DE2713904C3

DE2713904C3 - Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstucken mittels eines Laserstrahles

Info

Publication number: DE2713904C3
Application number: DE2713904A
Authority: DE
Inventors: Paul 8000 Muenchen Mueller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-03-29
Filing date: 1977-03-29
Publication date: 1979-10-04
Also published as: DE2713904B2; DE2713904A1

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 Stahlbiegesthwingers 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 mti: der Stirnfläche des Stanlbiegeschwingers verschweißt Dadurch kann es vorkommen, 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 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

^JU 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 Schneidvorrichtung 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-

Sprüchen ersichtlich. Es zeigt

F i g. 1 eine Vorrichtung zum Abgleichen eines Stahlbiegeschwingers,

Fi 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 P\ und P2 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 Übereinstimmung 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 Ober einen Umlenkspiegel 16 in die optische Achse A des Bohrerstrahles 11 eingeblendet wird. Sofern der den Bohrstrahl U 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 du cn 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 R\ und Rz 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 f\. Dies hat zur Folge, daß der Schmelzstrahl während des Bohrvorganges bzw. während des Abgleichens die Randzone Z des Bohrloches 15 beaufschlagt und dabei den Bohrgra|i2 aufschmelzt; dadurch verschweißt der Bohrgrat mit äer Stirnfläche 2 des Werkstückes 1. Die Streulinse 18 der Objektivlinse 19 ist hier wahlweise in Richtung der

s 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. 3 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 RA 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 Kernlose 21' getrennt von der Ringlinse 20' und komplanar zv ihr angeordnet, sowie zwischen der in Pfeilrichtung 23 einstellbaren Streulinse 18 und der Ringlinse 20/ gelegen; sie ist in Pfeilrichtung 24 einstellbar. Die Brennpunkte Pi und P 2 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 F i g. 4 eine Zwischenlinse 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

Obersicht auf die Darstellung der zur Anwendung kommenden Korrekturlinsen verzichtet wurde.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprache:

I₁ 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-Objektivi (14) eine Ringlinse (20) und eine planar hierzu angeordnete Kernunss (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 Fresnellinse ist
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrlinsen-Objektiv (14) eine Ringlinse (2C) sowie eine Kernlinse (21') aufweist, die komplanar zueinander angeordnet sind
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrlinsen-Objektiv (14) eine ringförmige Objektiv-Linse (20^r/ und eine hierzu komplanar gelegene Linse (25) aufweist, die gegeneinander einstellbar sind unu daß diese beiden Linsen nur die Mantelzone des Laserstrahles (3) beeinflussen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernlinse (21') bzw. die Zwischenlinse (25) in Richtung der optischen Achse verstell- und einstellbar sind.