DE19846368C1 - Vorrichtung zum Schneiden, Schweißen, Bohren oder Abtragen eines Werkstückes mittels eines Laserstrahles - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zum Schneiden, Schweißen, Bohren oder Abtragen eines Werkstückes umfaßt eine Laserlichtquelle, deren Strahl (2) nicht nur durch die übliche Abbildungsoptik (4), sondern zusätzlich durch ein diffraktives Element (3) geleitet wird. In dem diffraktiven Element (3) sind mindestens zwei Segmente ausgebildet, welche mindestens zwei Teilstrahlen (2a, 2b) erzeugen. Die beiden Teilstrahlen (2a, 2b) werden von der Abbildungsoptik (4) in zwei Brennflecke (F¶1¶, F¶2¶) abgebildet. Der erste dieser Brennflecke (F¶1¶) liegt verhältnismäßig nahe an der der Laserlichtquelle zugewandten Fläche (5) des Werkstücks (1), während der zweite Brennfleck (F¶2¶) dem ersten Brennflecks (F¶1¶) in Richtung der Relativbewegung (6) zwischen Laserstrahl (2) und Werkstück (1) nacheilt und einen größeren Abstand von der der Laserlichtquelle zugewandten Fläche (5) des Werkstückes (1) aufweist als der erste Brennfleck (F¶1¶). Hierdurch wird die Qualität des Laserbearbeitungsvorganges verbessert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schneiden, Schweißen Bohren oder Abtragen eines Werktückes mittels eines Laserstrahle nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Es ist bekannt, Werkstücke aus unterschiedlichsten Materialien mit Hilfe von Laserstrahlen zu schneiden, zu schweißen, zu bohren oder abzutragen. Hierzu wird im allgemeinen der von einer Laserlichtquelle mit geeigneter Wellenlänge erzeugte Laserstrahl in einem Brennfleck fokussiert, der verhältnis­ mäßig nahe an derjenigen Fläche des Werkstückes liegt, die der Laserlichtquelle zugewandt ist. Im allgemeinen ist dies die obere Werkstückfläche, so daß nachfolgend vereinfachend von "oberer" Fläche geredet wird, wenn diese Fläche gemeint ist. Durch diese Lage des Brennflecks soll z. B. beim Schneiden des Werkstückes eine gute Qualität der Schnittkanten und eine schmale Schnittfuge erzielt werden. Nachteilig ist dabei ins­ besondere bei verhältnismäßig dicken Werkstücken, daß das Auf­ schmelzen des Materials im Werkstück, welches verhältnismäßig tief im Werkstück liegt, erschwert ist. Insbesondere beim Schnei­ den von Werkstücken entstehen an der Rückseite der Schneidfuge Schnittkanten mit schlechter Qualität, die "Bärte" oder "Grate" des ausgetriebenen Materials tragen.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE 195 11 393 bekannt. Sie weist in der Abbildungsoptik ein dif­ fraktives Element auf, das nicht segmentiert ist. Daher liegen die erzeugten, zueinander versetzten Brennflecke in derselben Brennebene, was zu den oben angesprochenen Problemen bei tiefem Aufschmelzen des Materials im Werkstück führt.

Bei der aus der US 5 690 845 A bekannten Vorrichtung werden zwar Brennflecke in verschiedenen Brennebenen erzeugt; dies geschieht jedoch mit Hilfe konventioneller Optiken.

Die DE 43 17 137 A1 zeigt diffraktive Elemente mit unterschied­ lichen Segemente in einem sogenannten "Vielstrahl-Generator".

Aus der DE-PS 40 24 299 sowie aus der EP-OS 0 098 048 schließ­ lich ist es bekannt, durch Strahlteiler, bei denen es sich um segmentierte Spiegel handelt, mehrere Brennflecke zu er­ zeugen, die in dem Sinne nebeneinanderliegen, daß die effektive Brennweite der Abbildungsoptik für alle Brennflecke die gleiche und ihr Abstand von der Werkstückoberfläche daher identisch ist. Hiermit lassen sich die eingangs beschriebenen Nachteile nicht vermeiden. Zudem sind die hier als Strahlteiler einge­ setzten Spezialspiegel teure Teile, deren optische Eigenschaf­ ten nicht leicht veränderbar sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß eine bessere Materialbearbeitung auch in den weiter von der oberen Fläche des Werkstückes entfernt liegenden Materialbereichen mit einfachen Mitteln möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Erfin­ dung gelöst.

Die erfindungsgemäß zur Strahlteilung eingesetzten diffraktiven Elemente lassen sich sehr kostengünstig herstellen. Durch Wahl der diffraktiven Strukturen auf den einzelnen Segmenten des diffraktiven Elementes können die unterschiedlichsten Abbil­ dungseigenschaften erzeugt werden. Insbesondere ist es so prob­ lemlos möglich, die mittleren Teilstrahlen, die von dem diffrak­ tiven Element entsprechend dessen Segmentzahl erzeugt werden, mit unterschiedlichen effektiven Brennweiten zu versehen, so daß also die durch diese Teilstrahlen erzeugten Brennflecke unterschiedlich tief im Werkstück zu liegen kommen. Gleich­ zeitig können die diffraktiven Strukturen der verschiedenen Segmente problemlos mit unterschiedlichen "off axis"-Anteilen versehen werden, wodurch der gewünschte "seitliche Versatz" der einzelnen Brennflecke entsteht.

Insbesondere beim Schneiden kommt eine Ausgestaltung der Er­ findung zum Einsatz, bei welcher der zweite Brennfleck dem ersten in Richtung der Relativbewegung nacheilt.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Segmente streifenförmig und durch Trennlinien voneinander getrennt, die gerade sind und senkrecht zur Richtung der Relativbewegung verlaufen. An den Trennlinien zwischen den Segmenten, die er­ findungsgemäß an dem diffraktiven Element vorhanden sein müssen, lassen sich Beugungsverluste nicht vollständig vermeiden. Haben diese Trennlinien die oben angegebene Richtung, so liegen die gebeugten Anteile des Laserlichtes in der Ebene, die durch die Achsen der verschiedenen Teilstrahlen aufgespannt wird und damit innerhalb der "Bearbeitungsfront", innerhalb welcher die verschiedenen Brennflecke liegen. Die Beugungsanteile gehen somit energetisch nicht verloren.

Alternativ ist es selbstverständlich auch möglich, die Segmente des diffraktiven Elementes tortenstückförmig auszugestalten. Hierbei müssen jedoch gewisse Beugungsverluste in Kauf genommen werden.

Grundsätzlich ist die Wahl der Segmentzahl innerhalb des diffrak­ tiven Elements beliebig: Um so mehr Segmente, um so mehr hier­ durch erzeugte Brennflecke. Dieses Prinzip läßt sich im Extrem­ fall so ausgestalten, daß die Segmente kontinuierlich ineinander übergehen. Dies bedeutet im Ergebnis eine unendliche Anzahl von Segmenten, denen eine unendliche Anzahl von auf einer Linie, der "Bearbeitungsfront", liegenden, kontinuierlich ineinander übergehenden Brennflecke entspricht.

Ein oder auch mehrere Segmente können unstrukturiert sein. Hier kommen dann ausschließlich die Abbildungseigenschaften der unmodifizierten Abbildungsoptik zum tragen.

Die hohe Flexibilität der Erfindung kommt besonders in der­ jenigen Ausgestaltung zum Ausdruck, bei welcher zumindest eines der Segmente so gestaltet ist, daß seine Abbildungseigenschaf­ ten einen Zylinderanteil enthalten. Somit kann z. B. ein ellip­ tischer oder linenförmiger Brennfleck erzeugt werden. Dieser läßt sich beispeilsweise beim Laserschneiden so auf die Schnitt­ fuge legen, daß die Linie bzw. im Falle eines elliptischen Brennflecks die größere Hauptachse auf die Schnittfuge proje­ ziert wird.

Je nach Wellenlänge des Laserstrahles kann das diffraktive Element aus transmittivem oder reflektivem Material sein.

Besonders bei der Nachrüstung bereits bestehender Vorrich­ tungen ist diejenige Ausgestaltung der Erfindung von großem Vorteil, bei welcher das diffraktive Element eben ist und zusätzlich zu einem abbildenden Element in der Abbildungsoptik vorgesehen ist. Eine bereits existierende Laserbearbeitungsvorrichtung kann so in eine erfindungsgemäße Vorrichtung einfach dadurch umge­ baut werden, daß das ebene diffraktive Element zusätz­ lich in den Strahlengang eingebracht wird.

Selbstverständlich ist es aber auch möglich, daß ein abbildendes Element (z. B. eine Linse oder ein gekrümmter Spiegel) durch Einbringen entsprechender Segmente gleich­ zeitig als diffraktives Element ausgestaltet ist. Zum Nachrüsten einer bereits vorhandenen Vorrichtung muß in diesem Falle das dort vorhandene abbildende Element (Linse oder Spiegel) gegen ein entsprechend modifiziertes, mit diffraktiven Segmenten ausgestattetes abbildendes Element ausgetauscht werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; Es zeigen

Fig. 1: schematisch in der Seitenansicht den Strahlen­ gang einer Vorrichtung zum Schneiden von Werk­ stücken;

Fig. 2: in der Draufsicht in vergrößertem Maßstab das diffraktive Element, welches in der Vor­ richtung von Fig. 1 enthalten ist;

Fig. 3: schematisch den Strahlengang eines zweiten Ausführungsbeispieles einer Vorrichtung zum Schneiden von Werkstücken.

In Fig. 1 ist ein Werkstück, welches bereits teilweise durchschnitten ist, mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet. Es wird von einem Laserstrahl 2 durchtrennt, der von einer in der Zeichnung nicht mehr dargestellten Laser­ lichtquelle erzeugt wird. Der Laserstrahl 2 durchtritt, von der Laserlichtquelle her kommend, zunächst zwei Segmente 3a, 3b eines diffraktiven Elementes 3 (vergleiche insbesondere Fig. 2).

Durch das diffraktive Element 3 werden, wie weiter unter noch näher erläutert wird, aus dem zunächst einheitlichen Laserstrahl 2 zwei Teilstrahlen 2a (in Figur durchgezogen dargestellt) und 2b (in Fig. 1 gestrichelt dargestellt) erzeugt. Der Teilstrahl 2a ist stärker konvergent als der Teilstrahl 2b. Bei dem dargestellten Fall des Laser­ schneidens ist die Ebene, in welcher die Achsen der Teil­ strahlen 2a, 2b liegen, die Schnittebene, in welcher das Werkstück 1 von dem Laserstrahl durchtrennt wird.

Die Teilstrahlen 2a und 2b durchtreten sodann die übliche Abbildungsoptik der Vorrichtung, die im vorliegenden Falle durch eine Sammellinse 4 gebildet wird. Die Sammel­ linse 4 bildet den Teilstrahl 2a in einem ersten Brennfleck (Fokus) F₁ ab, der verhältnismäßig nahe an der oberen Fläche 5 des Werkstückes 1 liegt. Der zweite Teilstrahl 2b wird von der Sammellinse 4 in einem zweiten Brennfleck F₂ abgebildet, der weiter entfernt von der oberen Fläche 5 des Werkstückes 1 liegt. Der Brennpunkt F₂ befindet sich zudem außerhalb der Achse des ursprünglichen Laser­ strahles 2.

Die Funktionsweise der beschriebenen Vorrichtung ist wie folgt:

Wird das zu schneidende Werkstück 1 im Sinne des Pfeiles 6 vorwärtsbewegt, so wird mit dem ersten, der oberen Fläche 5 des Werkstückes 1 nahen Brennpunkt F₁ zunächst das Werkstück 1 oberflächennah aufgeschmolzen, was zu einer guten Qualität der Schnittkanten führt. Der in Schnittrichtung "nacheilende" zweite Brennpunkt F₂ vervollständigt das Aufschmelzen des Materials der Werk­ stückes 1 in denjenigen Bereichen, die der oberen Fläche 5 weiter entfernt liegen, und hilft insbesondere beim Austreiben der Schmelze nach unten, so daß auch die Austrittsstelle des Schnittes eine gute Qualität mit geringer Gratbildung aufweist.

Das diffraktive Element 3, mit welchem aus dem ursprüng­ lichen Laserstrahl die beiden Teilstrahlen 2a und 2b erzeugt werden, ist in Fig. 2 näher dargestellt. Es umfaßt zwei streifenartige Segmente 3a, 3b, die an einer geraden Trennlinie 3c aneinanderstoßen. Innerhalb des Sektors 3b sind diffraktive Strukturen ausgebildet, die sich als nahezu gerade, äquidistante Linien dar­ stellen. Dieses Segment 3b erzeugt den Teilstrahl 2a und damit den ersten Brennpunkt F₁. Das zweite Segment 3a des diffraktiven Elementes 3 enthält diffraktive Strukturen, welche im wesentlichen von konzentrischen Kreisen gebildet sind. Der Mittelpunkt dieser konzentri­ schen Kreise ist gegenüber der Achse des ursprünglichen Laserstrahles 2 versetzt. Auf diese Weise erzeugt das Segment 3a des diffraktiven Elementes 3 den zweiten Teilstrahl 2b und damit den zweiten Brennpunkt F₂ außer­ halb der Achse ("off axis") des primären Laserstrahles 2.

Die Trennlinie 3c liegt senkrecht zur Schnittebene des Werkstückes 1. Dies hat zur Folge, daß Beugungsverluste, die grundsätzlich an der Trennungslinie 3c nicht voll­ ständig vermieden werden können, innerhalb der Schnitt­ ebene liegen und deshalb als Energie für den Schneidvor­ gang nicht verloren gehen.

Die diffraktiven Strukturen in den Segmenten 3a, 3b sind, was der Zeichnung nicht ohne weiteres zu entnehmen ist, so ausgestaltet, daß sich eine gewisse Zylinderlinsen- Wirkung ergibt. Dies bedeutet, daß die Brennflecke F₁ und F₂ nicht kreis- sondern ellipsenförmig sind. Die Lage des Zylinderlinsenanteiles in den Segmenten 3a und 3b des diffraktiven Elementes 3 ist dabei so, daß die längeren Achsen der Brennflecke F₁, F₂ in der Schnitt­ ebene des Werkstückes 1 liegen. Auch hierdurch wird die Schnittwirkung des Laserstrahles 2 verbessert.

In Fig. 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Schneiden von Werkstücken dargestellt, welches sich von dem zuerst anhand der Fig. 1 beschrie­ benen hauptsächlich dadurch unterscheidet, daß transmittive Elemente durch reflektive Elemente ersetzt sind. Da die Funktionen der verschiedenen optischen Elemente im wesentlichen dieselben sind, sind entsprechende Teile mit demselben Bezugszeichen zzgl. 100 gekennzeichnet.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung fällt der von einer nicht mehr dargestellten Laserlichtquelle erzeugte Laserstrahl 102 unter einem Winkel von 45° auf ein als Umlenkspiegel ausgebildetes diffraktives Element 103. Das diffraktive Element 103 ist, ähnlich wie das transmittive diffraktive Element 3 von Fig. 2, in zwei Segmente 103a, 103b unterteilt, die an einer senkrecht zur Schnittebene liegendenen Trennlinie 103c aneinander stoßen.

Die Segmente 103a, 103b tragen diffraktive Strukturen, die - abgesehen von den reflektiven Eigenschaften - mit den diffraktiven Strukturen des diffraktiven Elementes von Fig. 3 übereinstimmen. Dies bedeutet, daß der Laserstrahl 102 in zwei Teilstrahlen 102a (in Fig. 3 durchgezogen dargestellt) und 102b (in Fig. 3 gestrichelt dargestellt) aufgeteilt wird. Beide Teilstrahlen 102a, 102b fallen auf einen abbildenden Spiegel 104. Der von dem entsprechenden Segment des diffraktiven Elementes 103 etwas stärker konvergent gemacht Teilstrahl 102a wird von dem Spiegel 104 auf einen ersten Brennfleck F₁ abgebildet, der verhältnismäßig nahe an der oberen Fläche 105 des Werk­ stückes 101 liegt. Der zweite Teilstrahl 102b wird vom Spiegel 104 in einen zweiten Brennfleck F₂ gebündelt, der weiter von der oberen Fläche 105 des Werkstückes 101 entfernt liegt. Wird das Werkstück 101 im Sinne des Pfeiles 106 vorgeschoben, so ist die Schnittwirkung der beiden Teilstrahlen 102a, 102b ebenso, wie dies oben schon für das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 er­ läutert wurde. Auch in diesem Falle ist es möglich, die diffraktiven Strukturen auf dem diffraktiven Ele­ ment 103 mit einem gewissen Zylinderlinsennanteil zu versehen, so daß die Brennflecke F₁ und F₂ ellipsen­ förmig sind.

Bei beiden oben beschriebenen Ausführungsbeispielen bestand das diffraktive Element 3 bzw. 103 aus zwei Segmenten 3a, 3b bzw. 103a, 103b, was zur Ausbildung von zwei Brennflec­ ken F₁, F₂ führte. Grundsätzlich kann die Segmentierung des diffraktiven Elementes jedoch weiter fortgeführt werden, d. h., die Zahl der enthaltenen Segmente kann über 2 hinaus erhöht werden, mit der Folge, daß eine entspre­ chende Anzahl von Brennflecken entsteht. Die Gestalt der Segmente bleibt vorzugsweise auch in diesem Fall streifen­ förmig; d. h., die einzelnen Segmente werden durch Trenn­ linien voneinander getrennt, die parallel zueinander und senkrecht zur Schnittebene des Werkstückes sind. Diese Ausgestaltung der Segmente als parallele Streifen hat den schon erwähnten Vorteil, daß an den Trennlinien erzeugte Beugungen für den Schneidvorgang energetisch verwendet werden können. Wird auf diesen Vorteil verzichtet, kann die Segmentierung des diffraktiven Elementes auch nach Art von "Tortenstücken" erfolgen, wobei also die Trenn­ linien zwischen den einzelnen Segmenten radial vom Mittel­ punkt nach außen verlaufen.

Nicht dargestellt ist eine Ausführungsform des diffraktiven Elements, bei dem die einzelnen Segmente kontinuierlich ineinander übergehen. Dies kann als diffraktives Element mit einer unendlichen Anzahl von Segmenten verstanden werden. Es erzeugt dementsprechend eine unendliche Anzahl von ineinander übergehenden, im Ergebnis eine Linie bildenden Brennflecken.

Bei den obigen Ausführungsbeispielen waren die diffraktiven Elemente von den Haupt-Abbildungselementen, der Linse 4 bzw. dem Spiegel 104, getrennte Teile. Bei einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sind die diffraktiven Segmente direkt in die Haupt-Abbildungselemente einge­ bracht, wo sie die identische Fumktion ausüben.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Schneiden, Schweißen, Bohren oder Abtragen eine Werkstückes (1; 101) mittels eines Laserstrahles (2; 102) mit

• a) einer den Laserstrahl (2; 102) erzeugenden Laserlicht­ quelle;
• b) einer zumindest ein diffraktives Element aufweisenden Ab­ bildungsoptik (3, 4; 104, 104), welche zumindest einen Teil (2a; 102a) des Laserstrahles (2, 102) zu einem ersten Brennfleck (F₁) in einer ersten Ebene, die derjenigen Fläche (5; 105) des Werkstücks (1; 101) benachbart ist, welche der Laserlichtquelle zugewandt ist, und zumindest einen weiteren Teil (2b; 102b) zu einem weiteren Brennfleck fokussiert, der gegenüber dem ersten Brennfleck seitlich versetzt ist;
• c) einer Einrichtung, welche eine Relativbewegung (6; 106) zwischen dem Laserstrahl (2; 102) und dem Werkstück (1; 101) bewirkt;

dadurch gekennzeichnet, daß

• a) das diffraktive Element (3; 103) mindestens zwei unter­ schiedliche Segmente (3a, 3b; 103a, 103b) umfaßt, wobei
• b) die Segmente (3a, 3b; 103a, 103b) des diffraktiven Elements (3; 103) so gestaltet sind, daß ein erstes Segment (3a; 103a) den ersten Brennfleck (F₁) erzeugt, während das mindestens eine weitere Segement (3b; 103b) mindestens einen der weiteren Brennflecken (F₂) in mindestens einer weiteren Brennebene erzeugt, die einen größeren Abstand von der der Laserlichtquelle zugewandten Fläche (5; 105) des Werkstücks (1; 101) aufweist als die Brennebene des ersten Brennflecks (F₁).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Brennfleck (F₂) dem ersten (F₁) in Richtung der Relativbewegung nacheilt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Segemente (3a, 3b; 103a; 103b) streifenförmig und durch Trennlinien (3c; 103c) voneinander getrennt sind, die gerade sind und senkrecht zur Richtung der Relativbewegung (6; 106) verlaufen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente des diffraktiven Elements tortenstück­ förmig sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente kontinuierlich ineinander übergehen.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Segmente unstrukturiert ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Segmente (3a, 3b; 103a, 103b) so gestaltet ist, daß seine Abbildungs­ eigenschaften einen Zylinderanteil enthalten.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das diffraktive Element (3) aus trans­ mittiven Material ist.