DE19619339A1 - Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung mit zwei Teilstrahlen - Google Patents

Description

Die nachfolgend beschriebene Erfindung betrifft das technische Gebiet der Laserstrahlbearbeitung von Werkstücken. Sie bezieht sich auf eine Ein­ richtung, mit der eine spezielle Intensitätsverteilung auf dem Werkstück erzeugt werden kann.

Ein Kennzeichen von Laserstrahlbearbeitungsverfahren ist, daß durch die lokale Einbringung der Energie ein hoher Temperaturgradient zwischen der Wechselwirkungsstelle des Laserstrahls mit dem Werkstück und dem Grund­ material auftritt. Insbesondere beim Laserstrahlschweißen und Laser­ strahlsintern können dadurch Probleme hervorgerufen werden. Für eine Verbesserung des Bearbeitungsergebnisses wird in der WO 95 111 01 A1 die Erzeugung einer prozeßangepaßten Intensitätsverteilung durch die Über­ lagerung zweier Teilstrahlen im Fokus einer Bearbeitungsoptik vorge­ schlagen. Ein eindimensionaler Schnitt durch eine solche prozeßangepaßte Intensitätsverteilung ist in Fig. 8 gezeigt. Kennzeichnend für die Inten­ sitätsverteilung ist eine breite Schulter 1 mit dem Radius r₁, auf der eine schmale Intensitätsspitze 2 mit dem Radius r₂ sitzt. In der Schulter 1 hat die Intensität den maximalen Wert I₁, in der Spitze 2 ist der ma­ ximale Wert der Intensität I₂. Dabei ist das Verhältnis der Listungsan­ teile P₂ und P₁ in Spitze und Schulter der Intensitätsverteilung einstell­ bar. Durch diese Intensitätsverteilung wird auch der Werkstoff in der di­ rekten Umgebung der Wechselwirkungsstelle erwärmt und dadurch der Tem­ peraturgradient reduziert und somit das Bearbeitungsergebnis verbessert.

Für die Erzeugung der beschriebenen Intensitätsverteilung ist die ge­ trennte Strahlformung von zwei Laserstrahlen zweckmäßig. Mit einem Roh­ strahl großen Durchmessers, der sich durch eine Fokussieroptik auf einen kleinen Brennfleck mit Radius r₂ konzentrieren läßt, kann die Spitze 2 der Intensitätsverteilung erzeugt werden. Ein Rohstrahl kleinen Durchmes­ sers erzeugt bei der Fokussierung einen größeren Fokusradius r₁. Die Vereinigung der beiden Laserstrahlen mit der Fokussieroptik erzeugt schließlich die in Fig. 8 gezeigte Intensitätsverteilung.

Für die genannten Laserstrahlbearbeitungsverfahren ist es vorteilhaft, wenn die Energieanteile in den beiden Laserstrahlen einstellbar sind. Ein System, das zwei getrennte Laserstrahlquellen mit regelbarer Ausgangslei­ stung verwendet, erfüllt diese Anforderung, ist jedoch relativ aufwendig. Eine Strahlteilung eines Laserstrahls mit einem akustooptischen Modulator hat den Nachteil, daß die beiden Teilstrahlen nicht auf der gleichen Ach­ se laufen und daher empfindlich bezüglich einer Defokussierung sind. Po­ larisierende Strahlteiler haben den Nachteil, daß sie eine schnelle Änderung des Energieverhältnisses der beiden Teilstrahlen nicht zulassen.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Laser­ strahl-Bearbeitungsvorrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe aus einem Laserstrahl zwei Teilstrahlen zu erzeugen sind, deren Energieverhältnis schnell veränderbar ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge­ löst, daß eine Optik zur Veränderung der Divergenz des Laserstrahls in Verbindung mit einem sogenannten Ring- oder Lochspiegel eingesetzt wird. In Abhängigkeit vom Strahldurchmesser des Laserstrahls auf dem Ring- oder Lochspiegel wird das Verhältnis von reflektierter und transmittierter Laserleistung bestimmt. Wird außerdem die Laserleistung des ungeteilten Laserstrahls geregelt, lassen sich die Leistungen der beiden Teilstrahlen unabhängig voneinander einstellen.

Die Änderung der Divergenz von Laserstrahlen z. B. durch deformierbare Spiegel zur Kompensation durch die Laseranlage ausgelöster Effekte sind aus dem Patent 41 08 419.5 bekannt. Diese Anwendung bezieht sich je­ doch auf die Beeinflussung des Laserstrahls an der Wechselwirkungsstelle.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen bzw. Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind den Unteransprüchen bzw. der nachfolgenden Beschreibung entnehmbar, in der verschiedene Varianten des Erfindungs­ gegenstandes anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 bis 7 schematische Prinzipdarstellungen der für die Strahlteilung und -vereinigung sorgenden Anlagenteile von Laserstrahl-Bearbei­ tungsvorrichtungen in unterschiedlichen Ausführungsformen, und

Fig. 8 eine prozeßangepaßte Laserstrahl-Intensitätsverteilung, wie sie durch die Vorrichtungen gemäß Fig. 1 bis 7 geschaffen werden kann.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung ist wie folgt zu beschreiben:
Der Laserstrahl 3 wird von einer langbrennweitigen Optik 4 leicht fokus­ siert. Ein Ringspiegel 5 mit einer Bohrung 6 in der Mitte und einem ref­ lektierenden Ring 7 koppelt einen Teilstrahl 8 des konvergenten Laser­ strahls 3 aus. Durch die Bohrung 6 läuft der transmittierte Laserstrahl 9, der auch von der Bohrung 10 des zweiten Ringspiegels 11 durchgelas­ sen wird. Da dieser Teilstrahl 9 einen kleinen Radius hat, erzeugt er im Fokus 12 der Linse 13 einen großen Brennfleck 14 (Schulter 1) entspre­ chend dem Radius r₁ der in Fig. 8 dargestellten prozeßangepaßten Inten­ sitätsverteilung. Die Spitze der Intensitätsverteilung in Fig. 8 mit dem Radius r₂ wird durch den ausgekoppelten, reflektierten Teilstrahl 8 er­ zeugt. Dieser wird am Ringspiegel 5 reflektiert und über einen Spiegel 15 und eine adaptive Optik 16 auf den zweiten Ringspiegel 11 abgebildet. Damit ist der ausgekoppelte Teilstrahl 8 parallel zum transmittierten Teilstrahl 9 ausgerichtet. Der Strahlradius des ausgekoppelten Teilstrahls 8 am Ort der Linse 13 ist größer als der des transmittierten Teilstrahls 9, so daß durch die Fokussierung ein kleiner Fokusradius r₂ erzeugt wird. Die Überlagerung der beiden Teilstrahlen 8, 9 im Fokus 12 der Linse 13 führt schließlich zur gewünschten prozeßangepaßten Intensitäts­ verteilung gemäß Fig. 8.

Der als Strahlteiler wirkende Ringspiegel 5 ist zusammen mit dem Spiegel 15 auf einem verfahrbaren Schlitten 17 angeordnet. Dieser läßt sich in Richtung R der Strahlachse verschieben. Damit läßt sich das Verhältnis der Leistungen im transmittierten und reflektierten Teilstrahl 8, 9 ein­ stellen.

Mit Hilfe der adaptiven Optik 16 im Strahlengang des reflektierten Teil­ strahls 8 läßt sich der Radius r₂ in der prozeßangepaßten Intensitätsver­ teilung verändern. Durch eine Änderung der Brennweite der adaptiven Op­ tik 16 ändert sich die Divergenz des Teilstrahl 8, also der Strahlradius auf der Bearbeitungsoptik (Linse 13) und damit auch der erzeugte Fokus­ radius r₂.

Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung erfüllt zwar grundsätzlich den erfin­ dungsgemaß vorgesehenen Zweck, ist jedoch in bestimmten Punkten noch weiterentwicklungsbedürftig. So ist die Strahlvereinigung im zweiten Ringspiegel 11 mit Beugungsverlusten verbunden. Die ringförmige laterale Intensitätsverteilung des reflektierten Teilstrahls 8 verändert sich nämlich im Verlauf der Strahlausbreitung durch die Beugung. Hierbei werden die Beugungserscheinungen in den Bereich des Nahfeldes und den Bereich des Fernfeldes unterteilt. Werden der Blendenradius des ersten Ringspiegels 5 mit a und die Wellenlänge des verwendeten Lasers mit w bezeichnet, so wird die charakteristische Länge L für den Übergang vom Nahfeld der Beugung zum Fernfeld der Beugung durch die Beziehung L = a²/w berech­ net. Die ringförmige Intensitätsverteilung des reflektierten Teilstrahls 8 bleibt im Nahfeld näherungsweise erhalten. Im Fernfeld bildet sich dage­ gen eine Intensitätsverteilung aus, die ein lokales Maximum auf der Strahlachse hat. Tritt eine durch die Beugung derart veränderte Intensi­ tätsverteilung mit einem lokalen Maximum auf der Strahlachse auf den zweiten Ringspiegel 11, so läuft der zentrale Anteil des reflektierten Teilstrahls 8 durch die Bohrung 10 des Ringspiegels 11 hindurch. Dies bedeutet einen erheblichen Beugungsverlust bei der in Fig. 1 gezeigten Variante.

Durch die beschriebenen Beugungseffekte kommt es also zu einem Lei­ stungsverlust bei der Strahlvereinigung am zweiten Ringspiegel 11, der abhängig vom Abstand der beiden Ringspiegel 5, 11 bezogen auf den Strahlengang des reflektierten Teilstrahls 8 und der Länge L für den Übergang des Nahfeldes der Beugung in das entsprechende Fernfeld ist.

Abhilfe läßt sich hier durch die in Fig. 2 dargestellte Optik schaffen. Für diese Figur gilt - wie für alle weiteren Fig. 3 bis 6 - daß mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 übereinstimmende Teile mit identi­ schen Bezugszeichen versehen sind und keine nochmaligen Erörterung be­ dürfen. Es wird nur auf die Änderungen bzw. Ergänzungen bei den jewei­ ligen Varianten gegenüber der Grundversion nach Fig. 1 eingegangen.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Variante wird ein abbildendes Teleskop 18 im Strahlengang des reflektierenden Teilstrahls 8 eingesetzt, mit dem sich der Radius r₂ in der prozeßangepaßten Intensitätsverteilung verändern läßt.

Mit diesem zusätzlichen Teleskop 18, das zwischen dem Spiegel 15 und der adaptiven Optik 16 eingebaut ist, wird die Effizienz der Strahlvereinigung verbessert, da durch das Teleskop 18 die Bohrung 6 des Ringspiegels 5 auf die Bohrung 10 des Ringspiegels 11 abgebildet wird. Damit werden die oben erörterten Beugungseffekte umgangen und die ringförmige Intensitäts­ verteilung des ausgekoppelten Teilstrahles 8 auf dem zweiten Ringspiegel 11 rekonstruiert. Das Teleskop 18 hat also den Zweck, einen möglichst hohen Leistungsanteil des Teilstrahls 8 auf die ringförmig reflektierende Fläche des Ringspiegels 11 zu lenken und dabei die Divergenz dieses Teilstrahls unverändert zu lassen, damit weiterhin die Intensitätsspitze 2 der Intensitätsverteilung wie oben beschrieben erzeugt werden kann.

Ein vergleichbarer Effekt kann auch die Verwendung eines abbildenden Teleskops 18′ im Strahlengang des transmittierten Laserstrahls 9 erzielt werden, wie dies bei der in Fig. 3 dargestellten Variante der Fall ist. Durch eine Änderung des Abstandes der beiden Linsen 19′, 20′ des Tele­ skops 18′ ändert sich die Divergenz des transmittierten Teilstrahls, also der Strahlradius auf der Linse 13 und damit ebenfalls das Radiusverhält­ nis in der prozeßangepaßten Intensitätsverteilung gemäß Fig. 8. Insbe­ sondere wird dabei auch die Effizienz der Strahlvereinigung durch das im Strahlengang des transmittierten Laserstrahls 9 angeordnete optische Systems verbessert, das die Öffnung des Ringspiegels 5 auf die Öffnung des Ringspiegels 11 abbildet. Dieses - wie erörtert - als Teleskop 18′ ausgebildete optische System hat den Zweck, einen möglichst hohen Lei­ stungsanteil des transmittierten Teilstrahls 9 durch die Bohrung 10 des Ringspiegels 11 treten zu lassen. Weiterhin hat das Teleskop 18′ den Zweck, die Divergenz des transmittierten Teilstrahls 9 unverändert zu lassen, damit die Schulter 1 der Intensitätsverteilung gemäß Fig. 8 in günstiger Weise erzeugt werden kann.

Eine weitere Variante des Erfindungsgegenstandes sieht die Anordnung ei­ nes deformierbaren Spiegels in Form einer adaptiven Optik 16′ vor der langbrennweitigen Optik 4 vor, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Die Di­ vergenz des Laserstrahls 3 nach der langbrennweitigen Optik 4 hängt von der Brennweite des deformierbaren Spiegels der adaptiven Optik 16′ ab. Mit dieser Anordnung kann somit der Strahlradius am Ort des Ringspiegels 5 und somit das Verhältnis der Leistungsanteile im ausgekoppelten 8 und transmittierten Teilstrahls 9 eingestellt werden.

Abweichend von der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform kann die adapti­ ve Optik 16′ und die Linse der langbrennweitigen Optik 4 auch durch ein Teleskop 21 mit veränderbarem Abstand der Linsen 22, 23 ersetzt werden (Fig. 5). Durch eine Veränderung dieses Abstandes kann die Divergenz des Laserstrahls 3 und damit wiederum der Strahlradius am Ort des Ring­ spiegels 5 und damit das Verhältnis der Intensitäten in den beiden Teil­ strahlen 8, 9 eingestellt werden.

In Fig. 5 ist das Teleskop 21 als System zweier Linsen positiver Brenn­ weite skizziert. Das Teleskop 21 kann auch unter Verwendung von Spie­ geln und/oder Linsen negativer Brennweite realisiert werden.

Die in Fig. 6 dargestellte Variante leitet sich direkt aus der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform der Erfindung ab. Das hier in den Strahlen­ gang des ausgekoppelten Teilstrahls 8 eingesetzte Teleskop 18′′ ist da­ hingehend modifiziert, daß die eine Linse 20′′ der beiden Teleskoplinsen 19′′, 20′′ in Strahlrichtung beweglich gelagert ist. Durch eine Änderung des Abstandes der beiden Linsen 19′′, 20′′ ändert sich nun die Divergenz des ausgekoppelten Teilstrahls 8, womit der gleiche Effekt erzielt wird, wie mittels der adaptiven Optik 16′ in Fig. 2. Insofern übernimmt also das Teleskop 18′′ die Aufgabe dieser adaptiven Optik. Letztere kann durch einen einfachen Umlenkspiegel 15′ ersetzt werden. Auch hier kann das Teleskop 18′′ im übrigen ebenfalls wieder unter Verwendung von Spiegeln und/oder Linsen negativer Brennweite realisiert werden.

Bei der in Fig. 7 gezeigten Weiterentwicklung des optischen Systems wird der Strahlengang im reflektierten Teilstrahl 8 durch weitere Umlenk-Plan­ spiegel 24, 25, 26 so verlängert und gefaltet, daß Abbildungsfehler, die bei großen Strahleinfallswinkeln auf dem deformierbaren Spiegeln der adaptiven Optik 16 auftreten, minimiert werden. Unterstützend werden hier im Strahlengang des ausgekoppelten Teilstrahls 8 Sammellinsen 27, 28 eingesetzt.

Abschließend wird darauf hingewiesen, daß die Ringspiegel 5, 11 noch als "Lochspiegel" oder "Scraper-Spiegel" zu bezeichnen sind.

Ferner ist erwähnenswert, daß die prozeßangepaßte Intensitätsverteilung auch durch das Überlagern von mehr als zwei Teilstrahlen erreicht wer­ den kann, die nach einer der beschriebenen Ausführungsbeispiele erzeugt und wieder überlagert werden können. Damit können auch sehr spezielle Intensitätsverteilungen realisiert werden.

Claims (9)

1. Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung, inbesondere Laser-Schweiß- oder -Sintervorrichtung, mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer prozeßan­ gepaßten Intensitätsverteilung am Werkstück auf der Basis mindestens zweier Teilstrahlen (8, 9), die aus einem Laserstrahl (3) erzeugbar und mittels einer Fokussieroptik (13) mit unterschiedlichen Strahlradien (r₁, r₂) überlagerbar sind, gekennzeichnet durch

• - mindestens einen vom Laserstrahl (3) beleuchteten ersten Ringspiegel (5) zur Erzeugung der mindestens zwei Teilstrahlen (8, 9) mit unter­ schiedlichen Strahlengängen durch Auskopplung eines (8) der Teilstrah­ len (8, 9),
• - mindestens einen vom ausgekoppelten Teilstrahl (8) beleuchteten zweiten Ringspiegel (11) zur Überlagerung des ausgekoppelten Teilstrahls (8) mit dem nicht ausgekoppelten Teilstrahl (9), und
• - eine optische Einrichtung (16, 16′, 18, 18′, 18′′, 21) in mindestens einem der Strahlengänge zur Veränderung der Divergenz mindestens ei­ nes der beteiligten Laser- bzw. Teilstrahlen (3, 8, 9).

2. Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine adaptive Optik (16) als optische Einrichtung im Strahlengang des ausgekoppelten Teilstrahls (9) angeordnet ist.

3. Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net daß eine adaptive Optik (16′) im Strahlengang des ungeteilten La­ serstrahles (3) angeordnet ist.

4. Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ringspiegel (5) im Strahlengang des unge­ teilten Laserstrahls (3) in Strahlrichtung gemeinsam mit einem Umlenk­ spiegel (15) im Strahlengang des ausgekoppelten Teilstrahls (8) ver­ schiebbar angeordnet ist.

5. Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Teleskopanordnung (18, 18′) als optische Einrichtung im Strahlengang mindestens eines der beiden Teilstrahlen (8, 9) angeordnet ist.

6. Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teleskopanordnung (18′′) im Strahlengang des ausgekoppelten Teil­ strahls (8) mit relativ zueinander beweglichen Linsen (18′′, 20′′) zur Divergenzveränderung des Teilstrahls (8) versehen ist.

7. Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlengang des ausgekoppelten Teilstrahls (8) durch Umlenkspiegel (24, 25, 26) mehrfach gefaltet ist.

8. Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekenn­ zeichnet durch eine langbrennweitige Linsenoptik (4) im Strahlengang des Laserstrahls (3) vor dem ersten Ringspiegel (5).

9. Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekenn­ zeichnet durch ein Teleskop (21) mit veränderbarem Abstand seiner Linsen (22, 23) im Strahlengang des ungeteilten Laserstrahls (3) vor dem ersten Ringspiegel (5) zur Divergenzveränderung des Laserstrahls (3).