DE19619339B4

DE19619339B4 - Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung mit zwei Teilstrahlen

Info

Publication number: DE19619339B4
Application number: DE19619339A
Authority: DE
Inventors: Norbert Neubauer; Arjan Coremans; Peter Dr. Hoffmann
Original assignee: Blz Bayerisches Laserzentrum Gemeinnuetzige Forschungsgesellschaft Mbh; BLZ GmbH
Current assignee: Blz Bayerisches Laserzentrum Gemeinnuetzige Forschungsgesellschaft Mbh; BLZ GmbH
Priority date: 1995-05-26
Filing date: 1996-05-14
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2016-05-15
Also published as: DE19619339A1

Abstract

Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung, inbesondere Laser-Schweiß- oder -Sintervorrichtung, mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer prozeßangepaßten 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 unterschiedlichen Strahlengängen durch Auskopplung eines (8) der Teilstrahlen (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 eines der beteiligten Laser- bzw. Teilstrahlen (3, 8, 9).

Description

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

Aus der DE 40 34 744 A1 ist eine Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer prozeßangepaßten Intensitätsverteilung am Werkstück auf der Basis zweier Teilstrahlen angegeben, die aus einem Laserstrahl erzeugbar sind. Die Teilstrahlen werden hierbei mit unterschiedlichen Strahlradien überlagert, wobei es üblich ist, diese Teilstrahlen über eine Fokussieroptik auf das zu bearbeitende Werkstück zu führen. Weiterhin befindet sich eine optische Einrichtung in Form eines adaptiven Spiegels zur Veränderung der Divergenz des Teilstrahls in einem der Strahlengänge. Die Teilung und die Überlagerung der Teilstrahlen erfolgt bei dieser Bearbeitungsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik über eine gesteuerte Interferometeranordnung.

Die DD 251 097 A1 beschreibt eine gattungsgemäße Laser-Bearbeitungsvorrichtung, die ebenfalls über eine optische Einrichtung zur Veränderung der Divergenz eines Teilstrahls in einen der Strahlengänge verfügt. Ferner umfaßt diese Vorrichtung einen von einem Teilstrahl beleuchteten Ringspiegel, der zur Überlagerung der beiden Teilstrahlen dient. Die Teilstrah len entstammen zwei separaten Laserstrahlquellen.

Zum Hintergrund der Erfindung ist ferner festzuhalten, daß 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 Grundmaterial auftritt. Insbesondere beim Laserstrahlschweißen und Laserstrahlsintern 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 Überlagerung zweier Teilstrahlen im Fokus einer Bearbeitungsoptik vorgeschlagen. Ein eindimensionaler Schnitt durch eine solche prozeßangepaßte Intensitätsverteilung ist in 8 gezeigt. Kennzeichnend für die Intensitätsverteilung 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 maximale Wert der Intensität l₂. Dabei ist das Verhältnis der Leistungsanteile P₂ und P₁ in Spitze und Schulter der Intensitätsverteilung einstellbar. Durch diese Intensitätsverteilung wird auch der Werkstoff in der direkten Umgebung der Wechselwirkungsstelle erwärmt und dadurch der Temperaturgradient reduziert und somit das Bearbeitungsergebnis verbessert.

Für die Erzeugung der beschriebenen Intensitätsverteilung ist die getrennte Strahlformung von zwei Laserstrahlen zweckmäßig. Mit einem Rohstrahl 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 Durchmessers erzeugt bei der Fokussierung einen größeren Fokusradius r₁. Die Vereinigung der beiden Laserstrahlen mit der Fokussieroptik erzeugt schließlich die in 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 Ausgangsleistung 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 Achse laufen und daher empfindlich bezüglich einer Defokussierung sind. Polarisierende 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 Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe aus einem Laserstrahl zwei Teilstrahlen zu erzeugen sind, deren Energieverhältnis schnell veränderbar ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, 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 DE 41 08 419 C2 bekannt. Diese Anwendung bezieht sich jedoch 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 Erfindungsgegenstandes anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden.
Es zeigen:
1 bis 7 schematische Prinzipdarstellungen der für die Strahlteilung und -vereinigung sorgenden Anlagenteile von Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtungen in unterschiedlichen Ausführungsformen, und
8 eine prozeßangepaßte Laserstrahl-Intensitätsverteilung, wie sie durch die Vorrichtungen gemäß 1 bis 7 geschaffen werden kann.
Die in 1 dargestellte Vorrichtung ist wie folgt zu beschreiben:
Der Laserstrahl 3 wird von einer langbrennweitigen Optik 4 leicht fokussiert. Ein Ringspiegel 5 mit einer Bohrung 6 in der Mitte und einem reflektierenden Ring 7 koppelt einen Teilstrahl 8 des konvergenten Laserstrahls 3 aus. Durch die Bohrung 6 läuft der transmittierte Laserstrahl 9, der auch von der Bohrung 10 des zweiten Ringspiegels 11 durchgelassen wird. Da dieser Teilstrahl 9 einen kleinen Radius hat, erzeugt er im Fokus 12 der Linse 13 einen großen Brennfleck 14 (Schulter 1) entsprechend dem Radius r₁ der in 8 dargestellten prozeßangepaßten Intensitätsverteilung. Die Spitze der Intensitätsverteilung in 8 mit dem Radius r₂ wird durch den ausgekoppelten, reflektierten Teilstrahl 8 erzeugt. 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 Intensitätsverteilung gemäß 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 einstellen.
Mit Hilfe der adaptiven Optik 16 im Strahlengang des reflektierten Teilstrahls 8 läßt sich der Radius r₂ in der prozeßangepaßten Intensitätsverteilung verändern. Durch eine Änderung der Brennweite der adaptiven Optik 16 ändert sich die Divergenz des Teilstrahl 8, also der Strahlradius auf der Bearbeitungsoptik (Linse 13) und damit auch der erzeugte Fokusradius r₂.
Die in 1 gezeigte Anordnung erfüllt zwar grundsätzlich den erfindungsgemäß 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 berechnet. Die ringförmige Intensitätsverteilung des reflektierten Teilstrahls 8 bleibt im Nahfeld näherungsweise erhalten. Im Fernfeld bildet sich dagegen eine Intensitätsverteilung aus, die ein lokales Maximum auf der Strahlachse hat. Tritt eine durch die Beugung derart veränderte Intensitätsverteilung 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 1 gezeigten Variante.
Durch die beschriebenen Beugungseffekte kommt es also zu einem Leistungsverlust 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 2 dargestellte Optik schaffen. Für diese Figur gilt – wie für alle weiteren 3 bis 6 – daß mit dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 übereinstimmende Teile mit identischen Bezugszeichen versehen sind und keine nochmaligen Erörterung bedürfen. Es wird nur auf die Änderungen bzw. Ergänzungen bei den jeweiligen Varianten gegenüber der Grundversion nach 1 eingegangen.
Bei der in 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 Intensitätsverteilung 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 3 dargestellten Variante der Fall ist. Durch eine Änderung des Abstandes der beiden Linsen 19', 20' des Teleskops 18' ändert sich die Divergenz des transmittierten Teilstrahls, also der Strahlradius auf der Linse 13 und damit ebenfalls das Radiusverhältnis in der prozeßangepaßten Intensitätsverteilung gemäß 8. Insbesondere 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 Leistungsanteil 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 8 in günstiger Weise erzeugt werden kann.
Eine weitere Variante des Erfindungsgegenstandes sieht die Anordnung eines deformierbaren Spiegels in Form einer adaptiven Optik 16' vor der langbrennweitigen Optik 4 vor, wie dies in 4 dargestellt ist. Die Divergenz des Laserstrahls 3 nach der langbrennweitigen Optik 4 hängt von der Brennweite des deformierbaren Spiegels der adaptiven Optik 16' ab. Mit dieser Anordung 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 4 gezeigten Ausführungsform kann die adaptive Optik 16' und die Linse der langbrennweitigen Optik 4 auch durch ein Teleskop 21 mit veränderbarem Abstand der Linsen 22, 23 ersetzt werden (5). Durch eine Veränderung dieses Abstandes kann die Divergenz des Laserstrahls 3 und damit wiederum der Strahlradius am Ort des Ringspiegels 5 und damit das Verhältnis der Intensitäten in den beiden Teilstrahlen 8, 9 eingestellt werden.
In 5 ist das Teleskop 21 als System zweier Linsen positiver Brennweite skizziert. Das Teleskop 21 kann auch unter Verwendung von Spiegeln und/oder Linsen negativer Brennweite realisiert werden.
Die in 6 dargestellte Variante leitet sich direkt aus der in 2 gezeigten Ausführungsform der Erfindung ab. Das hier in den Strahlengang des ausgekoppelten Teilstrahls 8 eingesetzte Teleskop 18'' ist dahingehend 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 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 7 gezeigten Weiterentwicklung des optischen Systems wird der Strahlengang im reflektierten Teilstrahl 8 durch weitere Umlenk-Planspiegel 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 werden kann, die nach einer der beschriebenen Ausführungsbeispiele erzeugt und wieder überlagert werden können. Damit können auch sehr spezielle Intensitätsverteilungen realisiert werden.

Claims

Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung, inbesondere Laser-Schweiß- oder -Sintervorrichtung, mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer prozeßangepaßten 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 unterschiedlichen Strahlengängen durch Auskopplung eines (8) der Teilstrahlen (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 eines der beteiligten Laser- bzw. Teilstrahlen (3, 8, 9).
Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine adaptive Optik (16) als optische Einrichtung im Strahlengang des ausgekoppelten Teilstrahls (9) angeordnet ist.
Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine adaptive Optik (16') im Strahlengang des ungeteilten Laserstrahles (3) angeordnet ist.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ringspiegel (5) im Strahlengang des ungeteilten Laserstrahls (3) in Strahlrichtung gemeinsam mit einem Umlenkspiegel (15) im Strahlengang des ausgekoppelten Teilstrahls (8) verschiebbar angeordnet ist.
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.
Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teleskopanordnung (18'') im Strahlengang des ausgekoppelten Teilstrahls (8) mit relativ zueinander beweglichen Linsen (18'', 20'') zur Divergenzveränderung des Teilstrahls (8) versehen ist.
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.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine langbrennweitige Linsenoptik (4) im Strahlengang des Laserstrahls (3) vor dem ersten Ringspiegel (5).
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet 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).