DE19859243A1 - Twin beam laser processing equipment for welding, cutting, drilling or coating metallic or non-metallic materials comprises a light source, a fiber laser located in an optical fiber and a common light and laser radiation focusing device - Google Patents
Twin beam laser processing equipment for welding, cutting, drilling or coating metallic or non-metallic materials comprises a light source, a fiber laser located in an optical fiber and a common light and laser radiation focusing deviceInfo
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Abstract
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.The invention relates to arrangements for welding, cutting, Drilling or coating with a two-beam source and the ver Use of laser beams for welding, cutting, drilling or coating metallic or non-metallic material fen according to the preambles of claims 1, 3, 10, 15 and 18th
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.In the vast majority of which by the most diverse publishers known processes and arrangements will Laser radiation from a laser for welding, cutting, drilling or coating used. A preheating or a reheating of the The weld is made with the processing beam itself the high machining area used for economic reasons speed, there is nevertheless an increased cooling rate at the processing point, causing tension and cracking education with susceptible materials.
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.This disadvantage is countered by either laser radiation is divided into partial beams or the laser radiation of a second laser is also used. In the first case the intensity of the laser radiation is reduced, while in second case the effort is much greater.
Faserlaser sind unter anderem durch die DE 28 44 129 (Longitu dinal gepumpter YAG zu Nd3+-Faserlaser) bekannt und dienen bisher überwiegend der Nachrichtenübertragung. Fiber lasers are known inter alia from DE 28 44 129 (Longitu dinal pumped YAG to Nd 3+ fiber lasers) and have so far mainly been used for message transmission.
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.The He specified in claims 1, 3, 10, 15 and 18 the underlying problem is metallic or not welding metallic materials with a two-beam source, cut, drill or coat.
Dieses Problem wird mit den in den Patentansprüchen 1, 3, 10, 15 und 18 aufgeführten Merkmalen gelöst.This problem is solved with the in claims 1, 3, 10, 15 and 18 features resolved.
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.The arrangements for welding, cutting, drilling or loading layers with a two-beam source consisting of one light emitting source and an optically coupled to it Fiber or an optically coupled laser rod stand out particularly by their simple implementation.
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.A diode laser or a are used as light-emitting sources High-performance halogen lamp used. Both sources emit Blasting with a high beam parameter product, which is why this can only be focused to a very limited extent. This allows using such rays according to the prior art so far le digitally hardened, coated or thermally welded. The higher quality blasting processes like cutting, Drilling and deep welding set high beam quality and thus a good focusability of the rays that lead to a leads to high intensity at the processing point.
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.The radiation from a fiber or a solid-state laser draws is characterized by a high beam quality. With both lasers sources, it is possible to generate basic mode radiation. This can be optimally focused. The power that can be generated with the high beam quality is limited to some 10 W. Moreover can also use multimode radiation in good beam quality Generate powers up to several 100 W.
Durch die technisch einfache Kombination der qualitativ ver schiedenen Strahlquellen werden mehrere positive Effekte er zielt. The technically simple combination of qualitatively ver Different beam sources will have several positive effects aims.
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.It makes optimal use of energy because it is not used Generation of laser radiation almost used pump radiation is fully available for the machining process. There is a die at the output of the optical fiber Pump radiation and the laser beam focusing device. A fiber laser can easily be beamed into the optical fiber leadership can be integrated. Through the optical coupling of Fiber lasers and optical fibers do not result in a complex process Realizing arrangement for pumping the fiber laser.
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.The superposition of the two beams of different beam quality leads to an intensity distribution at the processing point, which is characterized on the one hand by a large diameter of 0.5 to 3 mm and on the other hand by a peak in the middle with intensities <10 6 W / cm 2 .
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.Laser beam machining can advantageously be carried out with such a beam profile because the cooling rate of the machining point is lower than with conventional laser processing. The high cooling speeds during laser processing a beam lead to the hardening of materials that tend to it cut edges, welds or the cut those layers. To avoid this, elaborate processes have so far been used Two-beam arrangements used. This leads to an increased economic effort.
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.With the use of diode laser or halogen lamp radiation can be due to the low intensity of the machining have so far not effectively cut, drilled or deep-drawn be welded while using fiber laser or Nd: YAG laser radiation of high beam quality due to the only low thickness material processed at low output can be. By combining the two jet qualities can the field of application of the diode laser and halogen lamp beam development significantly and the machining process economically mixer can be designed. The machining processes cutting, Drilling and deep welding with inexpensive diode laser or Halogen lamp radiation are used by the arrangement made possible at all.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patent ansprüchen 2, 4 bis 9, 11 bis 14, 16 und 17 angegeben.Advantageous embodiments of the invention are in the patent claims 2, 4 to 9, 11 to 14, 16 and 17 specified.
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.Diode lasers or halogen lamps according to the further developments of Claims 2, 4 and 17 generate radiation with a high Efficiency up to an output of several 1000 W.
Beide Strahlquellen sind in den Betriebskosten wesentlich preiswerter als Hochleistungsfestkörper- oder Gaslaser.Both beam sources are essential in the operating costs cheaper than high-performance solid-state or gas lasers.
Durch die auftretenden Wellenlängen lassen sich die Strahlen verlustarm in einer Lichtleitfaser führen und Festkörperlaser effizient pumpen.The rays can be separated by the occurring wavelengths Guide low-loss in an optical fiber and solid-state laser pump efficiently.
Die Weiterbildung nach Patentanspruch 5 gibt eine preiswerte Möglichkeit an, die Pump- und die Laserstrahlung auf einen Bearbeitungsfleck zusammenzuführen.The training according to claim 5 gives an inexpensive Possibility of pumping and laser radiation on one Merge machining stain.
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.Due to the separate optical treatment of the pump and the According to the further developments of the patent, laser radiation claims 6, 7 and 11 both beams on one machining optimally merged stain. At the collimation optics the laser radiation is passed through without optical interference and the pump radiation collimates so that the subsequent one Focusing lens focused both beams on one spot. At Use of basic mode radiation with low beam through knife from z. B. d <20 microns, the laser radiation is preferred also passed through the focusing lens.
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.The further developments according to claims 8, 12 and 14 he focus on generating high intensity. This is especially with laser radiation with a larger beam diameter of z. B. d <50 microns and a poorer beam quality advantageous.
Die Mikrooptiken nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 sind ökonomisch günstig am Ende des Faserlasers anzubringen.The micro-optics according to the further development of claim 9 are economical to attach to the end of the fiber laser.
Mit der Weiterbildung des Patentanspruchs 13 wird der Laseraus koppelspiegel eingespart.With the development of claim 13, the laser is off coupling mirror saved.
Die Weiterbildung des Anspruches 16 erlaubt eine kompakte Lö sung zur Kopplung von Laserstab und Lichtleitfaser.The development of claim 16 allows a compact Lö solution for coupling the laser rod and optical fiber.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dar gestellt und werden im folgenden näher beschrieben.Embodiments of the invention are shown in the drawings and are described in more detail below.
Es zeigen:Show it:
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. 1 shows a schematic representation of an arrangement for welding, cutting, drilling or coating consisting of a light emitting source, a fiber laser and a downstream optics,
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. 2 is a schematic representation of an arrangement for welding, cutting, drilling or coating consisting of a light emitting pumping source, a fiber laser, a collimating and a focusing lens,
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. 3 shows a schematic representation of an arrangement for welding, cutting, drilling or coating consisting of a light emitting pumping source, a fiber laser, a collimating lens aperture and a focusing lens,
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. 4 shows a schematic representation of an arrangement for welding, cutting, drilling or coating consisting of a light emitting pumping source, a fiber laser with a micro-optics, a collimating and a focusing lens,
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. 5 shows a schematic representation of an arrangement for welding, cutting, drilling or coating consisting of a light emitting pumping source, a laser rod, a collimating and a focusing lens,
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. 6 shows a schematic representation of an arrangement for welding, cutting, drilling or coating consisting of a laser rod, a collimating lens having Laserauskoppelspiegel and concave interior, and a focusing lens,
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. 7 shows a schematic representation of an arrangement for welding, cutting, drilling or coating consisting of a laser rod, a Laserauskoppelspiegel concave output surface, and a collimating and a focusing lens,
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. 8 is a schematic representation of an arrangement for welding, cutting, drilling or coating consisting of a coupling optics with laser end mirror, a laser rod with coupling mirror and an imaging optics and
Fig. 9 eine Darstellung des Querschnitts der Strahlintensität. Fig. 9 is an illustration of the cross section of the beam intensity.
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.The arrangement for welding, cutting, drilling or coating in a first embodiment consists of a two beam source, an optical fiber 2 and a light-focusing device 4 as shown in 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.In the beam direction, the optical fiber 2 is coupled after a light-emitting source 1 . A laser radiation-emitting fiber laser 3 is arranged in the optical fiber 2 .
Die Licht emittierende Quelle 1 ist eine Halogenlampe mit hoher Leistung.The light emitting source 1 is a high power halogen lamp.
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.The device 4 focusing the remaining light of the light-emitting source 1 and the laser radiation of the fiber laser 3 is coupled in the beam direction immediately after the optical fiber 2 . The optics used simultaneously form both the emerging from the optical fiber 2 remaining light beam development of the light-emitting source 1 and the laser beam development of the fiber laser 3 from the fiber end to the processing point 5 .
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.The arrangement for welding, cutting, drilling or coating in a second embodiment consists of a light-emitting pump source 1 , an optical fiber 2 with an integrated fiber laser 3 , a collimating lens 6 and a focusing lens 7 (shown in FIG. 2). In the beam direction after the light-emitting pump source 1 in the form of a diode laser, preferably with a power of 2 kW as the first beam source of the two-beam source, the optical fiber 2 is coupled with a diameter of 1.5 mm. The diode laser radiation has a beam parameter product of 200 mm × mmrad, which enables low-loss coupling into the optical fiber 2 . The wavelength of the diode laser is approx. 808 nm. In the optical fiber 2 there is an optically conductively connected to the optical fiber 2 and laser radiation 8 emitting fiber core with a diameter of 150 microns - the fiber laser 3 - as the second beam source of the two beam source. The fiber core consists of Nd: glass. The input of the optical fiber 2 is reflected ent for the light of the pumping source 1 and the laser radiation 8 of the fiber core verspie gel. Normally pre antireflection the light guide fiber 2 by the application of dielectric layers and the reflective coating of the fiber laser 3 by a registered in the fiber core Bragg Lattice. The light from the pump source 1 is thus optimally coupled into the optical fiber 2 . For the laser radiation 8 of the fiber core, the input is a laser end mirror.
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.The output of the optical fiber 2 is partially mirrored for the laser radiation 8 of the fiber core and anti-reflective for the light of the pump source 1 . Thus, on the one hand, a laser coupling mirror is present and, on the other hand, the remaining light 9 of the pump source 1 emerges from the optical fiber 2 with little loss.
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.In the beam direction downstream of the optical fiber 2 , a device imaging the fiber end is arranged downstream. The imaging device consists of a collimating lens 6 and a focusing lens 7 arranged thereafter in the beam direction. The image scale is 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.The result is a beam which, due to the superposition of pump and laser radiation 8, leads to an intensity distribution at the processing point 5 , which is characterized on the one hand by a diameter of 1 mm and on the other hand by a peak in the middle with intensities <10 6 W / cm 2 is (presen- tation of Fig. 9). The peak power at the processing point 5 is approximately 100 W and is centered on a diameter of 100 µm. The output of the remaining pump radiation 9 is approximately 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.In a variant of the embodiment, the colli mating lens 6 in the axis of symmetry has an opening 10 which is larger than the cross section of the fiber core. The end region of the fiber core is arranged in the opening 10 . As a result, the laser radiation 8 is guided through the collimating lens 6 without being influenced.
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).With the downstream focusing lens 7 , both the remaining light 9 of the pump source 1 and the laser radiation 8 of the fiber core are collimated on the processing point 5 (Dar position in 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 a further variant, microoptics 11 are applied to the end of the optical fiber 2, limited to the diameter of the fiber core. This leads to the expansion of the laser radiation 8 . As a result, both the expanded laser radiation 8 and the remaining light 9 are collimated and focused together (illustration in 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).In a next variant, a diode laser with a wavelength of approx. 970 nm is used to pump a fiber doped with ytterbium. The emitted laser radiation has a wavelength of approx. 1060 nm. Due to the small difference between the pump and laser wavelength, the imaging device can be designed easily (representations corresponding to FIGS. 2 to 4).
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.In a third exemplary embodiment, the arrangement for welding, cutting, drilling or coating consists in principle of a light-emitting pump source 1 in the form of a high-performance diode laser, a laser rod 12 , a collimating lens 6 and a focusing lens 7 (shown in FIG . 5). The laser rod 12 is coupled in the beam direction after the light-emitting pump source 1 .
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.The input of the laser rod 12 is anti-reflective for the light from the pump source 1 and mirrored for the laser radiation 8 . So that the light of the pump source 1 is largely unimpeded coupled into the laser rod 12 and at the same time a laser end mirror 13 is present.
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.The output of the laser rod 12 is anti-reflective both for the light from the pump source 1 and for the laser radiation 8 . In the beam direction after the laser rod 12 there is a laser coupling mirror 14 which reflects the light from the pump source 1 and is partially mirrored for the laser radiation 8 .
In Strahlrichtung nach dem Laserauskoppelspiegel 14 ist eine das restliche Licht 9 der Pumpquelle 1 und die Laserstrahlung 8 fokussierende Einrichtung angeordnet.A device focusing the remaining light 9 of the pump source 1 and the laser radiation 8 is arranged in the beam direction after the laser coupling-out mirror 14 .
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.The device consists of a collimating 6 and a focusing lens 7 arranged thereafter in the beam direction. The collimating lens 6 converts the remaining divergent light rays 9 from the pump source 1 emerging from the laser rod 12 into approximately parallel rays. The central regions of the collimating lens 6 are designed as parallel and planar surfaces 15 a, 15 b. The axis of symmetry of the collimating lens 7 is equal to the center of these flat surfaces 15 a, 15 b. The planar surfaces 15 a, 15 b are slightly larger than the cross section of the laser radiation 8 of the laser rod 12 . Furthermore, these flat surfaces 15 a, 15 b are non-reflective for the laser radiation 8 of the laser rod 12 . So long ge laser beams 8 largely unaffected by the collimating lens 6th
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.The focusing lens 7 downstream of the device in the beam direction focuses both the collimated remaining light beams 9 of the pump source 1 and the laser radiation 8 of the laser rod 12 on the processing point 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).The result is a beam that leads to an intensity distribution at the processing point 5 , which is characterized on the one hand by a large diameter of 0.5 to 3 mm and on the other hand by a peak in the middle with intensities <10 6 W / cm 2 (illustration in 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 a variant of this exemplary embodiment, the laser coupling mirror 14 is simultaneously the first planar surface 15 a of the collimating lens 6 in the beam direction.
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 a further variant, the laser radiation 8 on con cave or convex surfaces 15 c of a laser mirror 16 or collimation optics 6 is expanded. This leads to better focusability of the laser radiation 8 (representations of FIGS. 6 and 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.In a next variant of the exemplary embodiment, the Laser rod by doping the end piece of an optical fiber created with neodymium. The laser end mirror is replaced by a Bragg grating realized in the fiber. In the front of the area of the laser optical fiber becomes the pump radiation directed to the laser rod.
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.The arrangement for welding, cutting, drilling or coating consists in a fourth embodiment of a light-emitting pump source 1 in the form of a diode laser with 2 kW power and a wavelength of 808 nm, an Nd: YAG laser rod 12 with a diameter of 1.5 mm and a length of 100 mm, a collimating lens 6 and a focus lens 7 (shown in FIG. 8). The Nd: YAG laser rod 12 is coupled in the beam direction after the diode laser. A coupling optics 18 arranged after the diode laser is anti-reflective for the diode laser radiation 17 and mirrored for the Nd: YAG laser radiation 8 . It thus represents the end mirror 13 of the Nd: YAG laser rod 12. The concave curvature simplifies the adjustment of the Nd: YAG laser rod 12 .
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.The input of the Nd: YAG laser rod 12 is anti-reflective for the diode laser radiation 17 and for the Nd: YAG laser radiation 8 . So that the diode laser radiation 17 is largely unhindered in the Nd: YAG laser rod 12 coupled.
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.The output of the Nd: YAG laser rod 12 is anti-reflective for the diode laser radiation 17 and partially mirrored for the Nd: YAG laser radiation 8 , whereby the laser coupling-out mirror 14 is formed.
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.In the beam direction after the laser coupling-out mirror 14 , a device which images the remaining diode laser radiation 9 and the Nd: YAG laser beam 8 is arranged. The image scale is 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.The result is a beam which, through the superposition of diode laser radiation 9 as pump radiation and Nd: YAG laser radiation 8, leads to an intensity distribution at the processing point 5 , which on the one hand has a diameter of 1 mm and on the other hand a peak in the middle with intensities <10 6 W / cm 2 is marked (representation in FIG. 9). The peak power at processing point 5 is approx. 200 W and is concentrated on a diameter of 100 µm. The power of the remaining diode laser radiation is approx. 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.The laser rod is a variant of the exemplary embodiment by doping the end piece of an optical fiber with neodymium emerged. The laser decoupling mirror is replaced by a Bragg Grid realized in the fiber. In the after the area of Laser's optical fiber is the pump and the Laser radiation passed on together.
In einem fünften Ausführungsbeispiel werden die Lichtstrahlen einer Zweistrahlanordnung zum Schweissen, Schneiden, Bohren oder Beschichten von metallischen oder nichtmetallischen Stof fen verwendet.In a fifth embodiment, the light rays a two-beam arrangement for welding, cutting, drilling or coating metallic or non-metallic material fen used.
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.The two-beam arrangement consists of a light-emitting Source and either a fiber laser or a laser rod. The Structure of the arrangements is one in the exemplary embodiments listed to four.
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.The light from the pump source or the rest of the light the pump source for preheating and / or post-heating the areas and / or for better coupling the laser beam tion and the laser radiation of the fiber laser or the laser rod for welding, cutting, drilling or coating the metalli or non-metallic substances. So z. B. Aluminum with a diode laser wavelength of 808 nm advantageous heated and the absorption for the laser wavelength increase.
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.As a result, there is a beam that leads to an intensity distribution at the processing point, which is characterized on the one hand by a large diameter of 0.5 to 3 mm and on the other hand by a peak in the middle with intensities <10 6 W / cm 2 . With such a beam profile, laser machining can be carried out in a qualitatively advantageous manner, since the cooling speed of the machining point is lower than in conventional laser machining due to the large beam diameter. The high cooling speeds during laser processing with one beam lead to hardening of the cut edges, the weld seams or the separated layers on materials that tend to do so.
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.The energy utilization is through the use of diode laser or halogen lamp devices compared to conventional laser sources len greatly increased. Through the additional use of the residual pump The machining processes can be very energetic be carried out effectively.
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