DE2014448A1

DE2014448A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von Werkstücken mittels Laserenergie

Info

Publication number: DE2014448A1
Application number: DE19702014448
Authority: DE
Inventors: Pierre E. Dipl.-Phys. Lausanne; Capua Robert Prilly; Ravussin (Frankreich). P B23q 3-157
Original assignee: Omega Louis Brandt and Frere SA
Current assignee: Omega Louis Brandt and Frere SA
Priority date: 1969-04-01
Filing date: 1970-03-25
Publication date: 1970-10-08
Also published as: SE359048B; NL159826B; NL7004278A; JPS5018239B1; DE2014448B2; GB1262613A; FR2042185A5; US3622740A; DE2014448C3; CH522464A; SU673157A3

Description

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PATENTANWALT

Dr. ERNST STURM

Mi) H CH EiM 2 3 LEOPOLDSTR.20/1 ν

München, den 25V März 1970

OMEGA Louis Brandt & Er§re SA , Lausanne (Schweiz)+

ALCYON/ Electroniqüe et Physique SA Renens (Schweiz).

Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von ¥erkstücken mittels Laserenergie.

Zur Behandlung und Bearbeitung von Yerkstücken, insbesondere zum Bohren, Schweissen und Schneiden, wird in stets zunehmendem Masse Laserenergie verwendet. Die Anwendung dieser Energieform ist nicht nur interessant zur Bearbeitung von Materialien, die mit anderen Verfahren schwer zu bearbeiten sind, sondern auch zur Bearbeitung besonders kleiner Teile, beispielsweise TJhrenteile, wo zum Schweissen und Bohren verhältnismässig geringe Energien benötigt werden» Gerade bei der Bearbeitung kleiner Teile mit geringen Energien ergeben sich jedoch tech-MS/va/17/^27
Fall 9Ä

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nische und wirtschaftliche Schwierigkeiten.

Laserquellen sind sehr teure Apparaturen, selbst wenn sie für geringe Energien bemessen sind, wie sie beispielsweise zum Punktschweissen von Uhrenteilen benötigt werden. Im allgemeinen werden selbst zur Vereinigung kleiner Teile mehrere Schweisspunkte benötigt, um einen symmetrischen Teil zu erzielen. Bei bekannten Bearbeitungsvorrichtungen führten diese Bedingungen dazu, dass entweder das Werkstück oder aber die Laserquelle zwischen einzelnen Schweissoperationen gegeneinander verschoben werden mussten, was die Bearbeitungszeit erheblich erhöht und eine präzise, unter Umständen komplizierte, mechanische Vorrichtung bedingt. Werden mehrere Schweissoperationen oder andere Bearbeitungen durch Laserimpulse nacheinander an ein und demselben Werkstück vorgenommen, können leicht asymmetrische Bedingungen infolge asymmetrischer thermischer Vorgänge im Werkstück und/oder infolge von Unterschieden in der Energie einzelner Laserimpulse auftreten.

Die vorliegende Erfindung bezweckt die oben erwähnten Schwierigkeiten und Nachteile zu überwinden. Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer einzigen Laserquelle ein Laserstrahl erzeugt und derselbe in eine Anzahl von Teilstrahlen aufgeteilt wird, von welchen jeder zur Behandlung einer Stelle mindestens eines Werkstückes geeignet ist, und dass jeder Teilstrahl auf eine zu bearbeitende Stelle gelenkt wird, derart, dass mehrere Stellen mindestens eines Werkstücks gleichzeitig mittels Laserenergie von der erwähnten Quelle behandelt werden. Auf diese Weise wird eine wesentlich höhere

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Ausnützung der Laser^uelle ermöglicht und zugleich kann die Bearbeitungsgeschwindigkeit erheblich erhöht werden. Da eine Relativverschiebung zwischen Werkstück und Laserguelle zwischen aufeinanderfolgenden Operationen vermieden werden kann, ist eine entsprechende wesentliche Vereinfachung der Arbeitsvorrichtung möglich. Werden verschiedene Stellen eines Werkstücks gleichzeitig durch aus einer Quelle stammende Impulse gleicher Energie bearbeitet, so ergibt sich ein homogenes Werkstück ohne Asymmetrie oder Vorspannungen. Es ist jedoch für bestimmte Zwecke auch möglich, die aus der Quelle stammende Laserstrahlung in Teilstrahlen Verschiedener Intensität aufzuteilen um gleichzeitig unter verschiedenen Bedingungen mehrere Stellen eines Werkstücks zu behandeln. Es ist weiter möglich, zugleich eine Anzahl von Werkstücken zu bearbeiten, womit eine zusätzliche, wesentliche Erhöhung der Produktion erzielt wird.

Die erfindungsgemasse Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine Laserquelle zur Erzeugung eines Laserstrahls, Mittel zur Aufteilung dieses Laserstrahls in eine Anzahl von Teilstrahlen, Ablenkmittel, die in verschiedene Stellungen und Neigungen im Strahlengang je eines Teilstrahls bringbar sind, Mittel zum Fokussieren' der Teilstrahlen in bestimmten Behandlungsstellen und Mittel zur Einstellung der erwähnten Ablenkmittel. Die erwähnten einstellbaren Ablenkmittel gestatten eine Einstellung der Teilstrahlen, bzw. ihrer Brennpunkte in verhältnismässig weiten

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ο Grenzen, sodass die Vorrichtung zur Bearbeitung verschiedener irr

co Form und Grosse abweichender Werkstücke eingerichtet werden kann. -"* Die Erfindung bringt somit nicht nur" eine wesentliche Verbesserung ^ des Wirkungsgrades, der Produktivität und der Qualität, sondern ί> erlaubt auch die Bearbeitung oder Behandlung einer grossen Zahl verschiedenartiger Werkstücke mittels derselben Einrichtung.

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Im folgenden ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Fig. 1 zeigt schematisch das Prinzip der Vorrichtung und Fig. 2-4 zeigen verschiedene Ansichten eines Ablenkaggregats.

Vie Fig. 1 zeigt, fällt ein Laserstrahl 1 aus einer nicht dargestellten Laserquelle auf einen ersten, gegenüber der Strahlachse um 45° geneigten Spiegel 2. Es wird ein halbdurchlässiger Spiegel 2 verwendet, sodass die Hälfte des Lichts des Strahls in Form eines Teilstrahls 3 in horizontaler Richtung abgelenkt wird. Der durchtretende Strahl I¹ wird durch einen weiteren, gegenüber der Strahlachse um 45° geneigten total reflektierenden Spiegel 4 in horizontale Richtung umgelenkt und bildet einen reflektierten T^eilstrahl 5. Die Teilstrahlen 3 und 5 werden sodann an total reflektiert enden Spiegeln 6 und 7 in konvergenten Richtungen abwärts gelenkt und kreuzen sich in einem schematisch dargestellten gemeinsamen Objektiv 8, das sie auf zwei Stellen 9 und 10 eines Werkstücks 11 fokussiert. An diesen Stellen kann irgendeine beliebige Operation, beispielsweise eine Bohroperation oder Schweissoperation erfolgen.

Zur Einstellung der genauen Lage jedes Brennpunktes oder Arbeitspunktes 9 und 10 können die Spiegel 6 und 7 in Hdrizontalrichtung, d.h. quer zur Achse des einfallenden Strahls 1 verschoben werden, und die Neigung dieser Spiegel kann ebenfalls eingestellt werden, um die Teilstrahlen 3 und 5* stets durch das gemeinsame,Objektiv 8 zu lenken. Da hierbei eine verhältnismassig umständliche Einstellung zweier Stellungen der Spiegel

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erforderlich ist, besteht das Bedürfnis, diese Einstellbewegungen so veit als möglich mechanisch zu koordinieren. Die Pig. 2 bis 4 zeigen ein Einstellaggregat dieser Art. Jeder Spiegel 6 bzw. 7 ist in einer Passung 12 gehalten, welche.· mittels einer Achse 14 in einem Schlitten 13 schwenkbar gelagert ist. Der Schlitten 13 kann längs einer Führungsstange 15 und einer"Einstellspindel 16 verschoben werden. Die Führungsstange 15 ist mittels zweier Klötze 17 und 18'auf einer Grundplatte 19 befestigt. Die Spindel kann mittels eines nicht dargestellten, über eine Riemenscheibe 20 geführten Riemens angetrieben werden.

Mit dem einen Ende der Achse 14 ist ein Hebel 21 verbunden, und ein in das freie Ende dieses Hebels eingesetzter Stift 22 liegt auf einem Steuerstab 23 auf, der mittels Klötzen 24 auf der Grundplatte 19 befestigt ist. Eine Feder 25 hält den Stift 22 /stets in Berührung mit dem Stab 23.. Die Spiegel 2, bzw. 4 sind am einen Ende 19 der Grundplatte angebracht.

Wird die Spindel. 16 über die Riemenscheibe 20 angetrieben, so wird der Schlitten 13 mit dem Spiegel 6 oder 7 längs der Führungsstange 15 und der Spindel 16 horizontal verschoben. Wahrend dieser Verschiebung gleitet der Stift 22 längs des leicht geneigten Stabes 23, sodass die Fassung 12 mit dem Spiegel 6 oder 7 automatisch in eine der horizontalen Eins teilung des Schlittens, bzw. Spiegels, passend zugeordnete Schwenklage gebracht wird, für welche der Teilstrahl 3¹ oder 5' durch das Objektiv 8 gelenkt wird. Die Ste üerfläche des Stabes 23 kann eben sein wie in Fig. dargestellt, oder aber sie kann den Anforderungen entsprechend gebogen sein. Die Spindeln 16 der beiden Aggregate, bzw» aller

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vorhandenen Aggregate können von einem gemeinsamen zentralen Verstellantrieb betätigt werden um eine entsprechende Verstellung beider oder aller Spiegel 6 bzw. 7 zu bewirken. Es ist jedoch auch möglich jeden Spiegel einzeln verstellbar zu machen, wobei jedem Aggregat gemäss Fig. 2 bis 4 ein besonderer Handantrieb zugeordnet ist.

Während in Fig. 1 zur Vereinfachung nur zwei Teilstrahlen 3' und 5' dargestellt sind, können natürlich wie bereits angedeutet, mehr Teilstrahlen vorgesehen sein. Anstelle eines total reflektierenden unteren Spiegels 4 könnte beispielsweise auch dort ein teilweise durchlässiger Spiegel verwendet werden, sodass ein Teil des einfallenden Strahls 1, bzw. I¹ direkt durch den Spiegel 4 und das Objektiv 8 auf eine weitere Arbeitsstelle fallen würde. Zur Vereinfachung der Darstellung ist weiterhin angenommen, ,worden, dass die Strahlen 3' und 5' mit dem einfallenden Strahl 1 in derselben Ebene liegen, aber es ist selbstverständlich auch möglich, di,e Aggregate nach Fig. 2 bis 4 in beliebiger gegenseitiger Lage, d.h. unter beliebigen gegenseitigen Winkeln anzuordnen, Es können beispielsweise drei Teilstrahlen vorgesehen werden, deren Brennpunkte längs einer Kreislinie gleichmässig verteilt in einem gegenseitigen Abstand von je 120° angeordnet werden. Eine Vorrichtung dieser Art kann beispielsweise zum Verschweissen eines ringförmigen Teils mit einem inneren zylindrischen Teil verwendet werden, wobei diese Toile lose vereinigt an die Boar-

beitungssteile gebracht werden und dann an drei, die kreisförmige Fuge zwischen den Teilen überbrückenden Schweisspunkten verbunden werden.

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Während gewöhnlich Teilstrahlen gleicher Intensität benötigt werden, können für bestimmte Zwecke auch Teilstrahlen verschiede- ner Intensität zur Durchführung' verschiedenartiger Operationen verwendet werden. In diesem Falle müssen die Spiegel. 2 und 4 und eventuelle weitere teil- oder totalreflektierende Spiegel im Pfad des eintretenden Strahls 1 so bemessen werden, dass sie das für eine bestimmte Operation erforderliche Licht reflektieren.

Wie erwähnt eignet sich die beschriebene Vorrichtung besonders zur gleichzeitigen Ausführung mehrerer Operationen an einem Werkstück, beispielsweise zum Verschweissen von zwei Teilen eines Werkstücks. In dieser Anwendung eignet sich die Vorrichtung nicht nur zum Verschweissen mechanischer Teile, sondern es können elektrische oder elektronische Teile in miniaturisierten Kreisen ' *oder integrierten Schaltungen verschweisst werden. Anstatt gleichzeitig eine Mehrzahl von Stellen eines Werkstücks oder eines einzelnen, aus Teilen bestehenden Aggregats zu bearbeiten, kann auch eine Anzahl gleicher Teile oder Werkstücke gleichzeitig je an einer oder mehreren Stellen bearbeitet werden, um die Produktion zu steigern. Im letzten Falle können gegebenenfalls auch getrennte Objektive zur Fokussierung der einzelnen Teilstrahlen auf Stellen vorgesehen sein, welche Stellen in passendem Abstand voneinander liegen um mehrere Werkstücke zugleich zu behandeln.

Die teilreflektierenden Spiegel können durch andere optische Elemente, beispielsweise doppelbrechende Kristalle ersetzt werden, und die totalreflektierenden Spiegel können beispielsweise durch Prismen ersetzt sein. .

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Claims

PATENTANSPRUECHE:

/ I)' Verfahren zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit und Produktion bei der Behandlung von Werkstücken mittels Laserenergie, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer einzigen Laserquelle ein Laserstrahl erzeugt und derselbe in eine Anzahl von Teilstrahlen aufgeteilt wird, von welchen jeder zur Behandlung einer Stelle mindestens eines Werkstückes geeignet ist, und dass jeder Teilstrahl auf eine zu bearbeitende Stelle gelenkt wird, derart, dass mehrere Stellen mindestens eines Werkstücks gleichzeitig mittels Laserenergie von der erwähnten Quelle behandelt werden.
2) Verfahren nach Anspruch 1, zur Vereinigung von mindestens zwei Teilen durch Punktschweissung, dadurch gekennzeichnet, dass die lose vereinigten Teile in eine Bearbeitungsstellung gebracht werden und dass die Teilstrahlen in einer Anzahl von Schweissstellen fokussiert werden, derart, dass alle Schweisspunkte an zu verbindenden Teilen gleichzeitig erstellt werden.
3) Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einheiten von lose vereinigten Teilen gleichzeitig gesehveisst werden.
4) Vorrichtung zur Behandlung von Werkstücken mittels Laserenergie, gekennzeichnet durch eine Laserqüelle zur Erzeugung eines Laserstrahls (l), Mittel (2, 4) zur Aufteilung dieses Laserstrahls (l) in eine Anzahl von Teilstrahlen (3, 5, 3', 5^f), Ablenkmittel (6, 7)> die in verschiedene Stellungen und Neigungen im Strahlengang je eines Teilstrahls bringbar sind, Mittel (8)

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zum Fokussieren der Teilstrahlen in bestimmten Behandlungsstellen und Mittel (16, 21-23) zur Einstellung der erwähnten Ablenkmittel (6,7).
5) Vorrichtung, insbesondere nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , dass gemeinsame Mittel (8) zum Fokussieren der Teilstrahlen (3¹,. 5') und gemeinsame Steuer- oder Betätigungsmittel zur Steuerung aller Einstellmittel (16, 21-23) vorgesehen sind."
6) Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse'der Fokussiermittel (8) parallel zur optischen Achse der Laserquelle, bzw. des von ihr erzeugten Laserstrahls (l) liegt, und dass die Teilstrahlen seitlich ausgelenkt werden und sich in den Fokussiermitteln (8) kreuzen.
7) Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass quer zur optischen Achse der Laserquelle verschiebbare und schwenkbare Ablenkspiegel (6, 7) oder -Prismen vorgesehen sind, um die Teilstrahlen durch die Fokussiermittel (S) zu lenken. .
8) Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel (16, 21-23) zur Koordinierung der Verschiebung quer zur optischen Achse der Quelle und der Schwenkbewegung der Ablenkspiegel (6, 7) oder -Prismen.
9) Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass je ein Ablenkspiegel (6, 7) oder -Prisma in einem quer zur optischen Achse der Quelle verschiebbaren Schlitten (13) schwenkbar gelagert ist.

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10) Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ablenkspiegel (6, 7) oder das Ablenkprisma mit einem Steuerhebel (21) verbunden ist, der zur Einstellung der Schwenklage des Spiegels oder Prismas in Punktion der Querverschiebung des Schlittens längs einer Steuerkurve (23) läuft.
11) Vorrichtung nach Anspruch 8, mit Spindeln (16) zur Verschiebung der Schlitten (13), welche Spindeln mit einem gemeinsamen Antrieb gekuppelt sind.

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