DE2713904B2 - Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstacken mittels eines Laserstrahles - Google Patents
Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstacken mittels eines LaserstrahlesInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mittels Laserstrahlen, die
ein das Laserstrahlbündel in zwei denselben Arbeitsort zugeführten Teilstrahlungen aufgliederndes Linsensystem aufweist
Das Bohren und Schneiden von Werkstücken mittels Laserstrahlen ist bekannt. Beim Bohren entsteht an der
Bohrungskante bzw. dem Bohrkrater ein Grat, der je nach der Art des zu bohrenden oder schneidenden
Materials sowie von der Energiedichte des Strahles verschiedene Formen aufweist. So kann z. B. beim
Bohren von Stahl der Grat in Form von mit dem Werkstück verbundenen Tropfen aber auch in der Art
von Nadeln nur lose mit dem Werkstück verbunden sein. Wird das Werkstück später hohen Beschleunigungskräften ausgesetzt wie dies z. B. bei zur
Frequenzstabilisierung dienenden Stahlbiegeschwingern der Fall ist, so kann es vorkommen, daß Teile des
Grates abbrechen und in der benachbarten Umgebung des Werkstückes die Funktion von Vorrichtungen
nachteilig beeinflussen; auch wird durch den abgebrochenen Grat die Eigenfrequenz des Stahlbiegeschwingers geändert. Um dem entgegenzuwirken, ist es aus der
DE-AS 23 55 428 bekannt, den Bohrgrat durch Defokussierung des Laserstrahles aufzuschmelzen und mit der
Stirnfläche des Biegeschwingers zu verschweißen.
Derartige Stahlbiegeschwinger haben sich gut bewährt Indessen ist die Herstellungsweise dieses
bekannten Stahlbiegeschwingers zeitaufwendig. Nach erfolgtem Abgleichen wird der Bohrgrat durch die
Defokussierung des Laser- bzw. Elektronenstrahles niedergeschmolzen und mit der Stirnfläche des Stahlbiegeschwingers verschweißt Dadurch kann es vorkom-
men, daß sich die Eigenfrequenz des Stahlbiegeschwingers ändert Es muß unter Umständen ein erneuter
Abgleich vorgenommen werden. Ist der Bohrgrat hinsichtlich seiner Masse vergleichsweise groß, wie dies
bei relativ tiefen Einschüssen in die Stirnfläche eines
is Stahlbiegeschwingers vorkommt so bedingt dieser
Umstand eine längere Einwirkung des defokussieren Bearbeitungsstrahles auf das Werkstück und somit
einen höheren Zeitaufwand. Entsprechendes gilt für alle
mittels Laserstrahl erzeugten Bohrungen, bei welchen
der Bohrgrat in einem späteren Arbeitsgang mit dem
Werkstück verschweißt werden soll.
Durch die US-PS 36 04 890 ist eine Schneidevorrichtung bekanntgeworden, bei der mit Hilfe eines Spiegel-
und Linsensystems ein Laserstrahlenbündel in ein
Schneide- und ein Schmelzstrahlenbündel aufgeteilt
wird, wobei der Brennpunkt des Schmelzstrahlenbündels in der Nähe der Oberfläche des zu schneidenden
Materials liegt während der Brennpunkt des Schneidestrahlenbündels weit unterhalb des zu bearbeitenden
Materials liegt Hierbei ist die optische Achse des Schneidestrahlenbündels unter einem spitzen Winkel
zur optischen Achse des Schmelzstrahlenbündels gerichtet Damit sollen ein schmaler Schnitt und saubere
Schnittkanten erzielt werden. Diese bekannte Schneid
vorrichtung ist nicht ohne weiteres zum Bohren von
Werkstücken geeignet da der Schmelzstrahl gegenüber dem Arbeitsstrahl nicht genügend defokussiert ist
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mittels
eines Laserstrahls der eingangs genannten Art zu schaffen, die auf einfache Weise das Problem löst, den
sich beim Bohren mittels Laserstrahlen bildenden Grat schon während seiner Entstehung niederzuschmelzen
bzw. bei einem Stahlbiegeschwinger mit der Stirnfläche
des Biegeschwingers zu verschweißen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß zur Durchführung von Bohrungen in den
Werkstücken das Linsensystem ein bifokussierendes Mehrlinsen-Objektiv ist, das das Laserstrahlenbündel in
einen energiereichen Bohrstrahl und einen eine geringere Energiedichte als der Bohrstrahl aufweisenden, die Randzone des Bohrloches beaufschlagenden
Schmelzstrahl aufgliedert.
Ausgestaltungen der Erfindung sind aus den Unteran
sprächen ersichtlich. Es zeigt
F i g. 1 eine Vorrichtung zum Abgleichen eines Stahlbiegeschwingers,
F i g. 2 bis 5 verschiedene Anordnungen des Mehrlinsen-Objektivs zur Erzeugung eines Bohr- und Schmelz-
Strahles,
Gemäß F i g. 1 werden zum Abgleich eines Stahlbiegeschwingers 1 in eine Stirnfläche 2 mittels eines
Laserstrahles 3 Bohrungen eingeschossen. Der Stahlbiegeschwinger ist bei 4 eingespannt; er wird mittels eines
Elektromagneten 5 über einen Oszillator 6 zu Schwingungen angeregt. Die Eigenfrequenz des Stahlbiegeschwingers wird mittels eines Adapters 7 erfaßt
und die Meßgröße über einen Verstärker 8 einem
Soll-Istwert-Vergleicher 9 zugeführt. Ein den Bohrstrahl
11 erzeugender Bearbeitungslaser 10 arbeitet mit einem
zweiten Laser 12 zusammen; er erzeugt den Schmelzstrahl 13. Mittels eines Mehrlinsen-Objektives 14
werden die in einer gemeinsamen optischen Achse A verlaufenden Laserstrahlen aufgegliedert, derart, daß
Brennpunkte P1 und PI des Bohr- und Schmelzstrahles
auseinanderliegen bzw. die mittels des Objektives erzeugten Brennweiten der beiden Strahlungen 11 und
13 unterschiedlich sind. Wird vom Soll-Ist-Vergleicher 9
eine Übcrrsinstimmung zwischen der Soll- und Istfrequenz ermittelt, so wird der Generator 6 sowie die Laser
10 und 12 abgeschaltet Im vorliegenden Beispiel sind zwei Bearbeitungslaser 10 und 12 vorgesehen, wobei der
Schmelzstrahl 13 über einen Umlenkspiegel 16 in die optische Achse A des Bohrerstrahles 11 eingeblendet
wird. Sofern der den Bohrstrahl 11 erzeugende Bearbeitungslaser energiereich ist, genügt es, nur mit
einem Laser zu arbeiten.
Wie in F i g. 2 dargestellt, ist der von einem oder zwei
Bearbeitungslasern erzeugte Laserstrahl 3 durch ein Linsensystem 14, bestehend im wesentlichen aus einer
bikonkaven Streulinse 18 sowie einer Objektiv-Linse 19, in einen Bohrstrahl 11 und einen Schmelzstrahl 13
aufgegliedert Zu diesem Zweck ist die Objektiv-Linse 19 zweiteilig gebildet; sie besteht aus einer Ringlinse 20
und einer planar hierzu angeordneten Kernlinse 21. Die Linsenmaterialien dieser Linsen sind unterschiedlich;
die Brechungskraft der Kernlinse 21 ist hier größer als jene der Ringlinse 20. Wie ersichtlich, bildet die
Ringlinse mit der Kernlinse eine Linseneinheit, wobei die Krümmungsradien /?i und fa der planar zueinander
liegenden Linsen beiden gemeinsam sind. Das Mehrlinsen-Objektiv 14 ist derart angeordnet, daß der hier von
der Kernlinse 21 erzeugte Brennpunkt des Bohrstrahles
11 auf der Stirnfläche 2 des Biegeschwingers 1 gelegen
ist. Der von der Ringlinse 20 erzeugte Brennpunkt P2 des Schmelzstrahles 13 besitzt eine größere Brennweite
/2 als die des Bohrstrahles /1. Dies hat zur Folge, daß der Schmelzstrahl während des Bohrvorganges bzw.
während des Abgleichens die Randzone Z des Bohrloches 15 beaufschlagt und dabei den Bohrgrai 22
aufschmelzt; dadurch verschweißt der Bohrgrat mit der Stirnfläche 2 des Werkstückes 1. Die Streulinse 18 der
Objektivlinse 19 ist hier wahlweise in Richtung der Pfeile 23 verstell- und einstellbar. Durch diese
Maßnahme kann eine Strahlenaufteilung in bezug auf die gewünschten Energiedichten des Bohr- und
Schmelzstrahles in begrenztem Umfange herbeigeführt werden.
ίο F i g. 4 zeigt eine andere Ausbildung der Objektivlinse
19 des Linsensystems 14. Hier ist die Objektivlinse 19 einteilig gebildet; das Linsenmaterial ist homogen. Die
Objektivlinse ist hier nach Art einer Fresnellinse gebildet, d. h. der Linsenkörper besitzt Flächen unterschiedlicher
sphärischer Krümmung, wie dies durch die Radien R 3 und R 4 angedeutet ist Die Wirkungsweise
dieser Linse entspricht im übrigen jener der F i g. 2.
F i g. 4 zeigt ein anderes Linsensystem des Objektives gemäß der Fig.2. Hier ist die Kernlinse 21' getrennt
von der Ringlinse 20' und komplanar zu ihr angeordnet,
sowie zwischen der in Pfeilrichtung 23 einstellbaren Streulinse 18 und der Ringlinse 20' gelegen; sie ist in
Pfeilrichtung 24 einstellbar. Die Brennpunkte Pl und P2 des Bohrstrahles 11 und des Schmelzstrahles 13,
aber auch ihre Strahlenquerschnitte, sind so in geeigneter Weise zueinander abstimmbar.
F i g. 5 zeigt eine andere Anordnung des Laserobjektives. Die Objektivlinse 20' ist ringförmig gebildet,
wobei jedoch im Gegensatz zur Fig.4 eine Zwischen-
3» linse 25 dazu dient, im Zusammenwirken mit der Ringlinse 20' den Schmelzstrahl 13 gegenüber dem
Bohrstrahl 11 einstellbar zu halten. Dies geschieht durch
eine Einstellung der Zwischenlinse 25 in Richtung der Pfeile 26. Wie ersichtlich ist der Schmelzstrahl 13 vom
Bohrstrahl 11 ummantelt, wobei der Brennpunkt P1 des
Bohrstrahles auch hier in der Bearbeitungsebene E gelegen ist.
Die in den F i g. 2 bis 5 gezeigten Linsensysteme sind lediglich schematisch dargestellt, wobei zur besseren
-to Übersicht auf die Darstellung der zur Anwendung kommenden Korrekturlinsen verzichtet wurde.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mittels Laserstrahlen, die ein das Laserstrahlenbündel in zwei demselben Arbeitsort zugeführten
Teilstrahlungen aufgliederndes Linsensystem aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Durchführung von Bohrungen in den Werkstücken das Linsensystem ein bifokussierendes Mehrlinsen-Objektiv (14) ist, das das Laserstrahlenbündel (3)
unter Beibehaltung einer gemeinsamen optischen Achse (A) in einen energiereichen Bohrstrahl (11)
und einen eine geringere Energiedichte als der Bohrstrahl (11) aufweisenden, die Randzone des
Bohrloches beaufschlagenden Schmelzstrahl (13) aufgliedert
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektiv-Linse (19) des Mehrlinsen-Objektivs (14) eine Ringlinse (20) und eine
planar hierzu angeordnete Kernlinse (21) ist, wobei diese beiden Linsenkörper (20, 21) aus Materialien
unterschiedlicher Brechungskraft bestehen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektiv-Linse (19) eine Fresnel-Linse ist
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrlinsen-Objektiv (14) eine
Ringlinse (20') sowie eine Kernlinse (21') aufweist die komplanar zueinander angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrlinsen-Objektiv (14) eine
ringförmige Objektiv-Linse (20') und eine hierzu komplanar gelegene Linse (25) aufweist die
gegeneinander einstellbar sind und daß diese beiden Linsen nur die Mantelzone des Laserstrahles (3)
beeinflussen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernlinse (2Γ) bzw. die
Zwischenlinse (25) in Richtung der optischen Achse verstell- und einstellbar sind.
Priority Applications (1)
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DE2713904A DE2713904C3 (de) | 1977-03-29 | 1977-03-29 | Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstucken mittels eines Laserstrahles |
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DE2713904A DE2713904C3 (de) | 1977-03-29 | 1977-03-29 | Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstucken mittels eines Laserstrahles |
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ID=6005022
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DE2713904A Expired DE2713904C3 (de) | 1977-03-29 | 1977-03-29 | Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstucken mittels eines Laserstrahles |
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