DE19859243A1

DE19859243A1 - Anordnung zum Schweissen, Schneiden, Bohren oder Beschichten mit einer Zweistrahlquelle und Verwendung von Laserstrahlen zum Schweissen, Schneiden, Bohren oder Beschichten von metallischen oder nichtmetallischen Stoffen

Info

Publication number: DE19859243A1
Application number: DE19859243A
Authority: DE
Inventors: Horst Exner; Robby Ebert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-12-22
Filing date: 1998-12-22
Publication date: 2000-07-20

Abstract

Die Erfindung betrifft Anordnungen zum Scheißen, Schneiden, Bohren oder Beschichten mit einer Zweistrahlquelle und die Verwendung von Laserstrahlen zum Schweißen, Schneiden, Bohren oder Beschichten von metallischen oder nichtmetallischen Stoffen. DOLLAR A Die Anordnungen bestehen aus einer Licht emittierenden Pumpquelle, vorzugsweise einem Diodenlaser oder einer Halogenlampe, und daran optisch angekoppelt einer Lichtleitfaser oder einem Laserstab. Durch die optische Kopplung von Faserlaser und Lichtleitfaser entsteht eine einfach zu realisierende Anordnung zur Erzeugung von Laserstrahlung mit hoher Strahlqualität. Es erfolgt eine optimale Energieausnutzung, da die nicht zur Generation der Laserstrahlung verwendete Pumpstrahlung fast vollständig für den Bearbeitungsprozess genutzt wird. DOLLAR A Die Superposition der Pump- und der Laserstrahlung mit unterschiedlicher Strahlqualität führt zu einer Intensitätsverteilung an der Bearbeitungsstelle, die einerseits durch einen großen Durchmesser und andererseits durch einen Intensitätspeak gekennzeichnet ist. DOLLAR A Dadurch ist die Möglichkeit zum Schneiden, Tiefschweißen oder Bohren mit Diodenlaser- oder Halogenlampenstrahlung gegeben. Das Strahlprofil führt zu einer verminderten Aufhärtung an der Bearbeitungsstelle.

Description

Die Erfindung betrifft Anordnungen zum Schweissen, Schneiden, Bohren oder Beschichten mit einer Zweistrahlquelle und die Ver wendung von Laserstrahlen zum Schweissen, Schneiden, Bohren oder Beschichten von metallischen oder nichtmetallischen Stof fen nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1, 3, 10, 15 und 18.

In den überwiegendem Teil der durch die vielfältigsten Veröf fentlichungen bekannten Verfahren und Anordnungen wird die Laserstrahlung eines Lasers zum Schweißen, Schneiden, Bohren oder Beschichten genutzt. Ein Vorwärmen oder ein Nachwärmen der Schweißstelle erfolgt mit dem Bearbeitungsstrahl selbst. Durch die aus ökonomischen Gründen angewandte hohe Bearbeitungsge schwindigkeit kommt es dennoch zu erhöhten Abkühlgeschwindig keiten an der Bearbeitungsstelle, die zur Spannungs- und Riß bildung bei dafür anfälligen Materialien führen können.

Diesem Nachteil begegnet man, indem entweder die Laserstrahlung in Teilstrahlen aufgeteilt wird oder die Laserstrahlung eines zweiten Lasers zusätzlich zur Anwendung kommt. Im ersten Fall wird die Intensität der Laserstrahlung reduziert, während im zweiten Fall der Aufwand wesentlich größer ist.

Faserlaser sind unter anderem durch die DE 28 44 129 (Longitu dinal gepumpter YAG zu Nd³⁺-Faserlaser) bekannt und dienen bisher überwiegend der Nachrichtenübertragung.

Der in den Patentansprüchen 1, 3, 10, 15 und 18 angegebenen Er findung liegt das Problem zugrunde, metallische oder nicht metallische Stoffe mit einer Zweistrahlquelle zu schweissen, schneiden, bohren oder zu beschichten.

Dieses Problem wird mit den in den Patentansprüchen 1, 3, 10, 15 und 18 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Die Anordnungen zum Schweissen, Schneiden, Bohren oder Be schichten mit einer Zweistrahlquelle bestehend aus einer Licht emittierenden Quelle und einer daran optisch angekoppelten Faser oder einem optisch angekoppelten Laserstab zeichnen sich besonders durch ihre einfache Realisierung aus.

Als Licht emittierende Quellen werden ein Diodenlaser oder eine Hochleistungshalogenlampe eingesetzt. Beide Quellen emittieren Strahlen mit einem hohen Strahlparameterprodukt, weshalb diese nur sehr begrenzt fokussiert werden können. Dadurch kann mit solchen Strahlen entsprechend dem Stand der Technik bisher le diglich gehärtet, beschichtet oder wärmeleitgeschweißt werden. Die qualitativ hochwertigeren Strahlverfahren wie Schneiden, Bohren und Tiefschweißen setzen eine hohe Strahlqualität und damit eine gute Fokussierbarkeit der Strahlen, die zu einer hohen Intensität an der Bearbeitungsstelle führt, voraus.

Die Strahlung eines Faser- oder eines Festkörperlasers zeichnet sich durch eine hohe Strahlqualität aus. Mit beiden Laser quellen ist es möglich, Grundmodestrahlung zu erzeugen. Diese läßt sich optimal fokussieren. Die erzeugbare Leistung mit der hohen Strahlqualität ist auf einige 10 W begrenzt. Außerdem läßt sich auch Multimodestrahlung in guter Strahlqualität mit Leistungen bis zu einigen 100 W erzeugen.

Durch die technisch einfache Kombination der qualitativ ver schiedenen Strahlquellen werden mehrere positive Effekte er zielt.

Es erfogt eine optimale Energieausnutzung, da die nicht zur Generation der Laserstrahlung verwendete Pumpstrahlung fast vollständig für den Bearbeitungsprozess zur Verfügung steht. Dazu befindet sich am Ausgang der Lichtleitfaser eine die Pumpstrahlung und die Laserstrahlen bündelnde Einrichtung. Ein Faserlaser kann einfach in die Lichtleitfaser zur Strahl führung integriert werden. Durch die optische Kopplung von Faserlaser und Lichtleitfaser entsteht eine nicht aufwendig zu realisierende Anordnung zum Pumpen des Faserlasers.

Die Superposition der beiden Strahlen unterschiedlicher Strahl qualität führt zu einer Intensitätsverteilung an der Bearbei tungstelle, die einerseits durch einen großen Durchmesser von 0,5 bis 3 mm und andererseits durch einen Peak in der Mitte mit Intensitäten < 10⁶ W/cm² gekennzeichnet ist.

Mit einem solchen Strahlprofil kann vorteilhaft laserbearbeitet werden, da die Abkühlgeschwindigkeit der Bearbeitungsstelle geringer als bei konventioneller Laserbearbeitung ist. Die hohen Abkühlgeschwindigkeiten bei der Laserbearbeitung mit einem Strahl führen bei dazu neigenden Materialien zur Aufhär tung der Schnittkanten, der Schweißnähte oder der abgeschie denen Schichten. Um dies zu vermeiden, wurden bisher aufwendige Zweistrahlanordnungen verwendet. Dies führt zu einem erhöhten ökonomischen Aufwand.

Mit der Verwendung von Diodenlaser- oder Halogenlampenstrahlung kann auf Grund der zu geringen Intensität an der Bearbeitungs stelle bisher nicht effektiv geschnitten, gebohrt oder tiefge schweisst werden, während mit der Verwendung von Faserlaser- oder Nd : YAG-Laserstrahlung hoher Strahlqualität auf Grund der zu geringen Leistung nur Material geringer Dicke bearbeitet werden kann. Durch die Kombination der beiden Strahlqualitäten kann das Einsatzfeld der Diodenlaser- und Halogenlampenstrah lung wesentlich erweitert und der Bearbeitungsprozess ökono mischer gestaltet werden. Die Bearbeitungsverfahren Schneiden, Bohren und Tiefschweißen mit preiswerter Diodenlaser- oder Halogenlampenstrahlung werden durch die verwendete Anordnung überhaupt erst ermöglicht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patent ansprüchen 2, 4 bis 9, 11 bis 14, 16 und 17 angegeben.

Diodenlaser oder Halogenlampen nach den Weiterbildungen der Patentansprüche 2, 4 und 17 erzeugen Strahlung mit einer hohen Effizienz bis zu einer Leistung von mehreren 1000 W.

Beide Strahlquellen sind in den Betriebskosten wesentlich preiswerter als Hochleistungsfestkörper- oder Gaslaser.

Durch die auftretenden Wellenlängen lassen sich die Strahlen verlustarm in einer Lichtleitfaser führen und Festkörperlaser effizient pumpen.

Die Weiterbildung nach Patentanspruch 5 gibt eine preiswerte Möglichkeit an, die Pump- und die Laserstrahlung auf einen Bearbeitungsfleck zusammenzuführen.

Durch die getrennte optische Behandlung der Pump- und der Laserstrahlung werden nach den Weiterbildungen der Patent ansprüche 6, 7 und 11 beide Strahlen auf einem Bearbeitungs fleck optimal zusammengeführt. An der Kollimationsoptik wird die Laserstrahlung ohne optische Beeinflussung durchgeleitet und die Pumpstrahlung so kollimiert, dass die nachfolgende Fokussierlinse beide Strahlen auf einen Fleck fokussiert. Bei Verwendung von Grundmodestrahlung mit geringem Strahldurch messer von z. B. d < 20 µm wird die Laserstrahlung vorzugsweise auch durch die Fokussierlinse durchgeleitet.

Die Weiterbildungen nach den Patentansprüchen 8, 12 und 14 er lauben die Erzeugung einer hohen Intensität im Fokus. Das ist insbesondere bei Laserstrahlung mit einem größeren Strahl durchmesser von z. B. d < 50 µm und einer schlechteren Strahl qualität vorteilhaft.

Die Mikrooptiken nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 sind ökonomisch günstig am Ende des Faserlasers anzubringen.

Mit der Weiterbildung des Patentanspruchs 13 wird der Laseraus koppelspiegel eingespart.

Die Weiterbildung des Anspruches 16 erlaubt eine kompakte Lö sung zur Kopplung von Laserstab und Lichtleitfaser.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dar gestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung einer Anordnung zum Schweissen, Schneiden, Bohren oder Beschichten bestehend aus einer Licht emittierenden Quelle, einem Faserlaser und einer nachgeordneten Optik,

Fig. 2 eine prinzipielle Darstellung einer Anordnung zum Schweissen, Schneiden, Bohren oder Beschichten bestehend aus einer Licht emittierenden Pumpquelle, einem Faser laser, einer kollimierenden und einer fokussierenden Linse,

Fig. 3 eine prinzipielle Darstellung einer Anordnung zum Schweissen, Schneiden, Bohren oder Beschichten bestehend aus einer Licht emittierenden Pumpquelle, einem Faser laser, einer kollimierenden Linse mit Öffnung sowie einer fokussierenden Linse,

Fig. 4 eine prinzipielle Darstellung einer Anordnung zum Schweissen, Schneiden, Bohren oder Beschichten bestehend aus einer Licht emittierenden Pumpquelle, einem Faser laser mit einer Mikrooptik, einer kollimierenden und einer fokussierenden Linse,

Fig. 5 eine prinzipielle Darstellung einer Anordnung zum Schweissen, Schneiden, Bohren oder Beschichten bestehend aus einer Licht emittierenden Pumpquelle, einem Laser stab, einer kollimierenden und einer fokussierenden Linse,

Fig. 6 eine prinzipielle Darstellung einer Anordnung zum Schweissen, Schneiden, Bohren oder Beschichten bestehend aus einem Laserstab, einer kollimierenden Linse mit Laserauskoppelspiegel und konkavem Innenbereich und einer fokussierenden Linse,

Fig. 7 eine prinzipielle Darstellung einer Anordnung zum Schweissen, Schneiden, Bohren oder Beschichten bestehend aus einem Laserstab, einem Laserauskoppelspiegel mit konkaver Auskoppelfläche sowie einer kollimierenden und einer fokussierenden Linse,

Fig. 8 eine prinzipielle Darstellung einer Anordnung zum Schweissen, Schneiden, Bohren oder Beschichten bestehend aus einer Einkoppeloptik mit Laserendspiegel, einem Laserstab mit Auskoppelspiegel sowie einer Abbildungs optik und

Fig. 9 eine Darstellung des Querschnitts der Strahlintensität.

1. Ausführungsbeispiel

Die Anordnung zum Schweissen, Schneiden, Bohren oder Beschich ten besteht in einem ersten Ausführungsbeispiel aus einer Zwei strahlquelle, einer Lichtleitfaser 2 und einer Licht fokussie renden Einrichtung 4 entsprechend der Darstellung in der Fig. 1.

In Strahlrichtung ist nach einer Licht emittierenden Quelle 1 die Lichtleitfaser 2 angekoppelt. In der Lichtleitfaser 2 ist ein Laserstrahlung emittierender Faserlaser 3 angeordnet.

Die Licht emittierende Quelle 1 ist eine Halogenlampe mit hoher Leistung.

In Strahlrichtung unmittelbar nach der Lichtleitfaser 2 ist die das restliche Licht der Licht emittierenden Quelle 1 und die Laserstrahlung des Faserlasers 3 fokussierende Einrichtung 4 angekoppelt. Die eingesetzte Optik bildet gleichzeitig sowohl die aus der Lichtleitfaser 2 austretende restliche Lichtstrah lung der Licht emittierenden Quelle 1 als auch die Laserstrah lung des Faserlasers 3 vom Faserende auf die Bearbeitungsstelle 5 ab.

2. Ausführungsbeispiel

Die Anordnung zum Schweissen, Schneiden, Bohren oder Beschich ten besteht in einem zweiten Ausführungsbeispiel aus einer Licht emittierenden Pumpquelle 1, einer Lichtleitfaser 2 mit einem integrierten Faserlaser 3, einer kollimierenden Linse 6 und einer fokussierenden Linse 7 (Darstellung in der Fig. 2). In Strahlrichtung nach der Licht emittierenden Pumpquelle 1 in Form eines Diodenlasers vorzugsweise mit einer Leistung von 2 kW als erste Strahlquelle der Zweistrahlquelle ist die Lichtleit faser 2 mit einem Durchmesser von 1,5 mm angekoppelt. Die Diodenlaserstrahlung weist ein Strahlparameterprodukt von 200 mm × mmrad auf, wodurch eine verlustarme Einkopplung in die Lichtleitfaser 2 möglich ist. Die Wellenlänge des Diodenlasers beträgt ca. 808 nm. In der Lichtleitfaser 2 befindet sich ein optisch leitend mit der Lichtleitfaser 2 verbundener und Laser strahlung 8 emittierender Faserkern mit einem Durchmesser von 150 µm - der Faserlaser 3 - als zweite Strahlquelle der Zwei strahlquelle. Der Faserkern besteht aus Nd : Glas. Der Eingang der Lichtleitfaser 2 ist für das Licht der Pumpquelle 1 ent spiegelt und für die Laserstrahlung 8 des Faserkerns verspie gelt. Üblicherweise erfolgt die Entspiegelung der Lichtleit faser 2 durch das Aufbringen dielektrischer Schichten und die Verspiegelung des Faserlasers 3 durch ein in den Faserkern eingeschriebenes Bragg-Gitter. Damit wird das Licht der Pump quelle 1 in die Lichtleitfaser 2 optimal eingekoppelt. Für die Laserstrahlung 8 des Faserkerns ist der Eingang ein Laserend spiegel.

Der Ausgang der Lichtleitfaser 2 ist für die Laserstrahlung 8 des Faserkerns teilweise verspiegelt und für das Licht der Pumpquelle 1 entspiegelt. Damit ist zum einen ein Laseraus koppelspiegel vorhanden und zum anderen tritt gleichzeitig das restliche Licht 9 der Pumpquelle 1 verlustarm aus der Licht leitfaser 2 aus.

In Strahlrichtung nach der Lichtleitfaser 2 ist eine das Faserende abbildende Einrichtung nachgeordnet. Die abbildende Einrichtung besteht aus einer kollimierenden 6 und einer in Strahlrichtung danach angeordneten fokussierenden Linse 7. Der Abbildungsmaßstab beträgt 1,5 : 1.

Das Ergebnis ist ein Strahl, der durch die Superposition von Pump- und Laserstrahlung 8 zu einer Intensitätsverteilung an der Bearbeitungsstelle 5 führt, die einerseits durch einen Durchmesser von lmm und andererseits durch einen Peak in der Mitte mit Intensitäten < 10⁶ W/cm² gekennzeichnet ist (Darstel lung der Fig. 9). Die Peakleistung an der Bearbeitungsstelle 5 beträgt ca. 100 W und ist auf einem Durchmesser von 100 µm kon zentriert. Die Leistung der restlichen Pumpstrahlung 9 beträgt ca. 1 kW.

In einer Variante des Ausführungsbeispiels besitzt die kolli mierende Linse 6 in der Symmetrieachse eine Öffnung 10, die größer als der Querschnitt des Faserkerns ausgebildet ist. In der Öffnung 10 ist der Endbereich des Faserkerns angeordnet. Dadurch wird die Laserstrahlung 8 ohne Beeinflußung durch die kollimierende Linse 6 geführt.

Mit der nachgeordneten fokussierenden Linse 7 wird sowohl das restliche Licht 9 der Pumpquelle 1 als auch die Laserstrahlung 8 des Faserkerns auf die Bearbeitungsstelle 5 kollimiert (Dar stellung in der Fig. 3).

In einer weiteren Variante ist an das Ende der Lichtleitfaser 2 begrenzt auf den Durchmesser des Faserkerns eine Mikrooptik 11 aufgebracht. Diese führt zur Aufweitung der Laserstrahlung 8. Dadurch werden sowohl die aufgeweitete Laserstrahlung 8 als auch das restliche Licht 9 gemeinsam kollimiert und fokussiert (Darstellung in der Fig. 4).

In einer nächsten Variante wird ein Diodenlaser mit einer Wel lenlänge von ca. 970 nm zum Pumpen einer mit Ytterbium dotierten Faser eingesetzt. Die emittierte Laserstrahlung weist eine Wel lenlänge von ca. 1060 nm auf. Durch die geringe Differenz zwi schen Pump- und Laserwellenlänge kann die abbildende Einrich tung einfach gestaltet werden (Darstellungen entsprechend der Fig. 2 bis 4).

3. Ausführungsbeispiel

Die Anordnung zum Schweissen, Schneiden, Bohren oder Beschich ten besteht in einem dritten Ausführungsbeispiel prinzipiell aus einer Licht emittierenden Pumpquelle 1 in Form eines Dio denlasers großer Leistung, einem Laserstab 12, einer kolli mierenden Linse 6 und einer fokussierenden Linse 7 (Darstellung in der Fig. 5). Der Laserstab 12 ist in Strahlrichtung nach der Licht emittierenden Pumpquelle 1 angekoppelt.

Der Eingang des Laserstabs 12 ist für das Licht der Pumpquelle 1 entspiegelt und für die Laserstrahlung 8 verspiegelt. Damit wird das Licht der Pumpquelle 1 weitestgehend ungehindert in den Laserstab 12 eingekoppelt und gleichzeitig ist ein Laser endspiegel 13 vorhanden.

Der Ausgang des Laserstabs 12 ist sowohl für das Licht der Pumpquelle 1 als auch für die Laserstrahlung 8 entspiegelt. In Strahlrichtung nach dem Laserstab 12 befindet sich ein La serauskoppelspiegel 14, der für das Licht der Pumpquelle 1 ent spiegelt und für die Laserstrahlung 8 teilweise verspiegelt ist.

In Strahlrichtung nach dem Laserauskoppelspiegel 14 ist eine das restliche Licht 9 der Pumpquelle 1 und die Laserstrahlung 8 fokussierende Einrichtung angeordnet.

Die Einrichtung besteht aus einer kollimierenden 6 und einer in Strahlrichtung danach angeordneten fokussierenden Linse 7. Die kollimierende Linse 6 formt die aus dem Laserstab 12 aus tretenden restlichen divergenten Lichtstrahlen 9 der Pumpquelle 1 in annähernd parallele Strahlen um. Die mittleren Bereiche der kollimierenden Linse 6 sind als parallel zueinander ange ordnete und plane Flächen 15a, 15b ausgeführt. Die Symmetrie achse der kollimierenden Linse 7 ist gleich der Mitte dieser planen Flächen 15a, 15b. Die planen Flächen 15a, 15b sind ge ringfügig größer als der Querschnitt der Laserstrahlung 8 des Laserstabs 12. Weiterhin sind diese planen Flächen 15a, 15b für die Laserstrahlung 8 des Laserstabs 12 entspiegelt. Damit ge langen die Laserstrahlen 8 weitestgehend unbeeinflußt durch die kollimierende Linse 6.

Die in Strahlrichtung nachgeordnete fokussierende Linse 7 der Einrichtung fokussiert sowohl die kollimierten restlichen Lichtstrahlen 9 der Pumpquelle 1 als auch die Laserstrahlung 8 des Laserstabs 12 auf die Bearbeitungsstelle 5.

Das Ergebnis ist ein Strahl, der zu einer Intensitätsverteilung an der Bearbeitungsstelle 5 führt, die einerseits durch einen großen Durchmesser von 0,5 bis 3 mm und andererseits durch einen Peak in der Mitte mit Intensitäten < 10⁶ W/cm² gekennzeichnet ist (Darstellung in der Fig. 9).

In einer Variante dieses Ausführungsbeispiels ist der Laseraus koppelspiegel 14 gleichzeitig die in Strahlrichtung erste plane Fläche 15a der kollimierenden Linse 6.

In einer weiteren Variante wird die Laserstrahlung 8 an kon kaven oder konvexen Flächen 15c eines Laserspiegels 16 oder einer Kollimationsoptik 6 aufgeweitet. Dies führt zur besseren Fokussierbarkeit der Laserstrahlung 8 (Darstellungen der Fig. 6 und 7).

In einer nächsten Variante des Ausführungsbeispiels ist der Laserstab durch Dotieren des Endstückes einer Lichtleitfaser mit Neodym entstanden. Der Laserendspiegel wird durch ein Bragg-Gitter in der Faser realisiert. In der vor dem Bereich des Lasers befindlichen Lichtleitfaser wird die Pumpstrahlung zum Laserstab geleitet.

4. Ausführungsbeispiel

Die Anordnung zum Schweissen, Schneiden, Bohren oder Beschich ten besteht in einem vierten Ausführungsbeispiel aus einer Licht emittierenden Pumpquelle 1 in Form eines Diodenlasers mit 2 kW Leistung und einer Wellenlänge von 808 nm, einem Nd : YAG Laserstab 12 mit einem Durchmesser von 1,5 mm und einer Länge von 100 mm, einer kollimierenden Linse 6 und einer fokussieren den Linse 7 (Darstellung in der Fig. 8). Der Nd : YAG Laserstab 12 ist in Strahlrichtung nach dem Diodenlaser angekoppelt. Eine nach dem Diodenlaser angeordnete Einkoppelungsoptik 18 ist für die Diodenlaserstrahlung 17 entspiegelt und für die Nd : YAG Laserstrahlung 8 verspiegelt. Sie stellt damit den Endspiegel 13 des Nd : YAG Laserstabs 12 dar. Durch eine konkave Krümmung wird die Justage des Nd : YAG Laserstabs 12 vereinfacht.

Der Eingang des Nd : YAG Laserstabs 12 ist für die Diodenlaser strahlung 17 und für die Nd : YAG Laserstrahlung 8 entspiegelt. Damit wird die Diodenlaserstrahlung 17 weitestgehend ungehin dert in den Nd : YAG Laserstab 12 eingekoppelt.

Der Ausgang des Nd : YAG Laserstabs 12 ist für die Diodenlaser strahlung 17 entspiegelt und für die Nd : YAG Laserstrahlung 8 teilweise verspiegelt, wodurch der Laserauskoppelspiegel 14 gebildet wird.

In Strahlrichtung nach dem Laserauskoppelspiegel 14 ist eine die restliche Diodenlaserstrahlung 9 und die Nd : YAG Laserstrah lung 8 abbildende Einrichtung angeordnet. Der Abbildungsmaßstab beträgt 1,5 : 1.

Das Ergebnis ist ein Strahl, der durch die Superposition von Diodenlaserstrahlung 9 als Pumpstrahlung und Nd : YAG Laserstrah lung 8 zu einer Intensitätsverteilung an der Bearbeitungsstelle 5 führt, die einerseits durch einen Durchmesser von 1 mm und andererseits durch einen Peak in der Mitte mit Intensitä ten < 10⁶ W/cm² gekennzeichnet ist (Darstellung in der Fig. 9). Die Peakleistung an der Bearbeitungsstelle 5 beträgt ca. 200 W und ist auf einem Durchmesser von 100 µm konzentriert. Die Leis tung der restlichen Diodenlaserstrahlung beträgt ca. 0,9 kW.

In einer Variante des Ausführungsbeispiels ist der Laserstab durch dotieren des Endstückes einer Lichtleitfaser mit Neodym entstanden. Der Laserauskoppelspiegel wird durch ein Bragg- Gitter in der Faser realisiert. In der nach dem Bereich des Lasers befindlichen Lichtleitfaser wird die Pump- und die Laserstrahlung gemeinsam weitergeleitet.

5. Ausführungsbeispiel

In einem fünften Ausführungsbeispiel werden die Lichtstrahlen einer Zweistrahlanordnung zum Schweissen, Schneiden, Bohren oder Beschichten von metallischen oder nichtmetallischen Stof fen verwendet.

Die Zweistrahlanordnung besteht aus einer Licht emittierenden Quelle und entweder einem Faserlaser oder einem Laserstab. Der Aufbau der Anordnungen ist in den Ausführungsbeispielen eins bis vier aufgeführt.

Dabei wird das Licht der Pumpquelle oder das restliche Licht der Pumpquelle zum Vor- und/oder Nachheizen der zu bearbeiten den Gebiete und/oder zur besseren Einkopplung der Laserstrah lung und die Laserstrahlung des Faserlasers oder des Laserstabs zum Schweissen, Schneiden, Bohren oder Beschichten der metalli schen oder nichtmetallischen Stoffe verwendet. So kann z. B. Aluminium mit einer Diodenlaserwellenlänge von 808 nm vorteil haft aufgeheizt und die Absorption für die Laserwellenlänge erhöht werden.

Im Ergebnis ist ein Strahl vorhanden, der zu einer Intensitäts verteilung an der Bearbeitungsstelle führt, die einerseits durch einen großen Durchmesser von 0,5 bis 3 mm und andererseits durch einen Peak in der Mitte mit Intensitäten < 10⁶ W/cm² ge kennzeichnet ist. Mit einem solchen Strahlprofil kann quali tativ vorteilhaft laserbearbeitet werden, da durch den großen Strahldurchmesser die Abkühlgeschwindigkeit der Bearbeitungs stelle geringer als bei konventioneller Laserbearbeitung ist. Die hohen Abkühlgeschwindigkeiten bei der Laserbearbeitung mit einem Strahl führen bei dazu neigenden Materialien zur Auf härtung der Schnittkanten, der Schweißnähte oder der abgeschie denen Schichten.

Die Energieausnutzung ist durch die Verwendung von Diodenlaser- oder Halogenlampengeräten gegenüber konventionellen Laserquel len stark erhöht. Durch die zusätzliche Nutzung der Restpump strahlung können die Bearbeitungsverfahren energetisch sehr effektiv ausgeführt werden.

Claims

1. Anordnung zum Schweissen, Schneiden, Bohren oder Beschichten mit einer Zweistrahlquelle, dadurch gekennzeichnet, dass in Strahlrichtung nach einer Licht emittierenden Quelle (1) eine Lichtleitfaser (2) angekoppelt ist, dass sich in der Lichtleitfaser (2) ein Laserstrahlung emittierender Faserlaser (3) befindet, dass eine die Lichtstrahlung und die Laserstrahlung gleichzeitig fokussierende Einrichtung (4) nachgeordnet ist.

2. Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht emittierende Quelle (1) ein Diodenlaser oder eine Halogenlampe ist.

3. Anordnung zum Schweissen, Schneiden, Bohren oder Beschichten mit einer Zweistrahlquelle insbesondere nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Strahlrichtung nach einer Licht emittierenden Pumpquelle (1) eine Lichtleitfaser (2) angekoppelt ist, dass sich in der Lichtleitfaser (2) ein optisch leitend mit der Lichtleitfaser (2) verbundener und Laserstrahlung emittierender Faserkern als Faserlaser (3) befindet, dass der Eingang der Lichtleitfaser (2) für das Licht der Pumpquelle (1) entspiegelt und für die Laserstrahlung des Faserkerns verspiegelt ist, dass der Ausgang der Lichtleitfaser (2) für die Laserstrahlung des Faserkerns teilweise verspiegelt und für das Licht der Pumpquelle (1) entspiegelt ist und dass eine die Laserstrahlung des Faserkerns und das restliche Licht der Pumpquelle (1) fokussierende Einrichtung nachgeordnet ist.

4. Anordnung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht emittierende Pumpquelle (1) ein Diodenlaser ist.

5. Anordnung nach einem der Patentansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die fokussierende Einrichtung eine für die Lichtstrahlung und die Laserstrahlung entspiegelte und das Faserende abbildende Optik (4) ist.

6. Anordnung nach einem der Patentansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die fokussierende Einrichtung aus einer kollimierenden (6) und einer fokussierenden Linse (7) besteht und dass mindestens die kollimierende Linse (6) eine in der Symmetrieachse angeordnete, den Faserkern aufnehmende und führende Öffnung (10) aufweist.

7. Anordnung nach einem der Patentansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die fokussierende Einrichtung aus einer kollimierenden (6) und einer fokussierenden Linse (7) besteht und dass mindestens die kollimierende Linse (7) in der Symmetrieachse parallel zueinander angeordnete, plane, für die Laserstrahlung entspiegelte und den Laserstrahl führende Flächen (15a, 15b) aufweist.

8. Anordnung nach einem der Patentansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die fokussierende Einrichtung aus einer zerstreuenden, einer kollimierenden (6) und einer fokussierenden Linse (7) besteht, dass die zerstreuende Linse unmittelbar am Ausgang des Faserlasers (3) angebracht ist und dass sich die kollimierende (6) und die fokussierende Linse (7) im Strahlengang der aufgeweiteten Laser- (8) und der Lichtstrahlung befinden.

9. Anordnung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zerstreuende Linse als konkave oder konvexe oder Fresnel-Mikrooptik oder als beugende Mikrooptik mit dem Durchmesser des Faserkerns ausgeführt ist.

10. Anordnung zum Schweissen, Schneiden, Bohren oder Beschichten mit einer Zweistrahlquelle insbesondere nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Strahlrichtung nach einer Licht emittierenden Pumpquelle (1) eine Lichtleitfaser oder ein Laserstab (12) angekoppelt, dass zum einen der Eingang des Laserstabs (12) für das Licht der Pumpquelle (1) entspiegelt und für die Laserstrahlung (8) verspiegelt oder zum anderen der Eingang des Laserstabs (12) für die Laserstrahlung verspiegelt und die Lichtleitfaser fest an dem Eingang des Laserstabs (12) angekoppelt, dass der Ausgang des Laserstabs (12) für das Licht der Pumpquelle (1) und die Laserstrahlung (8) entspiegelt ist, dass ein Laserauskoppelspiegel (14, 15a oder 15b) nachgeordnet, dass der Laserauskoppelspiegel (14, 15a oder 15b) für das Licht der Pumpquelle (1) entspiegelt und für die Laserstrahlung (8) teilweise verspiegelt und dass in Strahlrichtung nach dem Laserauskoppelspiegel (14, 15a oder 15b) eine das restliche Licht (9) der Pumpquelle (1) und die Laserstrahlung (8) fokussierende Einrichtung angeordnet sind.

11. Anordnung nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die fokussierende Einrichtung aus einer kollimierenden (6) und einer fokussierenden Linse (7) besteht und dass mindestens die kollimierende Linse (7) in der Symmetrieachse parallel zueinander angeordnete, plane, für die Laserstrahlung entspiegelte und den Laserstrahl führende Flächen (15a, 15b) aufweist.

12. Anordnung nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die fokussierende Einrichtung aus einer kollimierenden (6) und einer fokussierenden Linse (7) besteht und dass die kollimierende Linse (7) in der Symmetrieachse parallel zueinander angeordnete, konkave oder konvexe, für die Laserstrahlung entspiegelte und den Laserstrahl aufweitende Flächen (15c) aufweist.

13. Anordnung nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die fokussierende Einrichtung aus einer kollimierenden (6) und einer fokussierenden Linse (7) besteht, dass mindestens die kollimierende Linse (6) in der Symmetrieachse parallel zueinander angeordnete und plane, konvexe oder konkave Flächen (15a, 15b) aufweist und dass eine dieser Flächen (15a oder 15b) der kollimierenden Linse gleichzeitig der Laserauskoppelspiegel (14) ist.

14. Anordnung nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserauskoppelspiegel (14) an der dem Laserstab (12) abgewandten Seite konkav oder konvex (15c) ausgeführt ist und dass die fokussierende Einrichtung aus zwei die aufgeweiteten Laser- und die Lichtstrahlen kollimierenden (6) und fokussierenden Linsen (7) besteht.

15. Anordnung zum Schweissen, Schneiden, Bohren oder Beschichten mit einer Zweistrahlquelle insbesondere nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Strahlrichtung nach einer Licht emittierenden Pumpquelle (1) nacheinander eine Einkoppeloptik (18) und ein Laserstab (12) angekoppelt sind, dass die Einkoppeloptik (18) der Lichtstrahlung in Richtung Laserstab (12) eine konkave, konvexe oder plane als Laserendspiegel (13) für die Laserstrahlung (8) ausgebildete Fläche aufweist, dass mindestens die Fläche für die Laserstrahlung (8) verspiegelt, dass der Eingang des Laserstabs (12) für das Licht der Pumpquelle (1) und für die Laserstrahlung (8) entspiegelt, dass zum einen der Ausgang des Laserstabs (12) für das Licht der Pumpquelle (1) entspiegelt und für die Laserstrahlung (8) teilweise verspiegelt oder zum anderen der Ausgang des Laserstabs (12) für die Laserstrahlung teilweise verspiegelt und eine Lichtleitfaser fest an den Laserstab (12) angekoppelt und dass in Strahlrichtung nach dem Ausgang des Laserstabs (12) oder der Lichtleitfaser eine für das restliche Licht (9) der Pumpquelle (1) und die Laserstrahlung (8) entspiegelte und den Ausgang des Laserstabs (12) oder der Lichtleitfaser abbildende Optik angeordnet sind.

16. Anordnung nach einem der Patentansprüche 10 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstab (12) eine im Endstück dotierte Lichtleitfaser ist.

17. Anordnung nach einem der Patentansprüche 10 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht emittierende Pumpquelle (1) ein Diodenlaser ist.

18. Verwendung von Laserstrahlen zum Schweissen, Schneiden, Bohren oder Beschichten von metallischen oder nichtmetallischen Stoffen, dadurch gekennzeichnet, dass das Schweissen, Schneiden, Bohren oder Beschichten der metallischen oder nichtmetallischen Stoffe mit der Strahlung einer Zweistrahl anordnung bestehend aus einer Licht emittierenden Quelle und entweder einer Laserfaser oder einem Laserstab erfolgt und dass das Licht der Pumpquelle oder das restliche Licht der Pumpquelle zum Vor- und/oder Nachheizen der zu bearbeitenden Gebiete und/oder zur besseren Einkopplung der Laserstrahlung verwendet wird.