DE1901429A1

DE1901429A1 - Laserwerkzeug

Info

Publication number: DE1901429A1
Application number: DE19691901429
Authority: DE
Inventors: Jean Baujoin
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1968-01-15
Filing date: 1969-01-13
Publication date: 1969-07-31
Also published as: JPS4746160B1; FR1561258A; BE726541A; US3571554A; NL6900616A; GB1255704A

Description

' . PATENTANWÄLTE

dipping. H. LEINWEBER dipl-ing. H. ZIMMERMANN

8 MUndten 2, Rosental 7, 2.Aufg.

Tet.-Adr. LelnpatMUndien Telefon (HU) 2<1t|9 den

Unser Zeichen

Z/Va/ho i<^lü3bdü

CÜMPAGNIE GEWEIiALE D'ELECTRICITE, Paris, Frankreich

Laserwerkzeug

Die Erfindung betrifft Werkzeuge, die vielfach der Verwendung in der Bearbeitungsindustrie, beispielsweise zum Bohren oder Schweißen, angepaßt werden können.

Der Laser ist insbesondere im Bereich der Bearbeitungsindustrie zum Ärüeitsinstrument geworden, und seine vielfachen Anwendungsrnöglichkeiten werden laufend zum Schweißen, Bohren und schneiden verschiedener Materialien, insbesondere sehr harter iiaterialien, wie Wolfram, verwendet.

Die in diesen Fällen der Bearbeitung entwickelten Energien sind beträchtlich, und der geringe wirkungsgrad eier Laserivöpxe macht es erlorüeriich, verbesserte Vorrichtungen für die Erweiterung des Anwendungsbereichs von Laserwerkzeugen zu finden.

Durch die Erfindung soll ein 'werkzeug geschaffen werden, dessen Leistungsfähigkeit über der der bekannten Laserwerkzeuge liö^-t.

U-egens tand der Gründung ist ein Laserwakzeug, das wenigst en υ einen Laseritopi aufweist, der optischen Einrichtungen zuge-

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ordnet ist, die die Strahlenbündel der Laserköpie zu einem einzigen Strahlenbündel vereinigt, das in einem Punkt konzentriert ist.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß sie eine feine Haut aus Materialien zum Schutz der optischen Einrichtungen aufweist, die zwischen diesen und dein ivorizentrations-J₁JUnK:t der Laserstrahluündel angeordnet ist.

Das erimdurigsgemäiae Werkzeug weist zahlreiche Vorteile auf, z.Jb.

die Möglichkeit der Korabination mehrerer Strahlenbündel verschiedener Energie mit unterschiedlicher Dauer und Form der Impulse;

geringerer Energieverbrauch als zum Erzielen der gleichen Ausgangs wirkenergie mit θ mein einzigen Laser, der öinen Impuls langer Dauer abgibt,

viel schnellere Schußfolge, die dabei das Abkühlen der Laserstäbe oder der LichtroLren wcihroiia eiL.Gr längeren Zeitdauer erlaubt.

V/eitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeuexi sich aus der folgenden L·esehreiuimg. Auf der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht, und zwar zeigen

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausi'ührungsform der Erfindung,

Fig. 2 die Licht verteilung auf der Eingangsfläche der optischen Einrichtung in Fig. 1, und FI₀. b eine Schnittaiisicht einer anderen Ausführungsform

der Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine Auslülirungsform der Erfindung, in der

vier Laserköpfe 1, 2, 5, 4, die beispielsweise xiubinlaser sein

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können, die Strahlen einer Wellenlänge von 5945 A ausstrahlen, so kombiniert sind, dab sie durch optische Ablenksysteme 0, b, /, υ zwei parallele Strahlenbündel y und 1ü abgeben, die vorzugs4

weise bei senkrechtem Einfall auf eine optische Einrichtung 11 j

ι mit veränderlicher brennweite fallen, wie sie beispielsweise j

unter der Lezeichnung "LJoom" bekannt ist. j

Die Brennweite der optischen Einrichtung 11 kann auf j einen den Erfordernissen entsprechenden bestimmten konstanten j Wert eingestellt werden, insbesondere, wenn das Werkzeug als Schwenkvorrichtung dienen soll. Falls das Werkzeug als Bohr- ; maschine verwendet werden soll, mms die Brennweite der optischen^ Einrichtung 11 in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Ein- j aringens der Lichtstrahlen in das su durchbohrende oder zu · schneidende haterial eingestellt werden. l)ie Veränderung der brennweite keim durch irgendein mechanisches kittel 12 durchgeführt werden, das beispielsweise ein Schrittmotor sein kann. Wenn das erfiüdungsgemäüe Laserwerkzeug zum Schneiden dient, kann die brennweite in Abhängigkeit von der Dicke des zu schneidenden rterkstücKS und Lei unebnen Ir of ilen in Abhängigkeit vom Abstand des Werkstücks 15 von der Linse der optischen ι

Einrichtung 11 eingestellt werden. Die Vorrichtung zum Einstellen und Steuern der _rennweite kann durch irgendwelche schematisch ι ei I4 dargestellte Vorrichtungen gesteuert werden, die zum kessen der Parameter (Austana, Dic^e u. dgl.) geeignet sind. Diese Ste^erungs- l::w. .iegalierun^snittej. Können beispielsweise photoelektrische iiittei sein.

Das erüridungsgemäbe werkLeu^ weist eine schematisch bei Ti in Fig. 1 üc\v_t üsieiite VorriCiit,_a.₀ auf, die dazu bestimmt ist die zu L-jui-Löiιer.üQii uerkstüc^e weitersut.'ewegen.

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Es ist selbstverständlich auch möglich, eine andere Vorrichtung als die Prismenkombination der Ablenksysteme b, 6, 7 und 8 in Fig. 1 zu verwenden.

Es gibt Vorrichtungen, die das Kombinieren von vier oder mehr Strahlenbündeln in ein einziges Strahlenbündel zulassen, das auf den Eingang der optischen Einrichtung 11 mit veränderlicher Brennweite trifft.

Es ist bekannt, daß die von den Laserköpfen 1 bis 4 ausgestrahlten Strahlenbündel nicht genau parallel sind, sondern eine gewisse Divergenz aufweisen.

Es ist auch bekannt, daß das in der Fokalebene der Ein-· richtung 11 erhaltene Bild eine Abmessung in der Größenordnung von f · θ aufweist, wobei f die Brennweite und θ die Divergenz des Laserstrahlbündels Dedauten.

Die Berechnung der Größe des in der Fokalebene der Einrichtung 11 erhaltenen Lichtpunkts muß diesen Überlegungen Kechnung tragen und außerdem der Tatsache, daß in den optischen

Einrichtungen die Nutzfläche einer Linse auf einen Strahlerikrei mit einem Durchmesser D = ί'/ίί beschränkt ist, wobei N die Zahl ist, die die Blendenöffnung der Vorrichtung bezeichnet, Das theoretische Minimum von N ist 0,5, jedoch ist es in der Praxis j gleich 1. Infolgedessen sind die optischen Einrichtungen so beschaffen, daß die Nutzfläche einer Linse einen Durchmesser D = f hat.

Fig. 2 zeigt eine Ansicht der Eingangslinse der Einrichtung 11 mit veränderlicher Brennweite, wobei der große Kreis den Umfang der Eingangslirise, der gestrichelte Kreis die Nutzfläche mit einem Durchmesser D und die Kreise 9 und 10 die Lichtflecken bezeichnen, die durch die von den Laserköpfen·¹ bis 4 der Fig. 1 ausgestrahlten Strahlenbündel]! y und 1ü ge-

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Diläet sind, üls ist demnach zu sehen, daß diese Flecke einen Durchmesser haben müssen, der kleiner ist als D/2, um ein optimales Ergebnis durch die Einrichtung 11 zu erhalten.

Fig. 3 zeigt sehr schematisch im Schnitt eine andere Ausiiihrungsform eines eriindungsgemäben Werkzeugs. Das in Fig. 3

dargestellte Werkzeug weist eine Vielzahl von Laserköpfen 20, i 21 auf, die derart auf einem Träger angeordnet sind, daß die I

Lichtstrahlenbündel in einem Punkt 31 zusammenlaufen. Beispiels-! weise kann das Werkzeug vier Laserköpfe aufweisen, die in Form : eines Konus mit einer Achse X-X¹ und einem Scheitelhalbwinkel A \

angeordnet sind. i

Der Träger kann beispielsweise aus einer Scheibe oder ■

einem rlittelstück 24 bestehen, das eine Einfassung oder einen :

lang 2'd aufweist, an dem entlang ein Stück 2b gleiten kann, das ;

eine Führung 2ö aufweist, in der sich eine Stange 27 gleitend ■

verschieben kann, die durch eine Spannschraube 2y festgehalten j wird. Das Ende 30 der Stange 27 ist beispielsweise an einem Gehäuse 23 des Laserkopfs 21 befestigt. Mittels eines feststelluaren G-elenks kann die Einstellung des Lasers beliebig reguliert werden.

Die LaserKüpie 20 und 21 haben jeweils eine optische Ein-j richtung mit veränderlicher Brennweite, die beispielsweise eine Drehplatte 32 sein kann, deren Achse durch Gleiten in einer feststellbaren halterung 33 verschoben werden kann und die eine Vielzahl von Linsen 34, 3^ mit verschiedener Brennweite aufweist.

Die optische Einrichtung mit veränderlicher Brennweite j

[Latin eine unter α em Hainen "ZOOM" bekannte Vorrichtung sein, wie \

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sie durch den am Gehäuse 23 des Laserkopfs 21 befestigten Block 3b schematisch dargestellt ist.

Die optischen Einrichtungen mit veränderlicher Brennweite! weisen manuelle oder elektrische Steuerungsmittel auf, wie bei 37 symbolisch dargestellt.

Das Werkzeug gemäß Fig. 3 kann außerdem ein zusätzliches Gehäuse 3ο aufweisen, dessen Achse mit der Achse des durch die von den Laserköpfen 20 und 21 abgegebenen Strahlen gebildeten Konus fluchtet. Dieses Gehäuse enthält eine Lichtquelle 39, die einer optischen Einrichtung 4Ü mit veränderlicher Brennweite zugeordnet ist. Die Lichtquelle 3^ kann irgendeine Lichtquelle sein, die ein feines Lichtbüschel ausstrahlt, das dazu dient, den Punkt 31 eines zu bearbeitenden Materials 4I zu beleuchten. Diese Beleuchtung kann dauernd oder nur zum .Einstellen eier Strahlenbündel der Laserköpfe·20 und 21 verwendet werden, die mit Strahlen arbeiten können, deren Wellenlange sich im unsicht-_: baren Bereich des Spektrums befindet.

Gemäß einer Abwandlung ist die Lichtquelle 3^ ein Laser,

vorzugsweise ein fortlaufend arbeitender Laser, der Strahlen _; aussendet, die zum Vorwärmen der zu bearbeitenden Stüciie dienen.;'

Selbstverständlich kann das erfindungsgemi-uie Werkzeug auch eine oekannte Vorrichtung aufweisen, wie schematisch bei 42, 43 dargestellt, die dazu dient, die zu bearbeitenden Stücke in der | l/'okalebene der optischen Einrichtungen in Stellung zu bringen ! und sie weiterzubewegen.

Schließlich weist das erfindungsgemäße werkzeug an sich j bekannte Mittel zui;; Steuern und Regulieren der Laser auf. ;

In Fig. 3 sind nur zwei Laserköpfe 20 und .21 dar_oe- ^; stellt; es kann jedoch eine beliebige Anzahl von Lasern verwen- j

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cLet werden, die irgendwie in Form eines Konus mit dem oben genannten Halbwinkel A angeordnet sind.

Die in Fig. 1 und in Fig. 3 dargestellten Werkzeuge sind außerdem mit Schutzmitteln versehen, die die optischen Ein-

richtungen vor im Lauf der Bearbeitung herausspritzendem ge- j schmolzenem Haterial aer Werkstücke schützen. Der Schutz der j optischen Einrichtungen kann durch Zwischenschalten einer trans-; parenten Schutz blende 44 erzielt werden, die zwischen den op- ' tischen Einrichtungen, beispielsweise 36 und 40, und dem Ar-

beitspunkt 31 angeordnet ist. Diese Schutzblende, die leicht :

in Form einer Polyesterfolie einer Dicke von einigen Hundertstel

Millimetern hergestellt werden Kann, wird zwar durch die Laser- ^! strahlen punktförmig zerstört, verhindert dabei aber, daß sich : die Schmelzteilchen auf den in der k&he befindlichen optischen i Einrichtungen ablagern, wenn die hrennweiten verhältnismäßig gering sind. _:

Die Verwendung., einer solchen Schute blende 44 kann außerdem in: Fall der Vorrichtung gemalt Fig. 3 die Lösung eines weiteren Problems gestatten. Wenn nämlich die Schutzblende aus einem transparenten Material bestellt, das einen bestimmten iieilexionskoeixizienten aufweist, wird ein Teil des Strahlenbündels auf einen Punkt 31' reflektiert, der symmetrisch zum Puniit 31 in bezug zur Schutzblende 44 liegt. Die Menge der im Punkt 31' gebündelten reflektierten Energie kann leicht berechnet werden. Sie beträft einen bestimmten Teil der im Punkt 31 konzentrierten Energie. Lurcl Anordnen eines Anzeigegeräts ^b, beispielsweise eines Kalorimeters, am Punkt 31¹ kann .infolgedessen fortlaufend die am Punkt 31 verfügbare Energie gemessen weraen, und die Resultate dieser Messung können zum

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Regulieren der Arbeitsintensität des Werkzeugs verwendet werden, j

indem man von Hand oder durch bei % schematisch dargestellte · automatische Mittel die Einstellung der Laserköpfe oder der zu _; diesen gehörigen optischen ülinrichtungen mit veränderlicher
Brennweite reguliert.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Werkzeugs werden besset

verständlich, wenn man das folgende zahlenmäßige Beispiel in

ι Betracht zieht: ^;

Durch den Stand der Technik ist es leicht möglich, Aus- ; gangsenergien in Form von elektromagnetischen Strahlen von 10 : Joule in einer Zeit von 10 ms bei einer Pumpenergie von 2 kj : zu erzielen. ' !

Hit einem vier Leeerköpfe aufweisenden Laserwerkzeug ge- : maß der Erfindung kann -man am Arbeitsplatz einen Energiewert _; bis zu 40 Joule mit einer Gesamtimpulsdauer erzielen, die je , nach Einstellung der Fokalisiervorrichtungen, Anzahl der tatsächlich verwendeten Laserköpfe lind Auslösemomente der einzelnen Laserköpfe bis zu einem Wert von 40 ms variiert.

Der Wiederholungsrhythmus der Laserstöße beträgt einen
k Bruchteil von Sekunden; wenn man bei der erfindungsgemäßen

Vorrichtung das Auslösen der Laserköpfe nacheinander einstellt,
kann man einen schnelleren Laserstoßrhythmus erzielen, wobei
man den Köpfen Zeit zum Abkühlen läßt, was sehr wichtig für die
Lebensdauer der aktiven I-äerialien, beispielsweise der Stäbe
und der Blitzlampe der Laserkopfe ist.

Ein weiterer Vorteil besteht im Wirkungsgrad dieses
Werkzeugs: eine Energie von 40J in einer Zeit von 40 ms er-■ fordert mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug eine Pumpenenergie vor b kj, während zur Erzielung des gleichen Ergebnisses mit einer.;

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einzigen Kopf eine Pumpenergie in der Größenordnung von 32 kj,
d.h. viermal so viel erforderlich ist. Dies ergibt sich durch

die Tatsache, daß die Leuchtröhren keine Energie von mehr als '

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100 J/ciü /ms aushalten können; man ist daher gezwungen, diese | Leuchtröhren zu verlängern und gleichzeitig die Länge der Laser- j stäbe zu vergrößern. Wenn darüber hinaus die mit einem einzigen j Laser zu erzielende Gesamtenergie viermal so groß wird,, muß die ; Ausgangsfläche der Stäbe viermal so groß sein. ;

Wenn die Pumpenergie in erster Annäherung proportional dem" Volumen der Stäbe ist, dann beträgt bei Verwendung von vier ; Laserkopf en die erforderliche Pumpenergie V/p. = k (S χ 4L), wo- j Dei S den Querschnitt des Ausgangs der Stäbe und L deren Länge ^: bedeutet, während man bei einem einsigen Kopf Wp₁ = k (4S χ 4L) ; erhält, was ein Verhältnis zwischen den beiden Energien von

Wp ι
'■'" erglDt.

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Claims

.10- 19QM29 Patentansprüche :

1. Laserwerkzeug mit wenigstens einem Laserkopf, dem optische Einrichtungen zum Sammeln der Strahlenbündel der j Laserküpfe zu einem einzigen, in einem Punkt konzentrierten j Strahlenbündel zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß \ zwischen den optischen Einrichtungen (11; 34, 3b, 3fc, 4U) ■

und dem Konzentrationspunkt (31) der Laserstrahlen ,zum Schutz

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der optischen Einrichtungen eine feine Schutzblende angeordnet ■ ist. :

2. Laserwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet j daß die Schutzblende (44) für die Laserstrahlen transparent ist.

3. Laserwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzblende (44) aus einem durch die Laserstrahlen leicht zerstörbaren Material besteht.

4. Laserwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- j net, daß die Schutzblende (44) weiterbewegbar ist.

b. Laserwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnat, daß zum Messen der durch Teilreflexion der Strahlenbündel auf der Oberfläche der Schutzblende (44) lokalisierten Energie ein lichtempfindliches Anzeigegerät {'ob) vorgesehen ist, aurch das eine für die von den Laserköpfen (1 bis 4; 20, 21) ausgestrahlte liutzenergie representative Messung lieferbar ist.

b. Laserwerkzeug nach Anspruch b, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Bündeln der Laserstrahlen bestimmten optischen Einrichtungen dem Anzeigegerät (bb) unterworfene Steuer- und Kegelvorrichtungen aufweisen.

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