DE2430994A1 - PROCEDURE FOR AT LEAST TEMPORARILY TRANSFER OF A MATERIAL IN THE OPTICAL ENERGY-ABSORBING STATE AND APPLICATION OF THIS PROCESS FOR MATERIAL PROCESSING - Google Patents
PROCEDURE FOR AT LEAST TEMPORARILY TRANSFER OF A MATERIAL IN THE OPTICAL ENERGY-ABSORBING STATE AND APPLICATION OF THIS PROCESS FOR MATERIAL PROCESSINGInfo
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Description
/i PL-! Ni, .. ν/ i PL-! Ni, .. ν
LASAG S.A., Thun (Schweiz) LASAG SA , Thun (Switzerland)
Verfahren zur mindestens zeitweiligen Ueberführung eines Materials in den optische Energie absorbierenden Zustand und Anwendung dieses Verfahrens zur Materialbearbeitung.Process for at least temporary conversion of a material into optical energy absorbent state and application of this material processing method.
Die Materia!bearbeitung mit Laser ist schon seit über 10 Jahren bekannt.Laser material processing has been around for over 10 years known.
Insbesondere scheinen eigens dafür gebaute Laser von ihren Eigenschaften her gesehen für das Abtragen, Schneiden und Bohren,In particular, specially built lasers seem from their properties for removal, cutting and drilling,
SE/up/19 GOl
Fall" 4SE / up / 19 GOl
Case "4
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sowie zum Löten, Schweissen oder Materialabtragen, vor allem im Bereiche der Mikromechanik und -Elektronik dafür geeignet.as well as for soldering, welding or material removal, especially suitable for this in the field of micromechanics and electronics.
Es ist jedoch oft nicht möglich, für eine bestimmte Bearbeitung eine Laseranlage wirtschaftlich befriedigend einzusetzen oder den Lasertyp mit dem besten .-/irkungsgrad zu verwenden.However, it is often not possible to use a laser system in an economically satisfactory manner for a specific processing or to use the laser type with the best efficiency.
Die Ursache liegt in der Wechselwirkung von Materie und Strahlung, insbesondere im Absorptionsverhalten vom zu bearbeitenden Material bei einfallender Laserstrahlung.The cause lies in the interaction of matter and radiation, especially in the absorption behavior of the material to be processed in the event of incident laser radiation.
Fällt Strahlung auf Materie, so ist bekanntlich die Summe aus deren Absorption, Reflexion und Transmission = 1. Nun sind aber diese drei Eigenschaften stark wellenlängenabhängig, d.h. Materialien, z.B. Glas, können bei. einer langen Wellenlänge der Laserstrahlung, z.B. 10,6^im beim CC^-Laser, eine starke " Absorption aufweisen und bei einer kürzeren Wellenlänge, z.B. 0,693/im des Rubinlasers, praktisch transparent sein oder bei noch kürzeren Wellenlängen stark reflektierend.If radiation falls on matter, it is known that the sum of its absorption, reflection and transmission = 1. Now are but these three properties are strongly dependent on the wavelength, i.e. materials, e.g. glass, can be. a long wavelength the laser radiation, e.g. 10.6 ^ im with the CC ^ laser, a strong "Have absorption and be practically transparent at a shorter wavelength, e.g. 0.693 / im of the ruby laser, or at Strongly reflective at even shorter wavelengths.
Die massgebende Grosse bei der Materialbearbeitung ist die Ab-. sorption der auffallenden Strahlung, die in allen Fällen möglichst gross nein muss, um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen oder um überhaupt eine Wirkung zu erzielen. Durch die unterschiedliche Absorption bei verschiedenen Wellenlängen ist aber eine optimale Anpassung und Ausnutzung von Laseranlagen nur selten möglich.The decisive factor in material processing is the ab-. absorption of the incident radiation, which in all cases must be as large as possible in order to achieve a high level of efficiency or to have any effect at all. Because of the different absorption at different wavelengths but an optimal adaptation and utilization of laser systems only rarely possible.
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Um z.B. feine Löcher in Diamanten zu bohren, ist es. notwendig, eine Laserstrahlung mit einer kurzen Wellenlänge zu nehmen, da die Fokussierbarkeit, d.h. der Strahldurchmesser am. Brennpunkt, -der:Wellenlänge proportional ist. Gerade im Bereiche dieser Wellenlängen, sichtbares Licht und nahes Infrarot, ist die Transparenz des Diamanten sehr' gross,, d.h. die Absorption sehr gering'., wodurch eine hohe Energie pro Schuss aufgewendet werden muss um Überhaupt eine Wirkung zu erzielen. Im Prinzip ist es möglich eine gewisse Anfangsabsorption durch Beschichtung zu erreichen, doch bedeutet diese Methode einen. Arbeitsgang mehr und ist auch nicht immer sehr wirkungsvoll und gut reproduzierbar. · . .For example, to drill fine holes in diamonds, it is. necessary to take a laser radiation with a short wavelength because the focusability, i.e. the beam diameter at the focal point, which is proportional to the wavelength. Especially in this area Wavelengths, visible light and near infrared, the transparency of the diamond is very 'great, i.e. the absorption is very high low '., whereby a high energy per shot has to be expended in order to achieve an effect at all. In principle is some initial absorption by coating is possible to achieve, but this method means one. More work step and is not always very effective and easily reproducible. ·. .
Beim Sehneiden oder Bohren in Metall, besonders wenn es sich um relativ grosse Bearbeitungsvolumen handelt, wäre es sehr ■wünschenswert einen C02-Laser zu verwenden, da dieser einen weitaus höheren -Wirkungsgrad hat als ein Festkörperlaser. Bei der■■"Wellenlänge des C02-LaserStrahles - 10.6^m - jedoch, ist Metall hoehreflektierend, d.h. dass die Absorption sehr gering wird und dadurch auch der gesamte Wirkungsgrad.When cutting or drilling metal, especially if it is Relatively large processing volumes are involved, it would be very ■ desirable to use a CO2 laser, since this one Much higher efficiency than a solid-state laser. at the ■■ "wavelength of the CO2 laser beam - 10.6 ^ m - is, however Metal highly reflective, i.e. the absorption is very low and thereby the overall efficiency.
Schon aus diesen beiden■'willkürlich herausgegriffenen Beispielen geht hervor, dass.eine wirtschaftlich und technisch optimale Anpassung von·-Laseranlagen an eine bestimmte Bearbeituncsart und Material sehr schwierig bis unmöglich werden kann. Ferner kommt noch hinzu, dass relativ wenige Lasertypen für die ]i.':terLalberirbeitunn zur Verfügung stellen, da dabei, eine '■-zum-Teil- reelii erheb!i.ehe Leistung odor Energie verlangt v.'iru.Already from these two arbitrarily selected examples it emerges that an economically and technically optimal adaptation of laser systems to a certain type of processing and material can be very difficult or impossible. Furthermore, there are relatively few laser types for the] i. ': terLalberirbeitunn make available, since thereby, a '■ -to-partial- realii raise! I.ehe performance or energy required by v.'iru.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das es gestattet eine grosse Absorption des auftreffenden Laserstrahles zu erreichen und die im wesentlichen unabhängig von der Wellenlänge dieses Laserstrahles ist.An aim of the present invention is to provide a method this allows a large absorption of the incident laser beam to be achieved and that is essentially independent of the wavelength of this laser beam.
Dieses wird unter Ausnützung eines bis dahin nicht bekannten Effektes erreicht, nämlich durch die mindestens zeitweilige Ueberführung eines Materials in den optische Energie absorbierenden Zustand durch Beaufschlagung mit einem Laserschaltimpuls mit den drei folgenden Eigenschaften:This is taking advantage of a previously unknown Effect achieved, namely by the at least temporary conversion of a material into the optical energy absorbing Condition due to the application of a laser switching pulse with the following three properties:
a) Anstiegszeit tßc^i^ kleiner als 1 /isa) Rise time tßc ^ i ^ less than 1 / is
b) Intensität ^Schalt grosser als 10*7 b) Intensity ^ switching greater than 10 * 7
c) Impulsdauer Tschalt kleiner alsc) Pulse duration Tschalt less than
Das erfindungsgemässe Verfahren kann auf allen Gebieten der Materialbearbeitung v;ie Bohren, Schneiden, Materialabtragung, Schweissen, Löten, Oberflächenbehandlung v/ie Vergüten und Här ten und Material-Aufträgen angewandt werden.The inventive method can be used in all areas of Material processing v; ie drilling, cutting, material removal, welding, soldering, surface treatment v / ie tempering and hardening and material orders are applied.
Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass bei diesem Verfahren der Lasertyp bestens angepasst werden kann bezüglich Fokussierbarkeit (minimaler Brennpunktdurchmesser), Wirkungsgrad oder soiiFtwie v/ellenlängenabhängige Parameter. Ein weite rer Vorteil besteht darin, dass durch die starke Absorption des nachfolgenden eigentlichen Arbeitsimpulses eine starke Herabsetzung der gesamten benötigten Energie erreicht werden kann. Ferner können durch dieses erfindungsgemässe Verfahren orstMi-ΏIs Lsnor für bestimmte Bearbeitungen wirtschaftlich lohA major advantage is that with this method the laser type can be optimally adapted with regard to Focusability (minimum focal point diameter), efficiency or as much as wavelength-dependent parameters. A wide one rer advantage is that due to the strong absorption of the subsequent actual work impulse, a strong Reduction of the total energy required can be achieved. Furthermore, this inventive method orstMi-ΏIs Lsnor economically profitable for certain machining operations
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nend eingesetzt werden, wie zum Beispiel die Benutzung eines Cp2-Lasers zum Bohren'von Löchern in sonst hochreflektierende Metalle. ■ · *· ■ can be used, such as the use of a Cp2 laser to drill holes in otherwise highly reflective metals. ■ · * · ■
Im folgenden soll das erfindungsgemässe Verfahren ■ beispielsweise beschrieben werden: · .In the following, the method according to the invention is intended for example to be discribed: · .
■ Zur Vereinfachung der Erläuterung werden die Bearbeitungsarten in zwei Gruppen geteilt. -■ To simplify the explanation, the types of processing divided into two groups. -
Bei der ersten Gruppe, beim Materialabtrag, Bohren oder Schnei-.den wird das Material verdampft, während es in der zweiten Gruppe, beim Schweissen, Löten etc nur erwärmt werden muss.With the first group, with material removal, drilling or cutting the material is evaporated, while in the second group, during welding, soldering, etc., it only needs to be heated.
Beiden Gruppen .ist das Einleiten der Absorption durch einen Schaltimpuls gemeinsam. Um einen geeigneten Effekt, zu erzielen, muss der Anstieg dieses Pulses, tgc^a^^, kleiner als 1>us sein, dessen Intensität, !schalt» muss einen gewissen Wert erreichen, der vom "Material und seiner Oberflächenbeschaffenheit und von der Wellenlänge des Laserstrahles abhängt. Der Intensitätswert, . um die Auftreffoberfläche des Materials in den absorbierenden Zustand zu bringen, wurde experimentell als grosser 10? W/cm^ gefunden! Trotz dieser hohen Intensität ist wegen der kurzen Pulsdauer die unter lOyUS liegt, nur eine kleine Energiezufuhr notwendig. Bei einem Strahldurchmesser am Brennpunkt von 0,1 mm z.B. bedeutet das eine Energie, von weniger als 1 mJ. Der durch diesen Impuls eingeleitete ,Absorptionszustand an der betreffenden Stelle bleibt während der Zeit ^Absorption erhalten, .' ■ ' . ■ 4 0.9 885/0392The initiation of absorption by a switching pulse is common to both groups. In order to achieve a suitable effect, the rise in this pulse, tg c ^ a ^^, must be less than 1> us, the intensity of which, "switch", must reach a certain value that depends on the "material and its surface properties and the The intensity value to bring the impact surface of the material into the absorbing state has been found experimentally to be greater than 10? W / cm ^! With a beam diameter at the focal point of 0.1 mm, for example, this means an energy of less than 1 mJ. ■ '. ■ 4 0.9 885/0392
wobei diese Zeit von der Wellenlänge des Strahles und vom Material, abhängig ist. ·where this time depends on the wavelength of the beam and on the material, is dependent. ·
Für bisher untersuchte Materialien liegt ^Absorption im Be~ reich von einigen^us bis 10 ms.For materials investigated so far, absorption is in the range of a few µs to 10 ms.
Während.der Zeit TAbsorptionkann das Material mit einem angepassten Arbeitsimpuls oder Impulsfolge bearbeitet werden. Nach Ablauf der Zeit ^Absorption muss die Absorption durch einen neuen Schaltpuls erzeugt werden. Es gibt aber auch Fälle, wo durch die erste Bearbeitungsfolge die Absorption schon so weit erhöht wurde, dass kein Schaltimpuls mehr benötigt wird. Bei der Bearbeitung von verschiedenen Stellen, wie beim Schneiden oder Nahtsehweissen muss natürlich jedesmal ein Schaltimpuls • vorausgeschickt v/erden. ' .During the time TAabsorption , the material can be processed with an adapted work pulse or pulse train. After the time ^ absorption has elapsed, the absorption must be generated by a new switching pulse. But there are also cases where the first processing sequence has already increased the absorption to such an extent that a switching pulse is no longer required. When machining different areas, such as cutting or welding seams, a switching pulse must of course be sent in advance every time. '.
Der Arbeitsimpuls, der während der Zeit TAbsorption ^em Schalt impuls zu folgen hat, kann nun jedem Problem optimal angepasst werden, wahrend die Intensität des Schaltpulses so zu bemessen ist, dass einerseits der Absorptionszustand erreicht wird,. aber andererseits kein Material herausgeschleudert wird.The work impulse which during the time TAabsorption ^ em switching impulse has to follow can now be optimally adapted to each problem, while the intensity of the switching impulse can be measured in this way is that on the one hand the state of absorption is reached. but on the other hand no material is thrown out.
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