing. Föhl; Helmut Dipl.-Ing. Hügel; Sergei Dipl.-Phys. Klimentov; Taras Dipl.-Phys. Kononenko; Vitali Dipl.-Phys. Konov
Original assignee: Forschungsgesellschaft fur Strahlwerkzeuge -Fgsw- Mbh; Institut fuer Strahlwerkzeuge Universitaet Stuttgart
Current assignee: Institut fuer Strahlwerkzeuge Universitaet Stuttgart
Priority date: 2002-01-30
Filing date: 2002-01-30
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2022-01-31
Also published as: DE10203452A1

Abstract

Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl mit
a) einem den Laserstrahl erzeugenden Laser;
b) einer Abbildungsoptik, welche den Laserstrahl in einem Bearbeitungsfleck abbildet;
c) einer Einrichtung zur Erzeugung eines Unterdruckes in der Umgebung des Bearbeitungsflecks in Form eines aerodynamischen Fensters, das eine Kavität aufweist, die vom Laserstrahl durchtreten wird,
d) wobei die Kavität in einer Richtung, die im wesentlichen quer zur Propagationsrichtung des Laserstrahls verläuft, von einem Freistrahl eines Fenstergases durchtreten wird,
e) und durch den Freistrahl in der Kavität ein Unterdruck erzeugbar ist;
dadurch gekennzeichnet, daß
e) das aerodynamische Fenster (20) auf das Werkstück (10) dicht aufgelegt ist und das Werkstück (10) die Kavität (28) nach einer Seite begrenzt,
f) wobei der Druck des Fenstergases in der Versorgungsdüse (36) der Kavität (28) so eingestellt ist, dass sich in der Kavität (28) der für die Bearbeitung gewünschte Druck einstellt.Device for processing a workpiece with a laser beam with
a) a laser beam generating laser;
b) imaging optics which image the laser beam in a processing spot;
c) a device for generating a negative pressure in the vicinity of the processing spot in the form of an aerodynamic window having a cavity which is penetrated by the laser beam,
d) wherein the cavity in a direction which is substantially transverse to the propagation direction of the laser beam, will pass from a free jet of a window gas,
e) and a negative pressure can be generated by the free jet in the cavity;
characterized in that
e) the aerodynamic window (20) is tightly placed on the workpiece (10) and the workpiece (10) limits the cavity (28) to one side,
f) wherein the pressure of the window gas in the supply nozzle (36) of the cavity (28) is adjusted so that in the cavity (28) sets the desired pressure for processing.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstückes mit einem Laserstrahl nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The The invention relates to a device for machining a workpiece with a laser beam according to the preamble of claim 1.

Zahlreiche Untersuchungen zur Lasermaterialbearbeitung und -diagnostik haben gezeigt, dass durch eine Reduktion des Umgebungsdruckes unerwünschte Wechselwirkungsphänomene mit dem laserinduzierten Plasma verringert werden können. Vorrichtungen der eingangs genannten Art wurden bisher nur im Labormaßstab erstellt. Dabei wurden als Einrichtungen zur Erzeugung des Unterdrucks massive, mit einem Eintrittsfenster für den Laserstrahl versehene Vakuumkammern eingesetzt. Diese Vorrichtungen wurden von der Industrie bisher als nicht fertigungsgerecht abgelehnt, da die Anordnung einer Vakuumkammer häufig schon aus räumlichen Gründen auf große Schwierigkeiten stößt, teuer ist und der Aufbau des Unterdruckes in der Umgebung des Bearbeitungsfleckes verhältnismäßig viel Zeit benötigt.numerous Studies on laser material processing and diagnostics have shown that by reducing the ambient pressure undesirable interaction phenomena with the laser-induced plasma can be reduced. Devices of the beginning mentioned type were previously created only on a laboratory scale. Here were as Facilities for generating the vacuum massive, with an entrance window for the Laser beam provided vacuum chambers used. These devices have so far been rejected by the industry as unfit for production, since the arrangement of a vacuum chamber often already for reasons of space size Difficulties come up, expensive is and the build-up of negative pressure in the vicinity of the processing spot relatively much Time needed.

Aus der WO 95/03911 ist ein Laserschweißkopf bekannt, der ein rückwärtiges Schutzfenster umfasst. Eine Gasströmung ist vorgesehen, deren Funktion darin besteht, herausgeschleuderte Schweißtropfen durch den Querstrom so abzulenken, dass das Schutzfenster nicht verschmutzt wird. Am Werkstück wird dabei auf Grund eines Abstandes zwischen der Gasströmung und dem Werkstück kein Unterdruck erzeugt.Out WO 95/03911 discloses a laser welding head which has a rear protective window includes. A gas flow is provided, the function of which is ejected sweat drops to divert through the cross-flow so that the protective window does not gets dirty. On the workpiece is due to a distance between the gas flow and the workpiece no negative pressure generated.

Die DE 692 20 241 T2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abschirmen von einem mit einem Laser bearbeiteten Werkstück mit Gas. Ziel dabei ist nicht die Erzeugung eine für die Bearbeitung des Werkstückes mit dem Laserstrahl geeigneten Unterdruckes. Vielmehr soll das Werkstück in denjenigen Bereichen, in welchen der Laserstrahl auftrifft, mit Schutzgas bespült werden.The DE 692 20 241 T2 describes a method and apparatus for shielding a laser machined workpiece with gas. The aim is not the generation of a suitable for the machining of the workpiece with the laser beam negative pressure. Rather, the workpiece should be rinsed with protective gas in those areas in which the laser beam impinges.

In der DE 38 24 047 A1 schließlich ist eine Vorrichtung zur Laserbearbeitung von Werkstücken beschrieben, bei welcher am Bearbeitungsbereich eine Unterdruckeinrichtung örtlich begrenzt Unterdruck erzeugt. Die Unterdruckerzeugung kann nach dem Prinzip der Wasserstrahlpumpe erfolgen oder einfach durch Absaugen. Diese Vorrichtung ist jedoch verhältnismäßig kompliziert und schwierig zu handhaben.In the DE 38 24 047 A1 Finally, an apparatus for laser machining of workpieces is described in which a vacuum device locally generates negative pressure at the processing area. The vacuum generation can be carried out according to the principle of the water jet pump or simply by suction. However, this device is relatively complicated and difficult to handle.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass sie insgesamt einfacher zu handhaben und preisgünstiger ist.task The present invention is a device of the initially so that they are easier to handle handle and cheaper is.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Erfindung gelöst.These The object is solved by the invention described in claim 1.

Aerodynamische Fenster sind an und für sich bekannt, so etwa aus der US 38 73 939 oder der DE 37 01 718 A1 . Sie werden bisher im Wesentlichen als Austrittsfenster von Laserkavitäten eingesetzt. Mit der vorliegenden Erfindung wird erstmals erkannt, dass sich derartige aerodynamische Fenster auch als Einrichtung eignen, mit welcher im Bereich des Bearbeitungsflecks ein Unterdruck erzielt werden kann. Die Vorteile eines derartigen aerodynamischen Fensters gegenüber der Verwendung einer Vakuumkammer sind vielfältig: Es ist wieder ein materielles Fenster, welches die Strahlpropagation beeinflusst, noch eine Vakuumtechnik erforderlich. Der Unterdruck im Bereich des Bearbeitungsflecks steht bereits nach sehr kurzer Zeit zur Verfügung, schon nach wenigen 100 ms, da das zu evakuierende Volumen sehr klein ist.Aerodynamic windows are known in and of themselves, such as from the US 38 73 939 or the DE 37 01 718 A1 , So far, they have essentially been used as exit windows of laser cavities. With the present invention it is recognized for the first time that such aerodynamic windows are also suitable as a device with which a negative pressure can be achieved in the region of the processing spot. The advantages of such an aerodynamic window over the use of a vacuum chamber are manifold: it is again a material window, which influences the beam propagation, nor a vacuum technique required. The negative pressure in the area of the processing spot is already available after a very short time, after only a few 100 ms, since the volume to be evacuated is very small.

Das Werkstück selbst dient bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Teil der Begrenzung des Unterdruckraumes.The workpiece itself serves as part of the device according to the invention Limitation of the vacuum chamber.

Wird die Versorgungsdüse des aerodynamischen Fensters einfach abgeschaltet, ist eine Bearbeitung bei Atmosphärendruck möglich.Becomes the supply nozzle simply turned off the aerodynamic window, is an editing at atmospheric pressure possible.

Wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laserbohren eingesetzt, kann das Werkstück selbsttätig als schneller Schalter zum Umstellen von Unterdruck auf Umgebungsdruck dienen, sobald die Durchbohrung abgeschlossen ist, da dann durch die Bohrung Umgebungsatmosphäre einströmt. Das Gas, das in diesem Falle in die Kavität gelangt, kann unterschiedlich gewählt werden, indem einfach der Raum hinter der Bohrung mit dem entsprechenden Gas geflutet wird.Becomes the device according to the invention used for laser drilling, the workpiece can automatically as a fast switch to switch from negative pressure to ambient pressure, once the puncture is completed, since then flows through the hole ambient atmosphere. The gas, that in this case in the cavity can be chosen differently by simply the space is flooded behind the hole with the appropriate gas.

Ist das Einströmen von Gas in die Kavität nach dem Durchbohren des Werkstückes nicht gewünscht, kann die Rückseite des Werkstückes in geeigneter Weise abgedeckt werden.is the influx from gas to the cavity piercing the workpiece not wished, can the back of the workpiece be covered in a suitable manner.

Hierzu kann beispielsweise eine Gummimatte eingesetzt werden, die so dick ist, daß sie selbst nicht durchbohrt wird oder erst nach einer gewissen Verzögerungszeit, die von der Dicke und der Laserintensität abhängt, das Einströmen freigibt.For this For example, a rubber mat can be used that is so thick is, that you itself is not pierced or only after a certain delay, which depends on the thickness and the laser intensity, which releases inflow.

Zweckmäßig ist, wenn die Strömung des Fenstergases durch das aerodynamische Fenster in schnellem Wechsel an- und abschaltbar ist.It is expedient when the flow of the window gas through the aerodynamic window in rapid change can be switched on and off is.

Als Fenstergas kann grundsätzlich jedes Gas eingesetzt werden, welches die Plasmabildung vermindert. Beispielsweise kann es sich bei dem Fenstergas um Luft, Stickstoff, ein Edelgas oder ein Gemisch aus Edelgasen handeln.When Window gas can basically any gas can be used which reduces plasma formation. For example, the window gas may be air, nitrogen, a noble gas or a mixture of noble gases.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus, daß die Kavität gegen ein Abströmen von Fenstergas abdichtbar ist, derart, daß sich in der Kavität ein Überdruck des Fenstergases aufbaut. Statt des Fen stergases können hier auch spezielle Prozeßgase eingesetzt werden. Auf diese Weise ist eine gezielte Nutzung des Plasmas während des Bohrprozesses (z.B. zum Aufweiten der Bohrung nach dem Durchbohren) möglich. Die Umschaltung zwischen Unterdruck, Atmosphärendruck und Überdruck ist innerhalb sehr kurzer Zeiten möglich.A preferred embodiment is characterized in that the cavity against an Ab flow of window gas is sealable, such that builds up in the cavity, an overpressure of the window gas. Instead of Fen stergases also special process gases can be used here. In this way, a targeted use of the plasma during the drilling process (eg to widen the bore after drilling through) is possible. Switching between negative pressure, atmospheric pressure and overpressure is possible within a very short time.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen:One embodiment The invention will be explained in more detail with reference to the drawing; it demonstrate:

1: einen Schnitt durch den werkstücknahen Bereich einer Laserbearbeitungsvorrichtung; 1 a section through the workpiece-near area of a laser processing apparatus;

2: ein Diagramm der Abtragsrate pro Laserimpuls in Abhängigkeit vom Kavitätsdruck und der Pulsenergie bei einer Pulsdauer von 15 ns; 2 : a graph of the removal rate per laser pulse as a function of the cavity pressure and the pulse energy at a pulse duration of 15 ns;

3: ein Diagramm, ähnlich der 2, jedoch bei einer Pulsdauer von 125 fs; 3 : a diagram similar to the one 2 but at a pulse duration of 125 fs;

4: einen Schnitt, ähnlich der 1, jedoch mit angedeutetem Bohrloch und darin befindlichem Plasma. 4 : a cut, similar to the one 1 , but with indicated hole and plasma inside.

In 1 tritt ein Laserstrahl 2 aus einem (nicht dargestellten) Lasergerät mit im wesentlichen parallelem Strahlengang 4 aus und trifft auf eine Fokussieroptik 6, wo er zu einem konvergenten Strahlengang 8 gebündelt und auf der Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks 10 abgebildet wird. Die Werkstückoberfläche 12 und die Fokussieroptik 6 haben dabei ungefähr den Fokussierabstand 14, so daß an einem Bearbeitungsfleck 16 innerhalb des Bearbeitungsbereichs 18 eine gewünschte Laserstrahlintensität erreicht wird.In 1 occurs a laser beam 2 from a (not shown) laser device with a substantially parallel beam path 4 and meets a focusing optics 6 where he becomes a convergent beam path 8th bundled and on the surface of a workpiece to be machined 10 is shown. The workpiece surface 12 and the focusing optics 6 have about the focusing distance 14 so that on a processing spot 16 within the editing area 18 a desired laser beam intensity is achieved.

Zwischen der Fokussieroptik 6 und dem Werkstück 10 befindet sich ein insgesamt mit 20 bezeichnetes, nur teilweise dargestelltes aerodynamisches Fenster, welches mit seiner in der Figur unteren, der Werkstückoberfläche 12 zugewandten Begrenzungsfläche 22 über eine Abdichtung 26 Kontakt mit dem Werkstück 10 hat. Die linke und rechte Begrenzungsfläche des aerodynamischen Fensters 20 sind in der Figur nicht dargestellt. Seine obere Begrenzungsfläche 24 ist der Fokussieroptik 6 zugewandt und im wesentlichen parallel zur unteren Begrenzungsfläche 22.Between the focusing optics 6 and the workpiece 10 there is a total of 20 designated, only partially shown aerodynamic window, which with its lower in the figure, the workpiece surface 12 facing boundary surface 22 over a seal 26 Contact with the workpiece 10 Has. The left and right boundary surfaces of the aerodynamic window 20 are not shown in the figure. Its upper boundary surface 24 is the focusing optics 6 facing and substantially parallel to the lower boundary surface 22 ,

Benachbart dem Bearbeitungsbereich 18 des Werkstücks 10 befindet sich im aerodynamischen Fenster 20 eine durchgehende Öffnung etwa quadratischen Querschnitts, die nachfolgend als Kavität 28 bezeichnet wird und deren linke Begrenzungsfläche 30 und rechte Begrenzungsfläche 32 sich von der unteren Begrenzungsfläche 22 zur oberen Begrenzungsfläche 24 erstrecken. Die linke Begrenzungsfläche 30 wird dabei in der Nähe der oberen Begrenzungsfläche 24 unterbrochen von einer Öffnung 34 einer Versorgungsdüse 36, welche in der Sicht der 1 links unten in der Nähe der unteren Begrenzungsfläche 22 über einen Kanalabschnitt 40, dessen Verlauf im wesentlichen parallel zur unteren Begrenzungsfläche 22 ist, an eine in 1 nicht dargestellte Quelle eines Fenstergases 38 angeschlossen ist. Dieser Kanalabschnitt 40 endet blind bei 42, wobei sich in der Nähe von 42, jedoch oberhalb und in der Zeichnung links davon, die Versorgungsdüse 36 an den Kanalabschnitt 40 anschließt. Diese beginnt im Verlauf nach schräg rechts oben und verläuft dann in einer Rechtskrümmung, so daß die Versorgungsdüse 36 an der Öffnung 34 unter einem stumpfen Winkel α in die linke Begrenzungslinie 30 der Kavität 28 einmündet.Adjacent to the editing area 18 of the workpiece 10 is located in the aerodynamic window 20 a continuous opening approximately square in cross-section, hereinafter referred to as cavity 28 is designated and the left boundary surface 30 and right boundary surface 32 from the lower boundary surface 22 to the upper boundary surface 24 extend. The left boundary surface 30 is doing close to the upper boundary surface 24 interrupted by an opening 34 a supply nozzle 36 which in the view of the 1 bottom left near the lower boundary 22 over a canal section 40 whose course is substantially parallel to the lower boundary surface 22 is, to an in 1 not shown source of a window gas 38 connected. This channel section 40 ends blindly at 42 , being close to 42 but above and in the drawing to the left, the supply nozzle 36 to the canal section 40 followed. This begins in the course obliquely right above and then runs in a right curvature, so that the supply nozzle 36 at the opening 34 at an obtuse angle α in the left boundary line 30 the cavity 28 opens.

Die obere Kanalwand 46 und die untere Kanalwand 48 der Versorgungsdüse 36 sind dabei nur ungefähr parallel, so daß sich eine engste Kanalstelle 50 in der Nähe des Beginns der Versorgungsdüse 36 ergibt. Die Übergänge zwischen dem Kanalabschnitt 40 und der Versorgungsdüse 36 sind in aerodynamisch günstiger Weise ausgebildet.The upper channel wall 46 and the lower channel wall 48 the supply nozzle 36 are only approximately parallel, so that a narrowest channel point 50 near the beginning of the supply nozzle 36 results. The transitions between the channel section 40 and the supply nozzle 36 are formed in aerodynamically favorable manner.

Von der rechten Begrenzungsfläche 32 der Kavität 28 und gegenüber der Öffnung 34 der Versorgungsdüse 36 erstreckt sich ein insgesamt mit 52 bezeichneter Diffusor kanalartig nach schräg rechts unten zu einer nicht dargestellten Auffangstelle des aerodynamischen Fenstergases 38 bzw. ins Freie. Die lichte Öffnung 54 des Diffusors 52 ist dabei größer als die Öffnung 34 der Versorgungsdüse 36. Die obere Diffusorwand 56 bildet mit der gedachten Verlängerung der rechten Begrenzungsfläche 32 der Kavität 28 einen Winkel β, während die untere Diffusorwand 58 einen Winkel Gamma mit dieser rechten Begrenzungsfläche 32 bildet. Die beiden Winkel β und Gamma können sich unterscheiden. Das aerodynamische Fenstergas 38 strömt in Richtung der eingezeichneten Pfeile von links nach rechts, überquert als Freistrahl 60 die Kavität in einer gekrümmten Bahn, die in der 1 strichpunktiert dargestellt ist.From the right boundary surface 32 the cavity 28 and opposite the opening 34 the supply nozzle 36 extends a total with 52 designated diffuser channel like obliquely right down to a catchment point of the aerodynamic window gas, not shown 38 or outdoors. The clear opening 54 of the diffuser 52 is larger than the opening 34 the supply nozzle 36 , The upper diffuser wall 56 forms with the imaginary extension of the right boundary surface 32 the cavity 28 an angle β, while the lower diffuser wall 58 an angle gamma with this right boundary surface 32 forms. The two angles β and Gamma can differ. The aerodynamic window gas 38 flows in the direction of the arrows drawn from left to right, crosses as a free jet 60 the cavity in a curved path, which in the 1 dash-dotted lines is shown.

Die Funktionsweise der in 1 gezeigten Anordnung ist wie folgt:
Das Werkstück 10 wird bezogen auf den Laserstrahl 2 positioniert und der Fokussierabstand 14 eingestellt.The functioning of in 1 shown arrangement is as follows:
The workpiece 10 is related to the laser beam 2 positioned and the focusing distance 14 set.

Das aerodynamische Fenster 20 wird in der Weise angeordnet, daß die Kavität 28 über den Bearbeitungsbereich 18 zu liegen kommt. Die Versorgungsdüse 36 wird über den Kanalabschnitt 40 an die Quelle des aerodynamischen Fenstergases 38 angeschlossen und der Gasstrom wird freigegeben. Beispielsweise kann das aerodynamische Fenstergas 38 Luft, Stick stoff, Edelgas oder eine Mischung aus Edelgasen sein. Der Fenstergasdruck in der Versorgungsdüse 36 wird dabei so eingestellt, daß sich in der Kavität 28 der für die Bearbeitung gewünschte Druck einstellt.The aerodynamic window 20 is arranged in such a way that the cavity 28 over the editing area 18 to come to rest. The supply nozzle 36 is over the channel section 40 to the source of the aerodynamic window gas 38 connected and the gas flow is released. For example, the aerodynamic window gas 38 Air, nitrogen, inert gas or a mixture of noble gases. The window gas pressure in the supply nozzle 36 is adjusted so that in the cavity 28 sets the desired pressure for processing.

In einem ersten Bearbeitungsschritt kann der in der Kavität gewünschte Druck ein Unterdruck sein, wodurch eine erhöhte Abtragrate möglich ist, wie weiter unten ausführlicher dargestellt wird. Beispielsweise kann der Druck in der Versorgungsdüse zwischen etwa 0,05 und etwa 0,1 MPa Überdruck für einen Unterschallbetrieb des aerodynamischen Fensters 20 und zwischen etwa 0,1 und etwa 5 MPa für einen Überschallbetrieb des aerodynamischen Fensters 20 liegen. Das Fenstergas 38 durchströmt den Kanalabschnitt 40 und die Versorgungsdüse 36. Dabei gewinnt es im Bereich der engsten Kanalstelle 50 an Strömungsgeschwindigkeit. Nach Austritt aus dem zweiten Kanalabschnitt 44 an der Öffnung 34 überquert der Gasstrahl 60 als Freistrahl die Kavität 28 und reißt dabei Umgebungsluft mit sich. Dadurch entsteht in der Kavität 28 ein Unterdruck. Die Ausgestaltung der Versorgungsdüse 36 und des Diffusors 52 kann beispielsweise so sein, daß der Gasstrahl 60 die Geschwindigkeitsverteilung eines freien Wirbels annimmt (vgl. DE 37 01 718 und US-PS 3 873 939). Jedoch sind auch andere geometrische Anordnungen denkbar, die es ermöglichen, daß in der Kavität 28 ein hinreichender Unterdruck entsteht.In a first processing step, the desired pressure in the cavity may be a negative pressure, whereby an increased removal rate is possible, as will be shown in more detail below. For example, the pressure in the supply nozzle may be between about 0.05 and about 0.1 MPa gauge for subsonic operation of the aerodynamic window 20 and between about 0.1 and about 5 MPa for supersonic operation of the aerodynamic window 20 lie. The window gas 38 flows through the channel section 40 and the supply nozzle 36 , It wins in the area of the narrowest channel 50 at flow velocity. After exiting the second channel section 44 at the opening 34 crosses the gas jet 60 as a free jet the cavity 28 and thereby entrains ambient air with it. This results in the cavity 28 a negative pressure. The embodiment of the supply nozzle 36 and the diffuser 52 may for example be such that the gas jet 60 assumes the velocity distribution of a free vortex (cf. DE 37 01 718 and U.S. Patent 3,873,939). However, other geometrical arrangements are also conceivable which make it possible in the cavity 28 a sufficient negative pressure is created.

Durch die Erzeugung von Unterdruck an dem Bearbeitungsfleck wird die Ausbildung eines Plasmas verhindert oder reduziert. Die Reduzierung der Plasmabildung ihrerseits erhöht die Abtragsrate. Wie aus 2 hervorgeht, erhält man bei relativ langen Laserimpulsen im Nanosekundenbereich eine Erhöhung der Abtragsrate bei einem Kavitätsdruck von unterhalb 400 Millibar, welche besonders bei niedrigen Pulsenergien signifikant ausfällt und mehr als eine Größenordnung betragen kann. Man erkennt aus 2, daß unterhalb von etwa 400 Millibar die Abtragsrate pro Impuls etwa unabhängig von der eingetragenen Pulsenergie ist.The generation of negative pressure at the processing spot prevents or reduces the formation of a plasma. The reduction of the plasma formation in turn increases the removal rate. How out 2 shows that at relatively long laser pulses in the nanosecond range, an increase in the removal rate at a Kavitätsdruck of below 400 millibars, which is significant especially at low pulse energies and can be more than an order of magnitude. One recognizes 2 in that, below approximately 400 millibars, the removal rate per pulse is approximately independent of the entered pulse energy.

Bei niedriger Pulsenergie läßt sich allerdings die Pulswiederholungsrate erheblich steigern, so daß insgesamt eine deutlich erhöhte Abtragsgeschwindigkeit von etwa einem Faktor 10 bis 20 erreicht wird.at low pulse energy can be However, the pulse repetition rate increase significantly, so that in total a significantly increased Abtragsgeschwindigkeit reached by about a factor of 10 to 20 becomes.

Wie aus 3 hervorgeht, gelten für ultrakurze Laserimpulse im Subpiko-Sekundenbereich ähnliche Verhältnisse, wobei allerdings die Steigerung der Abtragsrate geringer ausfällt und auch für hohe Pulsenergien deutlich wird.How out 3 As can be seen, similar conditions apply to ultrashort laser pulses in the subpico-second range, although the increase in the removal rate is lower and also becomes clear for high pulse energies.

Beiden 2 und 3 gemeinsam kann man entnehmen, daß unterhalb eines Kavitätsdruckes von ca. 100 Millibar keine Steigerung der Abtragsrate mehr erfolgt. Es reicht daher aus, im Bohrloch und dessen unmittelbarer Umgebung einen moderaten Unterdruck von etwa 100 bis 300 Millibar zu erzeugen, um den gewünschten Effekt der höheren Abtragsrate zu erzielen.Both 2 and 3 Together, it can be seen that below a Kavitätsdruckes of about 100 millibars, no increase in the removal rate more. It is therefore sufficient to create a moderate negative pressure of about 100 to 300 millibars in the borehole and its immediate surroundings in order to achieve the desired effect of the higher removal rate.

Aus diesem Grunde ist die Abdichtung 26 zwischen dem aerodynamischen Fenster 20 und dem Werkstück 10 nur insofern von Bedeutung, als sie verhindern soll, daß auf diesem Weg zuviel Umgebungsluft nachströmt. Für die Gestaltung der Abdichtung 26 gibt es daher einen großen Spielraum. Beispielsweise kann die Abdichtung 26 aus einem Elastomer-Werkstoff bestehen; es kann aber auch genügen, wenn durch eine hinreichend ebene Auflage der unteren Begrenzungsfläche 22 auf der Oberfläche 12 des Werkstücks eine ausreichende Abdichtung besteht, ggf. unterstützt durch eine Schicht von Vakuumfett oder dgl..For this reason, the seal 26 between the aerodynamic window 20 and the workpiece 10 only important insofar as it is intended to prevent too much ambient air flowing in along this path. For the design of the seal 26 So there is a lot of room for maneuver. For example, the seal 26 consist of an elastomeric material; but it can also be sufficient if by a sufficiently level support of the lower boundary surface 22 on the surface 12 the workpiece is a sufficient seal, possibly supported by a layer of vacuum grease or the like ..

In einem zweiten Bearbeitungsschritt beim Laserbohren kann es erwünscht sein, die Qualität der Bohrung zu ver bessern, indem sie beispielsweise genau zylindrisch gemacht wird. Bei diesem zweiten Bearbeitungsschritt kann die Gegenwart eines Plasmas hilfreich sein, wie Versuche ergeben haben. Es ist daher von Vorteil, daß bei der in 1 gezeigten Anordnung durch Abschaltung des aerodynamischen Fenstergases 38 innerhalb von Sekundenbruchteilen der normale atmosphärische Druck wieder hergestellt werden kann, was zur Ausbildung eines Plasmas 62 im Bohrkanal führt. Diese kurze Umschaltzeit zwischen Vakuum und Normaldruck ist deshalb möglich, weil die Kavität 28 insgesamt ein relativ kleines Volumen umfasst (siehe 4).In a second processing step in laser drilling, it may be desirable to improve the quality of the bore to ver, for example, by making it exactly cylindrical. In this second processing step, the presence of a plasma can be helpful, as experiments have shown. It is therefore advantageous that in the in 1 shown arrangement by switching off the aerodynamic window gas 38 within fractions of a second the normal atmospheric pressure can be restored, resulting in the formation of a plasma 62 leads in the drill channel. This short switching time between vacuum and normal pressure is possible because the cavity 28 total comprises a relatively small volume (see 4 ).

Ein weiterer Vorteil der Anordnung gemäß 1 und 4 besteht in der Möglichkeit, durch Abdichtung des Diffusors 52 und Beibehaltung des Zuflusses des aerodynamischen Fenstergases 38 in der Kavität 28 auch einen Überdruck herstellen zu können. Dadurch erhält man die Möglichkeit, die Ausbildung des Plasmas 62 im Bohrkanal in einem weiten Bereich mit sehr einfachen Mitteln und innerhalb von sehr kurzer Zeit zu steuern.Another advantage of the arrangement according to 1 and 4 consists in the possibility of sealing the diffuser 52 and maintaining the inflow of the aerodynamic window gas 38 in the cavity 28 also to be able to produce an overpressure. This gives you the possibility of training the plasma 62 in the drilling channel in a wide range with very simple means and within a very short time to control.

Eine zusätzliche Möglichkeit der Steuerung des Plasmas 62 im Bohrkanal ergibt sich dadurch, daß man die Auswahl unter verschiedenen aerodynamischen Fenstergasen 38 treffen kann.An additional way of controlling the plasma 62 in the drilling channel results from the fact that the selection under different aerodynamic window gases 38 can meet.

Daß der Laserstrahl bei Verwendung des aerodynamischen Fensters 20 gemäß 1 oder 4 kein materielles Fenster antrifft, ist ein weiterer Vorteil der beschriebenen Vorrichtung und des beschriebenen Verfahrens, weil dadurch eine zusätzliche Beeinflussung der Strahlpropagation vermieden wird.That the laser beam when using the aerodynamic window 20 according to 1 or 4 no material window encounters, is a further advantage of the device described and the method described, because thereby an additional influence on the beam propagation is avoided.

Claims

Apparatus for processing a workpiece with a laser beam comprising: a) a laser generating the laser beam; b) imaging optics which image the laser beam in a processing spot; c) a device for generating a negative pressure in the vicinity of the processing spot in the form of an aerodynamic window having a cavity which is penetrated by the laser beam, d) wherein the cavity in a direction which is substantially transverse to the propagation direction of the laser beam of a free jet of a window gas will pass, e) and a negative pressure can be generated by the free jet in the cavity; characterized in that e) the aerodynamic window ( 20 ) on the workpiece ( 10 ) is tightly placed and the workpiece ( 10 ) the cavity ( 28 ) to one side, f) whereby the pressure of the window gas in the supply nozzle ( 36 ) of the cavity ( 28 ) is adjusted so that in the cavity ( 28 ) sets the desired pressure for processing.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the flow of the window gas through the aerodynamic window ( 20 ) can be switched on and off in rapid change.

Apparatus according to claim 1 or 2, characterized marked, that this Window gas is air.

Device according to Claim 1 or 2, characterized that this Window gas is nitrogen.

Device according to Claim 1 or 2, characterized that this Window gas is a noble gas.

Device according to Claim 1 or 2, characterized that this Window gas is a mixture of noble gases.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the cavity ( 28 ) is sealable against outflow of window gas, such that in the cavity ( 28 ) builds up an overpressure of the window gas.