DE10254917A1

DE10254917A1 - Verfahren und Vorrichtung zum gleichzeitigen Blockschmelzen von Material mittels eines Lasers

Info

Publication number: DE10254917A1
Application number: DE10254917A
Authority: DE
Inventors: Yasunori Kawamoto; Fumio Kawanishi; Hideaki Shirai
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-11-26
Filing date: 2002-11-25
Publication date: 2003-06-05
Also published as: US20040099645A1; JP3925169B2; JP2003164985A; US20030098295A1; US20060113288A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein kostengünstiges Verfahren für ein Simultanblockschmelzen von einem Material, beispielsweise Kunststoff und/oder Metall, mittels eines Lasers sowie eine Vorrichtung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet, die den Abschluß einer Verarbeitung in einer kürzeren Zeit vorsieht, d. h. die eine Beschleunigung der Verarbeitung ermöglicht. Ein Laserstrahl aus beispielsweise einer YAG-Laserquelle trifft auf ein optisches Beugungselement, wie etwa einer Beugungslinse, und wird dadurch in eine große Anzahl von Strahlen durch Beugung und Transmission aufgespaltet. Die Strahlen werden durch beispielsweise eine Kondensorlinse auf einer Kunststoffoberfläche als eine große Anzahl von einzelnen Punkten oder einer durchgehenden Linie gebündelt bzw. fokussiert. Der Kunststoff wird an den Fokussierungspunkten für ein Zusammenschweißen mit einem anderen Objekt oder für eine Materialabtragung gleichzeitig zum Schmelzen erhitzt. Daher tritt in dem Werkstoff keine Deformation wie in dem Stand der Technik auf, bei dem eine Oberfläche durch einen einzigen Fokussierungspunkt bzw. Schweißpunkt gescannt bzw. abgefahren wird. Das Bearbeitungsmaterial bzw. der Werkstoff kann zusätzlich zu einem Kunststoff auch beispielsweise ein Metall sein.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzen eines bestimmten Abschnittes eines Materials, wie beispielsweise eines Kunststoffs oder eines Metalls, durch einen Laser, um so eine Vielzahl von Materialien zu schweißen oder Material aus einem bestimmten Abschnitt von zumindest einem Material zu entfernen bzw. abzutragen, sowie eine Vorrichtung, die nach diesen Verfahren arbeitet.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Beim Laserschweißen von Kunststoff, wie es in der Vergangenheit verwendet worden ist, wurde ein Laserstrahl durch eine herkömmliche optische Linse fokussiert, um einen einzigen Punkt auf einem Teil der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstoffs auszubilden und dadurch einen Hochtemperaturschweißpunkt an dem fokussierten Punkt bzw. Fokussierungspunkt auszubilden. Der Schweißpunkt wurde sukzessive in einer Linie über die Oberfläche des Werkstoffs bewegt, um eine Verbundlinie (bonded line) auszubilden. Alternativ dazu wurde der einzige Punkt des Laserstrahls, der auf der Oberfläche des Werkstoffs zum Ausbilden eines Hochtemperaturschweißpunktes fokussiert worden ist, an einem bestimmten Punkt im Raum fixiert und der Werktisch, der den Werkstoff trägt, wurde sukzessive bewegt, um eine Verbundlinie auf der Oberfläche des Werkstoffes zu ziehen.

Bei dem Verfahren eines sukzessiven Bewegens eines Schweißpunktes in einer Linie auf einem Werkstoff, beispielsweise beim Verbinden einer Kunststoffschicht mit der Oberfläche einer Kunststoffbasis, wurde die Schicht durch den Fokussierungspunkt des Laserstrahls entlang der Verbundlinie erhitzt und sukzessive in einem Wärmeausdehnungszustand verbunden, wohingegen keine Wärmeausdehnung an nicht verbundenen Abschnitten vorhanden war, so daß eine Spannung in der Schicht auftrat. In der Folge hat sich nicht nur die Schicht im Ganzen verformt oder verzogen, sondern ebenso schwoll die Oberfläche der Basis, mit welcher die Schicht zu verbinden war, an den Schweißpunkten an, so daß Aussparungen auftraten und unverbundene Abschnitte übrigblieben. Daher sind Defekte bzw. Fehler wie eine geringe Luftdichtheit, eine unzureichende Stärke, eine fehlerhafte Form und andere Fehler in der ursprünglichen Qualität der Schicht verursacht worden und es ergaben sich Bedenken bezüglich der Haltbarkeit, wie beispielsweise einem späteren Brechen der Schicht entlang der Verbundlinie aufgrund einer Restbelastung.

Um diese Probleme zu lösen ist mit dem Verfahren eines Abfahrens (Scannens) der Oberfläche eines Werkstoffs durch einen Laserstrahl mit einer hohen Geschwindigkeit unter Verwendung eines sogenannten Galvanoscanners zum relativ schnellen, wenn auch nicht in dem Ausmaß eines gleichzeitigen Blockverbindens (block bonding), Verschweißen des gesamten Werkstoffs experimentiert worden. Bei diesem Verfahren ist es jedoch notwendig, die Linse mit einer hohen Geschwindigkeit zum Abfahren der Oberfläche durch den Laserstrahl zu bewegen. Wenn der Oberflächenbereich des Werkstoffs jedoch groß ist, verändert sich der Abstand von der Linse zum Arbeitspunkt schnell in einem großen Ausmaß während des Abfahrens. Unter anderem deswegen ist es schwierig einen Fokussierungspunkt mit einer konstanten Größe von einem Laserstrahl auf der Oberfläche des Werkstoffes auszubilden. Ferner ist die Gerätschaft kompliziert und teuer, so daß das Problem hoher Kosten des Produkts entsteht, wenn dieses Verfahren verwendet wird.

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Probleme durch eine neue Einrichtung zu lösen und ein Verfahren vorzusehen, das ein gleichzeitiges Blockschweißen oder Blockmaterialentfernen durch einen Laser ermöglicht, welches nicht mit der Deformation des Werkstoffs oder anderen Problemen einhergeht, den Abschluß des Betriebs in gleichbleibend kurzer Zeit ermöglicht, den Aufbau des verwendeten Systems rationalisiert (streamlined) und nicht zu einem Anstieg der Kosten führt, sowie eine Vorrichtung, die nach diesem Verfahren arbeitet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der anliegenden Ansprüche 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen bilden Gegenstand der Unteransprüche, deren Inhalt hierdurch ausdrücklich zum Bestandteil der Beschreibung gemacht wird, ohne an dieser Stelle den Wortlaut zu wiederholen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein gleichzeitiges Blockschmelzverfahren unter Verwendung eines Lasers vorgesehen, das das Einführen eines Laserstrahls, der von einer YAG-Laserquelle oder dergleichen erzeugt worden ist, in ein beugungsartiges optisches Element (im folgenden optisches Beugungselement) wie einer Beugungslinse und ein Verarbeiten des Laserstrahls in einen Strahl mit einer vorbestimmten Form durch Beugung und Transmission, sowie anschließendem Fokussieren des Strahls auf eine Zielfläche des Werkstoffes, aufweist. Daher werden alle Abschnitte des Werkstoffes, auf die durch den Laserstrahl fokussiert wird, erhitzt und schmelzen im wesentlichen gleichzeitig. Daher wird im Unterschied zu den sukzessiven Schmelzverfahren des Abfahrens der Materialoberfläche mit einem Fokussierungspunkt eines Laserstrahls der gesamte Bearbeitungsabschnitt gleichzeitig erhitzt und geschmolzen. Daher ist es möglich, die letztere Schweiß- oder Entfernungsarbeit auf einmal durchzuführen und der Werkstoff unterliegt keiner Deformation. Ferner kann die Bearbeitungszeit merklich verkürzt werden, so daß die Produktivität verbessert ist und die Kosten verringert sind.

Bei einer bevorzugten Betriebsweise des Simultanblockschmelzverfahrens ist es möglich, einen Laserstrahl in eine Vielzahl von Strahlen durch Beugung und Transmission in dem optischen Beugungselement aufzuteilen, und anschließend die Strahlen gleichzeitig auf Zielflächen des Werkstoffes zu fokussieren, um eine Vielzahl von fokussierten Punkten auf der Oberfläche des Werkstoffes auszubilden. Hitze wird an diesen Fokussierungspunkt erzeugt, so daß das Material an der Vielzahl der Fokussierungspunkte im wesentlichen gleichzeitig schmilzt. Wenn die Anzahl der Fokussierungspunkte erhöht wird, um sie einander anzunähern, oder die Durchmesser der Fokussierungspunkte vergrößert werden, verbindet sich die Vielzahl der Fokussierungspunkte um eine ununterbrochene Linie auszubilden. Dies ermöglicht es, ein beliebiges Muster zu auszubilden. Da ein optisches Beugungselement zum Aufspalten des Laserstrahls verwendet wird, gibt es keine Neigung zum teilweisen Offset der Fokussierungspunkte.

Da es möglich ist, geschmolzene Abschnitte an beliebigen Stellen über einer breiten Fläche des Werkstoffes durch Anwenden dieses Verfahrens auf ein Verfahren zum Schmelzen eines Materials gleichzeitig auszubilden, ist es möglich, all die Abschnitte, die zu verbinden sind, gleichzeitig zu erhitzen und zu schmelzen, und dadurch das Schweißen mit dem gegenüberliegenden Material auf einmal abzuschließen. Daher ist es möglich, die zahlreichen Probleme, die aufgrund der Deformation des Werkstoffes auftreten, wie sie bei herkömmlichen sukzessiven Schweißen mit einem Abfahren einer Oberfläche mit einem einzigen Fokussierungspunkt eines Laserstrahls auftreten, zu vermeiden.

Dieses Schweißverfahren kann zum Schweißen eines transparenten Materials oder eines opaken Materials verwendet werden. Das heißt, es ist möglich, einen opaken Kunststoff oder ein Metall oder anderes Material, das die Laserstrahlen absorbiert, als ein zu erhitzendes Material zu verwenden, und einen transparenten Kunststoff oder Glas oder ein anderes Material, das Laserstrahlen passieren läßt, als das andere damit zu verbindende Material zu verwenden. In diesem Fall passieren die Laserstrahlen durch das transparente Material und fokussieren auf dem opaken Material. Daher wird das opake Material an den Positionen der Fokussierungspunkte erhitzt und geschmolzen. Daneben wird Hitze ebenso an die Teile des transparenten Materials weitergegeben, die diese Fokussierungspunkte kontaktieren. Abhängig von dem Material werden solche Teile ebenso geschmolzen. Daher werden die zwei Materialien leicht verbunden.

Dieses Schmelzverfahren kann ebenso zum gleichzeitigen Blockabtragen von Teilen eines Materials durch Entfernen der geschmolzenen Teile des Werkstoffs verwendet werden. Als Mittel zum Abtragen bzw. Entfernen des geschmolzenen Materials ist es möglich, zahlreiche Mittel, wie beispielsweise natürlich auftretende Mittel wie Oberflächenspannung und Einblasen eines Fluids etc. zu verwenden. Ferner ist es bei der Entfernung des Materials möglich, Teile eines Kunststoffes auf einer Metallbasis zu schmelzen und zu entfernen, sowie geschmolzenes Material zum Ausbilden durch Löcher in einem Material zu entfernen.

Da das Verfahren der vorliegenden Erfindung ein optisches Beugungselement verwendet, ist es möglich, einen Teil des Laserstrahls aufzuspalten und den Energiepegel des abgespaltenen Laserstrahls durch eine Leistungssensor oder einer anderen Einrichtung zu messen, um die Energiemenge des Laserstrahls, der auf den Werkstoff fokussiert wird, abzuschätzen. Daher ist es möglich, die Qualität der Arbeit in Echtzeit während des tatsächlichen Bearbeitungsvorgangs zu überwachen und zu beurteilen.

Die Vorrichtung zum gleichzeitigen Blockschmelzen eines Materials mittels eines Lasers der vorliegenden Erfindung, die mit diesem Verfahren arbeitet, und insbesondere eine Schweißvorrichtung oder eine Entfernungsvorrichtung, ist nicht auf ein bestimmtes optisches Beugungselement zum Verarbeiten des Laserstrahls vor einem Fokussieren beschränkt, sondern es wird bevorzugt Gebrauch von einem Block aus Zink-Selenid gemacht, der mit Reliefformen oder Stufenunterschieden durch Photolithographie und Ätzen ausgebildet worden ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Diese und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung besser ersichtlich, in welcher:
Fig. 1 eine konzeptionelle Ansicht des Systemaufbaus einer Simultanblockschweißvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2A bis 2D Draufsichten sind, die die Verbindungsmuster darstellen;
Fig. 3 eine konzeptionelle Ansicht zeigt, die den konkreten Aufbau der Hauptteile einer Simultanblockschweißvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 4 eine Draufsicht ist, die ein Verbindungsmuster konkret darstellt; und
Fig. 5 eine konzeptionelle Ansicht des Systemaufbaus einer Simultanblockschweißvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend eingehender beschrieben, wobei auf die beigefügten Figuren Bezug genommen wird.
Als erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt Fig. 1 den Grundaufbau einer Simultanblocklaserschweißvorrichtung für Kunststoff. Bezugszeichen 2 bezeichnet eine YAG-Laserquelle, die mit einer nicht gezeigten Erregungslichtquelle, einem YAG-Stab usw., ausgestattet ist. Wie bekannt, ist ein YAG-Stab ein einziger Kristall aus Yttrium-Aluminium-Granat (komplexes Oxid aus Yttriumoxid und Aluminiumoxid), der ein Spurenelement des seltenen Erdenelements Neodym (Nd) enthält, welcher einen YAG-Laserstrahl 2 mit einer Wellenlänge von 1064 nm erzeugt, wenn er durch energiereiches Licht erregt wird, das aus der Erregungslichtquelle darauf gestrahlt wird.
Zu beachten ist, daß der Laser, der zur Verwendung in der Simultanblockschweißvorrichtung in der Lage ist, nicht ausschließlich auf den YAG-Laserstrahl beschränkt ist. Aber ein Laserstrahl mit einer langen Wellenlänge im Inflarotbereich weist eine starke Wärmeaktivität auf, so daß ein Abkühlen der in dem System erzeugten Wärme schwierig wird. Daher sollte die Verwendung eines Laserstrahls mit einer zu langen Wellenlänge vermieden werden.
Der 1064-nm-Wellenlänge-Laserstrahl 3, der in der YAG-Laserquelle 2 erzeugt wird, wird durch eine optische Faser 4 zu einer Linse 5 geführt, wo er auf einen vorbestimmten Diffusionswinkel eingestellt wird und anschließend auf eine strahlenaufspaltende Beugungslinse 7 trifft, die innerhalb einer Kühleinheit 6 vorgesehen ist. Die Beugungslinse 7 ist in der Kühleinheit 6 vorgesehen, da die Beugungslinse 7 einige Wärme erzeugt, wenn der Laserstrahl 3 aufgespalten wird. Die Kühleinheit 6 ist derart aufgebaut, daß sie in der Lage ist, Kühlwasser oder ein anderes Kühlmedium um die Beugungslinse 7 herumströmen zu lassen. Zu beachten ist, daß die optische Faser 4, die Linse 5. die Kühleinheit 6 usw., die in der ersten Ausführungsform gezeigt sind, nicht unbedingt notwendig sind. Es ist ebenso möglich, die Vorrichtung derart aufzubauen, daß ein Laserstrahlausgang von der YAG-Laserquelle 2 direkt auf das Beugungslinse 7 trifft oder etwas anderes an Stelle der optischen Faser 4 zu verwenden.
Die strahlenaufspaltende Beugungslinse 7, auf die hier Bezug genommen wird, ist im allgemeinen etwas, das als ein "beugungsartiges optisches Element" bzw. "optisches Beugungselement" bezeichnet werden könnte. Sie unterscheidet sich von einer gewöhnlichen optischen Linse darin, daß sie einen einzigen Laserstrahl 2 in eine Vielzahl von Laserstrahlen 3a, 3b . . . unter Verwendung des Beugungs- und Transmissionsphänomens des Lichts aufspaltet. Wie allgemein bekannt, ist das Beugungsphänomen des Lichts ein Phänomen, bei dem ein Lichtstrahl, wie beispielsweise ein Laserstrahl, welcher sich inhärent geradeaus ausbreiten sollte, teilweise an einem Randabschnitt eines Hindernisses in seiner Ausbreitungsrichtung gebeugt wird und sich zum Teil in den Schattenbereich hinter das Hindernis hin ausbreitet. Die Beugungslinse 7, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist beispielsweise ein Material mit einer hohen Transmittanz für einen Laserstrahl, beispielsweise ein Block aus Zinkselenid (ZnSe), auf dessen Oberfläche ein bestimmtes Muster aus Reliefformen und Stufenabschnitten in Übereinstimmung mit der Anwendung ausgebildet ist. Es ist möglich, das Beugungsphänomen und das Transmissionsphänomen des Laserstrahls an den Rändern bzw. Kanten, die durch die Reliefformen und Stufenformen ausgebildet sind, zu verwenden, und eine Vielzahl von Kanten zu kombinieren, um einen einzigen Laserstrahl 3 in eine beliebig Anzahl von Laserstrahlen 3a, 3b . . . aufzuspalten, die in einer beliebigen Richtung orientiert sind.
Die Simultanblockschweißvorrichtung 1 der ersten Ausführungsform ist mit einer Kondensorlinse 8 zum unabhängigen Fokussieren der Vielzahl der Laserstrahlen, die durch die Beugungslinse 7 aufgespalten worden sind, und zum Orientieren bzw. Ausrichten von ihnen in bestimmten Richtungen. Für die Kondensorlinse 8 wird mindestens eine herkömmliche optische Linse verwendet.
Bei Fig. 1 zeigt Bezugszeichen 9 im allgemeinen einen Werkstoff (Werkstück) für das Schweißen mit der vorliegenden Erfindung, das aus einem Kunststoff wie beispielsweise Polypropylen (PP), Polycarbonat (PC), Polyamid (PA) und Polybutylentherephthalat (PBT) aufweist. Zu beachten ist, daß bei dieser Ausführungsform alle Werkstoffe aus Kunststoffen bestehen, jedoch ist es beispielsweise ebenso möglich eine Eisenplatte mit einer Dicke von 0,1 bis 0,2 mm durch die gleiche Vorrichtung zu schmelzen. Daher kann der Werkstoff ein Metall, Glas etc. zusätzlich zu einem Kunststoff sein.
In diesem Fall besteht die Oberflächenschicht 9a des Werkstücks entweder lediglich aus einem Kunststoffmaterial, wie vorangehend erläutert, um so YAG-Laserstrahlen passieren zu lassen und sich nicht allzusehr aufzuheizen, oder besteht aus einem Kunststoffmaterial mit einer hohen Durchlässigkeit, das transparente Farben oder Additive enthält. Der Werkstoff 9b der mit dem Werkstoff 9a aus durchlässigem Kunststoff zu verbinden ist, besteht aus einem laserstrahlabsorbierenden Kunststoff, der aus einem Kunststoff aufgebaut ist, wie er vorhergehend erläutert worden ist, der Kohlenstoffpartikel oder andere Pigmente enthält, um so die YAG-Laserstrahlen zu absorbieren und sich aufzuheizen.
Der Beugungslinse 7 wird ein bestimmtes Muster aus Reliefformen und Stufenunterschieden verliehen, um so ein gewünschtes Verbindungsmuster 10 an der Schnittstelle der Teile des Werkstücks 9 auszubilden, das heißt, des durchlässigen Werkstücks 9a und des absorbierenden Werkstücks 9b, das mit selbigen zu verschweißen ist. Die Beugungslinse (optisches Beugungselement) 7 verwendet das Beugungsphänomen von Licht, um einen einzigen Laserstrahl 3 in eine Vielzahl von Strahlen 3a, 3b . . . aufzuspalten und wird zu ihrer Orientierung bzw. Ausrichtung auf die Zielverbindungen 10 verwendet. Das Verfahren zum Ausbilden eines bestimmten Musters von Reliefformen und Stufenunterschieden auf der Oberfläche des Zink-Selen- Blockmaterials der Beugungslinse 7 verwendet Photolithographie und Ätzen und gleicht dem Verfahren zum Ausbilden einer integrierten Schaltung bei einem Halbleiter.
Das heißt, der Zink-Selenit-Block wird mit einem ätzresistenten Photolack bedeckt, der aus einem photosensitiven Material besteht, und anschließend wird der Photolack durch eine Photomaske belichtet, um Öffnungen auszubilden, die den vorzusehenden Vertiefungen entsprechen. Die belichteten Teile des Photolacks werden durch Entwicklung entfernt und anschließend wir die Oberfläche bis zu einer vorbestimmten Tiefe an gerade den Stellen chemisch geätzt, bei denen der Photolack durch das vorhergehende Entwicklungsverfahren entfernt worden ist, und dadurch die Vertiefungen ausgebildet. Zuletzt wird der Photolack, der auf den nicht geätzten Teilen verblieben ist, entfernt. Durch ein Wiederholen dieses Verfahrens wird eine Beugungslinse (optisches Beugungselement) 7 mit dem gewünschten Muster an Reliefformen und Stufenunterschieden erzielt.
Außer den vorhergehenden Photolithographie- und Ätzverfahren zum Herstellen der Beugungslinse 7 ist es ebenso möglich, ein Ätzen mittels der jüngst entwickelten Grauskalenmaske (grey scale mask) zu verwenden, und dadurch eine Beugungslinse 7 mit weichen Reliefformen ohne scharfen Stufenunterschieden herzustellen.
Wenn der Laserstrahl 3 auf die Beugungslinse 7 trifft und die Beugungslinse 7 passiert, wird der Laserstrahl 3 transmittiert (durchgelassen) und wie gewünscht gebeugt, und in eine Vielzahl von Strahlen 3a, 3b . . . aufgespalten, die in bestimmten Richtungen orientiert sind. Diese treffen auf das transmittierende bzw. durchlässige Werkstück 9a, passieren es und werden anschließend an der Schnittstelle mit dem absorbierenden Werkstück 9b fokussiert. An den Fokussierungspunkten werden die Laserstrahlen 3a, 3b . . . durch das absorbierende Werkstück 9b absorbiert und verwandeln sich in Hitze. Diese Hitze bewirkt, daß die Oberfläche des absorbierenden Werkstücks 9b schmilzt und sie wird außerdem auf die in Kontakt mit den Fokussierungsstellen stehenden, transmittierenden Werkstück 9a übertragen, was bewirkt, daß diese Oberflächenabschnitte ebenso schmelzen. Die Abschnitte der Fokussierungspunkte werden zu Verbindungen zwischen dem transmittierenden Werkstück 9a und dem absorbierenden Werkstück 9b. Nach einem Abkühlen verbinden diese Verbindungen 10 die Werkstücke fest miteinander.
Zu beachten ist, daß es zwar nicht unmöglich ist, eine Aufspaltungswirkung ähnlich der Beugungslinse 7 durch ein Kombinieren einer großen Anzahl an Prismen, Spalten, Masken, herkömmlichen optischen Linsen usw. zu realisieren, aber in diesem Fall würde der Aufbau des optischen Systems extrem kompliziert und daher sehr kostspielig. Ebenso würde sich die Menge an Verlustwärme, die in dem System erzeugt würde, erhöhen und eine Kühlung würde sehr schwierig werden. Falls man andererseits versuchen würde eine ähnliche Aufspaltungswirkung durch ein einfach aufgebautes optisches System zu realisieren, würde es jedoch schwierig werden, Fokussierungspunkte gleichmäßig an allen Verbindungen 10 auszubilden. Bei der vorliegenden Erfindung wird im Gegensatz dazu dies grundsätzlich durch eine einzige Beugungslinse 7 realisiert. Dies ist nicht nur hinsichtlich der Kosten günstig, sondern ebenso in Anbetracht der Wärmeerzeugung. Eine Beugungslinse selbst ist bereits bekannt, aber die vorliegende Erfindung ist durch die Verwirklichung eines Simulatanblockschmelzverfahrens bzw. -vorrichtung für einen Werkstoff unter Verwendung dieser Beugungslinse als eine Einrichtung zum Aufspalten eines Laserstrahls gekennzeichnet.
Falls bei der Bearbeitung das vorhergehende Verfahren, das die Simultanblockschmelzvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet, angewendet wird, ist es möglich, Fokussierungspunkte, die an gewünschten Positionen auf einer breiten Fläche des Werkstücks 9 verteilt sind, durch die Beugungslinse 7 gleichzeitig auszubilden, so daß es möglich ist, beliebige Muster von Verbindungen 10 auf der Oberfläche des Werkstücks 9 auf einmal für ein simultanes Schweißen auszubilden. Daher gibt es kein Problem dahingehend, daß das Werkstück sich verzieht oder auf andere Weise deformiert wird, oder eine geringe Luftdichtheit oder unzureichende Stärke der Verbindungen auftritt, wie dies bei den herkömmlichen Verfahren des sukzessiven Schweißens einer Verbundlinie durch das Abfahren einer Oberfläche mit einem Schweißpunkt aus einem einzigen Fokussierungspunkte der Fall ist.
Fig. 2A bis 2D zeigen einige Muster von Verbindungen 10. Fig. 2A zeigt ein linienförmiges, Fig. 2B ein ringförmiges Muster und Fig. 2C ein rechteckförmiges Muster mit abgerundeten Ecken. Fig. 2D zeigt ein Muster einer großen Anzahl von Verbindungspunkten, die gleichmäßig verteilt sind. Natürlich ist es ebenso möglich eine große Anzahl an Punkten in einer Zickzacklinie oder zufällig verteilt anzuordnen, anstelle eines Gittermusters. Ferner ist es möglich aus diesen Mustern ein optimales Muster zum Ausbilden von Verbindungen 10 auf den Deckoberflächen der zwei Werkstücke 9a und 9b auszuwählen. Beispielsweise ist das geschlossene Muster der Fig. 2B oder 2C nützlich, wenn eine Plastikverpackung auf einmal ausgebildet werden soll. Das Mehrpunktmuster der Fig. 2D kann ebenso für ein Arbeitsverfahren zum teilweisen Entfernen von Kunststoff aus einer flexiblen Platte einer elektrischen Schaltung verwendet werden.
Wie in Fig. 2A bis 2C gezeigt, können die Muster unter diesen Mustern mit durchgehenden Linienformen oder Kurvenformen ohne Verbindungen durch ein geeignetes Entwerfen der Beugungslinse 7 ausgebildet werden, jedoch ist es möglich entweder eine große Anzahl an fokussierten Punkten durch die Beugungslinse 7 auszubilden und dadurch die Verbindungen 10 zu einer gewünschten ununterbrochenen Form auszubilden oder den Brennpunkt der Fokussierungspunkte zu verringern und dadurch die benachbarten fokussierten Punkte zu verbinden, um so ein im wesentlichen ununterbrochenes Muster durch eine große Anzahl an Punkten auszubilden. Daher wird manchmal der Entwurf der Beugungslinse 7 einfacher, als wenn von Anfang an ein durchgehendes Muster auszubilden ist.
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der zweiten Ausführungsform wird der Aufbau der Hauptteile der Simultanblockschweißvorrichtung 11, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet, konkreter und eingehender dargestellt, als in dem Fall der Simultanblockschweißvorrichtung 1 der ersten Ausführungsform. Bei Fig. 3 wird die Beschreibung der Laserstrahlquelle weggelassen, da in diesem Fall ebenso eine Laserquelle ähnlich zu der der ersten Ausführungsform vorgesehen wird, um den YAG-Laserstrahl 3 mit einer Wellenlänge von 1064 nm vorzusehen. Die Hauptteile, das heißt der Hauptkörper, der Simultanblockschweißeinrichtung 11 der zweiten Ausführungsform ist in einem Gehäuse 12 untergebracht.
In der Reihenfolge der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 3 sind innerhalb des Gehäuses 12 eine Haltevorrichtung 13 zum Positionieren, ein O-Ring 14 zum Aufrechterhalten eines hermetischen Zustands, eine Beugungslinse 7, wie voranstehend erläutert, und ein Linsenschutzpapier zum Schützen der Beugungslinse 7 und Befestigen des Gehäuses 12 mit der Haltevorrichtung 13, um sie in einer vorbestimmten Position zu halten, vorgesehen. Der Laserstrahl 3 erfährt die notwendige Strahlenaufspaltung unter Verwendung des Transmissions- und Beugungsphänomens von Licht, um so die Verbindungen 10 mit dem gewünschten Muster auszubilden, wenn er durch die Beugungslinse 7 passiert. Die aufgespaltenen Laserstrahlen 3 passieren durch eine mit dem Gehäuse 12 verbundene Verlängerungsröhre 16 zum Einstellen des Arbeitspunktes und durchlaufen die Kondensorlinse 8, um gebündelt bzw. fokussiert zu werden. Ferner passieren sie durch das Schutzglas 17, das vorgesehen ist, um das Eindringen von Gas oder ähnlichem zu verhindern, und passieren durch eine Hilfsgasaustrittsdüse 18 (optional), um auf das nicht näher dargestellte Werkstück 9 zu treffen und dort das vorbestimmte Muster an Verbindungen 10 an den Fokussierungspunkten auszubilden.
Das Muster der Verbindungen 10, wie voranstehend erläutert, kann in diesem Fall eine der in Fig. 2a bis 2d gezeigten Formen annehmen. Als Beispiel für eine konkretere Form, ist es möglich, ein ringförmiges Muster, das aus 16 Punkten besteht, die in einem Kreis angeordnet sind, auszubilden, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. In diesem Fall wird der auf die Beugungslinse 7 auftreffende Laserstrahl in 16 feine Laserstrahlen 3 durch die Transmissions- und Beugungswirkung aufgespalten. Diese Strahlen bilden durch die Kondensorlinse 8 eine gleiche Anzahl an Fokussierungspunkten auf dem Werkstück, um so die Ausbildung der 16 Verbindungen 10 zu ermöglichen, die in Fig. 4 gezeigt sind. Das heißt, die 16 Strahlen werden auf bestimmte Punkte fokussiert, das Werkstück 9 an diesen Punkten erhitzt und dadurch schmilzt der Kunststoff und bewirkt ein Verschweißen mit dem gegenüberliegenden Objekt. In einigen Fällen ist es ebenso möglich, den Kunststoff zu entfernen, der an den Fokussierungspunktpositionen geschmolzen ist. In diesem Fall wird der Kunststoff bei den geschmolzenen Teilen durch die Oberflächenspannung natürlich entfernt bzw. abgetragen, aber es ist ebenso möglich, durch Anblasen mit Luft oder einem anderen Fluid, den Kunststoff gewaltsam bzw. aktiv zu entfernen. Zu beachten ist, daß die Einheiten der Abmessungen, die in Fig. 4 dargestellt sind, "mm" darstellen.
Falls in diesem Fall die Fokussierungspunkte zum Vergrößern ihrer Durchmesser defokussiert werden (d. h. der Brennpunkt wird verschoben), verbinden sich die einzelnen Fokussierungspunkte mit ihren jeweiligen benachbarten Punkten, um eine weitgehend ununterbrochene ringförmige Verbindung (oder entferntes Teil bzw. Vertiefung) auszubilden, wie in Fig. 2b gezeigt. Zu beachten ist, daß bei der Simultanblockschweißvorrichtung 11 der zweiten Ausführungsform, die in Fig. 3 gezeigt ist, Kühlwasser in dem Gehäuse zirkuliert, um unter anderem die Beugungslinse zu kühlen. Die Kühlwasserzuführleitungen dafür werden durch das Bezugszeichen 19 in Fig. 3 gekennzeichnet.
Bei Verwendung einer Beugungslinse 7 (im allgemeinen ein optisches Beugungselement) zum Schweißen, Entfernen von Teilen oder zu einer anderen Verarbeitung eines Kunststoffwerkstücks 9 durch den Laser, wie voranstehend erläutert, ist es manchmal wünschenswert, den Energiepegel der Laserstrahlen, die tätsächlich auf die Verbindungen 10 (im allgemeinen die Arbeitspunkte) einwirken, zu erfassen oder zu überwachen. Bei der Simultanblockschmelzvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den Energiepegel (die Energiemenge) der Laserstrahlen leicht zu erfassen, die tatsächlich auf Arbeitspunkte einwirken, wobei eine Erfassungseinrichtung und ein Signalprozessor der Vorrichtung zusätzlich hinzugefügt werden. Ein Beispiel dafür wird als eine dritte Ausführungsform angegeben. Fig. 5 zeigt den Systemaufbau. Zu beachten ist, daß Teile, die denen der ersten zuvor erläuterten Ausführungsform (Fig. 1) ähneln, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden und inhaltsgleiche Erläuterungen weggelassen werden.
Der Unterschied der Simultanblockschweißvorrichtung 21 der dritten Ausführungsform zu der Simultanblockschweißvorrichtung 1 der ersten Ausführungsform besteht darin, daß ein Leistungssensor 22 innerhalb des Systems vorgesehen wird, um so einen Teil des durch die Beugungslinse 7 aufgespaltenen Laserstrahls 3 aufzunehmen und darin, daß das Ausgangssignal des Sensors 22 einer Verarbeitungsschaltung 23 zugeführt wird. Die Verarbeitungsschaltung 23 kann den Gesamtenergiepegel aus dem Energiepegel des erfaßten Teils auf der Grundlage eines zuvor gemessenen Verhältnisses abschätzen und dadurch erfassen sowie die auf die Arbeitspunkte, wie beispielsweise die Verbindungen 10, wirkende Energiemenge in Echtzeit mit einer ausreichenden Genauigkeit anzeigen.
Bei einer herkömmlichen Laserkunststoffschweißvorrichtung wird eine Energieüberwachung, die innerhalb der Laserquelle vorgesehen ist, im allgemeinen zum Überwachen des Energiepegels des erzeugten Laserstrahls verwendet, aber bei diesem System ist es nicht möglich, die tatsächlich auf den Arbeitspunkt einwirkende Energiemenge zu erfassen. Die Erfassung der Energiemenge auf den Arbeitspunkt erfordert, daß die Bearbeitung eingestellt bzw. ausgesetzt wird und die Messung durch ein Leistungsmeßgerät durchgeführt wird. Im Gegensatz dazu ist es bei der Simultanblockschweißvorrichtung 21 der dritten Ausführungsform möglich, die Veränderungen bei der Energiemenge während der Bearbeitung an einer Stelle genau zu überwachen, die näher an dem Werkstück 9 als an der Laserquelle 2 liegt.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden ist, die zum Zwecke der Darstellung ausgewählt worden sind, ist es offensichtlich, daß zahlreiche Modifikationen daran durch den Fachmann vorgenommen werden können, ohne von dem gedanklichen Grundkonzept und dem Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Simultanblockschmelzverfahren unter Verwendung eines Laser, das ein Verarbeiten eines Laserstrahls in eine vorbestimmte Strahlform durch Beugung und Transmission an einem optischen Beugungselement, sowie ein anschließendes Fokussieren des so erzeugten Strahls auf eine Zielfläche eines Werkstoffs aufweist, um so den gesamten Abschnitt des Materials, der von dem Laserstrahl bestrahlt wird, zu erhitzen und im wesentlichen gleichzeitig zu verschmelzen.

2. Simultanblockschmelzverfahren unter Verwendung eines Lasers nach Anspruch 1, das ein Aufspalten des Laserstrahls in eine Vielzahl von Strahlen durch Beugung und Transmission an dem optischen Beugungselement, sowie ein anschließendes Fokussieren der Strahlen auf Zielflächen des Materials aufweist, um so eine Vielzahl von Fokussierungspunkten auf der Oberfläche des Materials auszubilden sowie Hitze zu erzeugen und dadurch das Material an der Vielzahl der Fokussierungsstellen im wesentlichen gleichzeitig zu schmelzen.

3. Simultanblockschmelzverfahren unter Verwendung eines Lasers nach Anspruch 1, das ferner die Verwendung des geschmolzenen Abschnitts des Materials zum Schmelzen des Materials und anderer Materialien, die in Kontakt mit diesem stehen, aufweist.

4. Simultanblockschmelzverfahren unter Verwendung eines Lasers nach Anspruch 3, das ferner die Verwendung eines laserstrahlabsorbierendes Material als das Material aufweist, das erhitzt werden soll, sowie den Gebrauch eines laserstrahldurchlässigen Material als das andere Material, das mit diesem zu verbinden ist, aufweist.

5. Simultanblockschmelzverfahren unter Verwendung eines Lasers nach Anspruch 1, das ferner ein Entfernen des geschmolzenen Abschnitts des Materials aufweist, um einen bestimmten Abschnitt des Materials abzutragen.

6. Simultanblockschmelzverfahren unter Verwendung eines Lasers nach Anspruch 1, das ferner ein Aufspalten eines Teils des Laserstrahls durch das optische Beugungselement und ein Messen des Energiepegels des aufgespaltenen Laserlichts aufweist, um so die Energiemenge des Laserstrahls, der auf das Material fokussiert ist, abzuschätzen.

7. Simultanblockschmelzverfahren unter Verwendung eines Lasers nach Anspruch 1, wobei zumindest eines der Materialien aus Kunststoff besteht.

8. Simultanblockschmelzverfahren unter Verwendung eines Lasers nach Anspruch 1, wobei zumindest eines der Materialien aus einem Metall besteht.

9. Simultanblockschmelzvorrichtung unter Verwendung eines Lasers, die mit einem Mechanismus ausgestattet ist, der nach dem in Anspruch 1 beschriebenen Verfahren arbeitet.

10. Simultanblockschmelzvorrichtung unter Verwendung eines Lasers nach Anspruch 9, wobei das optische Beugungselement ein Block aus Zink-Selen ist, in dem Reliefformen und Stufenunterschiede durch Photolitographie und Ätzen ausgebildet sind.