DE2740755A1

DE2740755A1 - Verfahren zum abtragen von material von einem metallischen werkstueck, insbesondere zum bohren, mittels eines fokussierten laserstrahlimpulses

Info

Publication number: DE2740755A1
Application number: DE19772740755
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl Phys Einstein; Ekkehard Dipl Phys Stuermer
Original assignee: Lasag AG
Current assignee: Lasag AG
Priority date: 1976-10-07
Filing date: 1977-09-09
Publication date: 1978-04-13
Also published as: FR2366910B1; FR2366910A1; GB1585609A

Description

DORivER & HUFNAGEL

F." ^ϊ:ΝΤΛ^Γ·:'Λ'.»^:ί"!Έ

LANDW₁-MPSIh s/ fiDco München 2

TL-.L. Ü 09 / 59 G7 G4

München, den 9. September 1977 Anwaltsaktenz.: k6 - Pat. 38

LASAG AG, Schweizerweg 8, CH 36ΟΟ Thun, Schweiz

Verfahren zum Abtragen von Material von einem metallischen Werkstück, insbesondere zum Bohren, mittels eines fokussierten Laserstrahl impuls es .

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtragen von Material von einem metallischen Werkstück, insbesondere zum Bohren, mittels eines fokussierten Laserstrahlimpulses eines gepulsten Infrarotlasers, insbesondere CO -Lasers.

Das Bohren von metallischen Werkstücken mittels Laserstrahlen, insbesondere aus einem CO -Laser, wird durch den hohen Refelxions· grad metallischer Oberflächen erschwert, weil der größte Teil der auf das Werkstück auftreffenden Laserstrahlung reflektiert und nur ein geringfügiger Teil zum Aufheizen der zu bearbeitenden Stelle genützt wird. Deshalb sind hohe Laserintensitäten zum Bohren metallischer Werkstücke erforderlich. Dies gilt insbesondere für Anwendungen, bei denen eine Aufheizung der Umgebung der Bearbeitungszone durch Wärmeleitung vermieden und deshalb mit kurzen Laserimpulsen, beispielsweise aus einem TEA-CO -Laser, gearbeitet

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werden muss. Bohrversuche an metallischen Werkstücken mittels COp-Lasern haben jedoch gezeigt, dass sich bei Infrarotlaserimpulsen hoher Intensität vor dem Werkstück eine LSD-Welle bildet, die die Strahlung absorbiert,, bevor sie auf das Werkstück trifft. Infrarotlaser, insbesondere CO-p-Laser, wurden daher bisher für das Abtragen von Material von metallischen Werkstücken als ungeeignet, bzw. der erreichbare Wirkungsgrad der Abtragung als ungenügend erachtet.

Der Erfindung li>egt die Aufgabe zugrunde, mittels eine·

Infrarotlaserimpulses, insbesondere eines mit einem COp-Laser erzeugten Impulses, Material mit einem hohen Wirkungsgrad von einem metallischen Werkstück abzutragen, bzw. die zum Abtragen einer bestimmten Materialmasse benötigte Zeit zu verkürzen. Unter dem Wirkungsgrad wird dabei das Verhältnis des Volumens des abgetragen·!) Materials zur Energie des Laserstrahlimpulses verstanden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelbst, da·· die Oberfläche der zu bearbeitenden Stelle des Werkstücke· in der Strahltaille des fokussierten Laeerstrahlimpulses oder in tintm Abstand in der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahlimpule·· vor der Strahltaille angeordnet und mit einer Helium und/oder Vastsrstoff enthaltenden Atmosphäre umgeben wird, und dsr etitlleht Inteneitätsverlauf des Laserstrahlimpulses so bemessen und dsr Laserstrahlimpuls unter einem derart groseen Oeffnungswinkel fokussiert wird, dass eimdie Laserstrahlung absorbierendes expandierendes Plasma am Anfang des Laserstrahlimpulses von der zu bearbeitenden Stelle

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gebildet, aber nur während eines Bruchteils des Laserstrahlimpulses aufrechterhalten wird.

Zur Erzielung eines maximalen Wirkungsgrads wird die Oberfläche der zu bearbeitenden Stelle des Werkstücks vorzugsweise in einem Abstand d in der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahlimpulses vor der Strahltaille angeordnet, wobei wenigstens annähernd

k * w

worin k = 0,1 bis 2,0, w der Radius der Strahltaille und a der Oeffnungswinkel des fokussierten Laserstrahlimpulses ist. FUr k wird zweckmässig k = 0,2 Ja is 1,O₇ z.B. k = 0,7 gewählt.

Unter dem Oeffnungswinkel a des fokussierten Laserstrahlimpulses wird der Winkel verstanden, den die optische Achse mit dem konischen Teil der HUlIflache des konvergierenden Laserstrahlimpulses bildet. Die Strahltaille ist die schmälste Stelle der HUIlfläche des fokussierten Laserstrahlimpulses. Bei einem vom Infrarotlaser mit dem Oeffnungswinkel Null emittierten Laserstrahl liegt die Strahltaille in der Brennebene der den Laserstrahlimpuls fokussierenden Fokussierung3optik. Der Radius w der Strahltaille ist (analog wie der Radius eines Laserstrahls)definiert als Radius des Kreises um die Strahlachse, durch den 86?o der Laserleistung transmittiert werden.

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Sin absorbierendes, expandierendes Plasma wird auch als LSD-Welle (Laser-Supported-Detonation-Welle) bezeichnet. Die LSD-Welle ist
eine aus einem Plasma gebildete, durch Absorption von Laserstrahlung aufrechterhaltene (supported), sich mit Ueberschallgpschwindigkeit gegen die AusbreLtungsrichtung der Laserstrahlung fortpflanzende (expandierende) ntosswelle. (Vgl. z.B. Ρ.Ξ. Nielsen und (i.il. Hinavan, "Laser Interaction and Related Plasma Phenomena, Vol. Ill, H.J. Schwarz und H. Hora, Plenum Press New York 1974, p. 177ff.).

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-A-

Das erfindungsgemässe Verfahren ist aus einem eingehenden Studium der physikalischen Vorgänge bei der Wechselwirkung von Infrarotlaserstrahlung eines COp-Lasers mit Metallen hervorgegangen. Untersuchungen im Rahmen der Erfindung lassen bei einem erfindungsgemäss bemessenen Laserstrahlimpuls einen in folgenden Phasen ablaufenden Materialabtragungsprozess vermuten: Beim Impulsanstieg des Laserimpulses wird die in oder vor der Strahltaille liegende Metalloberfläche (bzw. darin eingebettete Verunreinigungen) 80 erwärmt, dass Thermoemission von Elektronen einsetzt. Diese absorbieren Laserenergie durch inverse Bremsstrahlung und vermehren

sich durch Stossionisation. Beim Erreichen einer bestimmten Intensitätsdichte unmittelbar vor der zu bearbeitenden Stelle bilden sie ein Plasma, das den folgenden Strahlungsimpulsteil nahezu vollständig absorbiert und dabei stark aufgeheizt wird. Das heisse Plasma heizt insbesondere durch Wärmeleitung die oberste Schicht des abzutragenden Materials bis in die Umgebung des Schmelzpunktes auf. Diese Aufheizung d,er obersten Schicht des abzutragenden Materials durch das die Laserstrahlung absorbierende Plasma ist fur das erfindungsgemässe Materialabtragen wesentlich, weil der Laserstrahlimpuls wegen des hohen Reflexionegrade der Metalloberfläche von dieser nur schwach absorbiert wird und sie daher nicht wirksam aufzuheizen vermag. Das Plasma expandiert nach seiner Bildung aus dem Bereich vor der zu bearbeitenden Stelle heraus, wobei es eine LSD-Welle bildet, die sich mit einer Geschwindigkeit von ca. lcm/yus von der Oberfläche der zu bearbeitenden Stelle wegbewegt. Das Plasma verliert deshalb rasch den Wärmekontakt mit dem Werkstück, sodass die Aufheizung der zu bearbeitenden Stelle unterbrochen wird. Solange sich die LSD-Welle in einem Bereich der fokussierten Laserstrahlung befindet, in dem deren Intensität eine bestimmte Schwelle übersteigt, wird es von der Laser-

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Strahlung aufrechterhalten, absorbiert also diese, so dass keine oder nur eine geringe Materialabtragung erfolgt. Erfindungsgemäss werden nun der zeitliche Intensitätsverlauf des Laserstrahlimpulses so bemessen und der Oeffnungswinkel so gross gewählt, dass die LSD-Welle nur während eines Bruchteils des Laserstrahlimpulses aufrechterhalten wird. Durch den genügend grossen Oeffnungswinkel wird erreicht, dass die LSD-Welle rasch aus dem Bereich vor der Strahltaille in Bereiche niedrigerer Intensität gelangt, in denen die LSD-Welle erlischt, d.h. transparent für die Laserstrahlung wird, wobei der zeitliche Intensitätsverlauf so gewählt ist, dass nicht erneut eine LSD-Welle gebildet wird. Durch eine kurze Anstiegszelt des Laserstrahlimpulses und eine hohe Spitzenintensität, d.h. durch ein sprunghaftes Ansteigen des zeitlichen Intensitätsverlaufs des Laserstrahlimpulses auf eine hohe Spiteenintensität und ein anschliessendes Abfallen der Intensität kann dabei ein besonders rasches Erlöschen der LSD-Welle erreicht werden. Da die Gasdichte unmittelbar vor der zu bearbeitenden Stelle im Gefolge der LSD-Welle stark erniedrigt wurde, kann nach dem Erlöschen der LSD-Welle eine verhältnismässig hohe Intensität des Laserstrahlimpulses gewählt werden, ohne dass ein? Neubildung einer LSD-Welle erfolgt.

Die Wirkung der Wasserstoff und/oder Helium enthaltenden, dl· Oberfläche der zu bearbeitenden Stelle erfindungegemäee umgebenden Atmosphäre auf den Materialabtragungsprozess wurde im Vergleich eu Luft oder einer "andere Inertgase" enthaltenden Atmosphäre untersucht. ί (Unter "anderen Inertgasen" werden im folgenden reaktionsträge Oase wie Stickstoff und Edelgase mit Ausnahme von Helium verstanden). Der Wirkungsgrad eines Laserstrahlimpulses beim Materialabtragen erwies sich in einer Wasserstoff und/oder Helium enthaltenden Atmosphäre ale

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wesentlich grosser "ils in Luft oder in einer Atmosphäre aus "anderen Inertga3en". Die Ursache dieser Erhöhung des Wirkungsgrades liegt vermutlich in einem Zusammenwirken der geringeren Dichte, die eine raschere Expansion der LSD-Welle erlaubt, und der verhältnismässig hohen Ionisierungsenergie von Wisserstoff und Helium. Taiurch wird die Lebensdauer der LSD-Welle um mindentenn einen Faktor 2 verkürzt und im restlichen Zeitabschnitt de3 L'iserstrahli.mp;ilse3 kann eine verhältnismässig hohe, für das Materialabtragen wirksame Intensität des Laserstrahlimpulses gewählt werden, ohne dass eine weitere, die Laserstrahlung absorbierende LSD-Welle gebildet wiirie.

Die bevorzugte Anordnung der Oberfläche der zu bearbeitenden Stelle in einem bestimmten Abstand vor der Strahltaille führt ebenfalls zu einer Verkürzung der Lebensdauer der LSD-Welle, da diese dann rascher in Bereiche mit niedrigerer Intensität gelangt.

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Bei der erfindungsgemässen Anwendung wird das Verfahren nach der Erfindung zum Bohren von Werkstücken aus Metallen mit Reflexionsgr-iden von über 95$ bei Infrarotstrahlung der Wellenlänge 10 yum verwendet. Der Reflexionsgrad ist dabei definiert als der theoretisch aus der DC-Leitfähigkeit nach der Drude-Zener-Theorie berechnete Wert und wird auch als "bulk-reflectivity" im Gegensatz zum Oberflächenreflexionsgrad ("surface-reflectivity") bezeichnet.

Im folgenden werden anhand der beiliegenden Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Bohren von metallischen Werkstücken, bei der die Oberfläche der zu bearbeitenden Stelle eine3 Werkstücks im Bereich der Strahltaille de3 fokussierten Laserstrahl impulses angeordnet ist,

Fig. 2 einen Teil des zeitlichen Verlaufs der Strahlungsleistung eines beim erfindungsgemässen Verfahren anwendbaren Laserstrahlimpulses ,

Fig. 3-einen Teil des zeitlichen Verlaufs der Strahlungsleistung des von der bearbeiteten, mit einer Helium-Atmosphäre umgebenen Stelle des metallischen Werkstücks zurückreflektierten Laserstrahlimpulses nach Fig. 2,

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Fig. 4 den Wirkungsgrad beim Materialabtragen in Funktion der Energie des Laserstr-ihlimpulses für eine die bearbeitete Stelle des Werkstücks umgebende Helium- und eine Luft-Atmosphäre ,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer anderen Anordnung zum Bohren von metallischen Werkstücken, bei der die Oberfläche der zu bearbeitenden Stelle des Werkstücks in einem Abstand vor der Strahltaille des fokussierten L'iserstr'ihlimpulses angeordnet ist und

Fig. 6 den Verlauf des Wirkungsgrads beim Katerialabtragen in Funktion des Abstandes der Oberfläche der zu bearbeitenden Stelle von der Strahltaille und eine schematische Darstellung der Hüllkurve des fokussierten Laserstrahlimpulses in diesem Abstandsbereich.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Anordnung hat einen TEA-COp-Laser 1, eine Sammellinse 2, die einen vom Laser 1 emittierten Laserstrahlimpuls auf die Oberfläche der zu bearbeitenden Stelle 3 eines metallischen Werkstücks 4 fokussiert und eine Sammellinse 5, die den von der Stelle 3 reflektierten Teil des Laserstrahlimpulses auf einen Detektor 6 fokussiert.

Ein Kathodenstrahloszillograph 7 dient zur Aufzeichnung des Detektorsignals. Auf die Stelle 3 ist eine Düse 8 gerichtet, die an eine (nicht dargestellte), mit Helium gefüllte Gasflasche angeschlossen ist.Die Düse 8 kann eine ringförmige, konzentrisch zur Stelle 3 angeordnete Austrittsöffnung für das Helium und eine Bohrung für den Laserstrahlimpuls aufweisen.

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Der Helium-Durchfluss durch die Düse 8 ist mittels eines Ventils 9 einstellbar.

Der nicht näher dargestellte COp-Laser besteht aus einem, vom Lasergasgemisch durchströmten Entladungsrohr, in dem zwei mit sogenannten Rogowski-Profilen versehene, langgestreckte Elektroden symmetrisch und parallel zur Rohrachse angeordnet sind. Parallel zu ihrem Zwischenraum verläuft eine Blitzlampe. Elektroden und Blitzlampe sind mit einer steuerbaren elektrischen Impulsschaltung verbunden. Das Gasgemisch besteht aus Kohlendioxid, Stickstoff und Helium sowie einer kleinen Menge eines Gases mit einem Ionfeierungspotential unter 7 eV, z.B. Ferrocen, zur Erzielung einer homogenen Vorionisierung mittels der Blitzlampe. (Eine entsprechende Anordnung ist im schweizerischen Patentgesuch Nr. 240/75 beschrieben). Das Entladungsrohr wird von zwei Brewsterfenstern aus ZnSe abgeschlossen· Der Resonator des Lasers besteht aus einem konkav gewölbten, vergoldeten Metallspiegel und einem, den Auskopplungsspiegel bildenden, mit einem Reflexionsbelag beschichteten Planspiegel aus Germanium. Vor dem Auskopplungsspiegel ist eine Modenblende so angeordnet, dass der vom COp-Laser emittierte Laserstrahlimpuls eine TEM_OO-Modenstruktur aufweist. Die zwei im Resonator angeordneten Brewster-Fenster erzeugen eine lineare Polarisation des Laserstrahlimpulsee mit horizontaler Polarisationsebene. Die Wellenlänge Λ des Laserstrahlimpulsee beträgt λ = 10,6 /dm.

Die aus Zinkselenid bzw. Germanium bestehenden Sammel linsen 2 bzw. 5 haben Brennweiten von 6,4 bzw. 5 cm. Der mit der Line« 2 erzeugte Oeffnungswinkel a beträgt 3,6°. Er ist vom Durchmesser des Laserstrahls und von der Brennweite der Linse abhängig. Grössere Oeffnungswinkel lassen sich z.B. mittels eines zwischen dem Laser und der Linse 2 zur Strahlenaufweitung angeordneten Teleskops erreichen

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Die zu bearbeitende Oberfläche des Werkstücks 4 ist gegen die Richtuni der vom Laser 1 emittierten Laserstrahlung derart geneigt, dass dor grösste Teil des von der bearbeiteten stelle 3 reflektierten Laoorstrahlimpulses durch die Sammellinse 5 auf den Detektor 6 fokussiert wird. Falls ein senkrechtes Loch durch das Werkstück 4 gebohrt werden soll und deshalb das Werkstück senkrecht zur Laserstrahlung angeordnet werden muss, kann ein Strahlungsteiler zwischen dem Laser 1 und der Sammellinse 2 angeordnet werden, um das reflektierte Licht auf den Detektor 6 zu lenken. Der Detektor 6 ist ein bei einer Wellenlänge von 10 um empfindlicher Infrarotdetektor mit einer Bandbreite von mindestens 20 MHz, z.B. ein Photon-Drag-Detektor.

Anhand Fig. 2 und 3 wird im folgenden ein Bohrverfahren beschrieben, bei dem mit einem einzigen kurzen Laserstrahlimpuls eine etwa 25 um tiefe, parabolische Vertiefung mit einem Aussendurch messer von 160 um gebohrt wird, 'i'iefe bzw. durch das Werkstück durchgehende Löcher können mittels wiederholter, auf dieselbe Stelle fokussierter Laserstrahlimpulse eines COp-Lasers mit geeignet gewählter Impulsfolgefrequenz oder langer Laserstrahlimpulse gebohrt werden.

Die zu bearbeitende Stelle 3 des Werkstücks 4 wird zuerst mittels eines genügenden Helium-Durchflusses durch die Düse θ mit einer wenigstens 50$ und vorzugsweise über 90$ Helium enthaltenden Atmosphäre umgeben, die bis zum Ende des Bohrprozesses aufrechterhalten wird. Darauf wird mittels der elektrischen Impulsschaltung des Lasers 1 ein Laserstrahlimpuls ausgelöst, der von der Linse 2 auf die Oberfläche der zu bearbeitenden Stelle fokussiert wird.

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4g

' .[-ei wird die Arust i*:^3ze it den Laserstrahl impulses der'trt Kurz gegen die Impulsdauer, die 3pitzeninten3ität derart hoch und der Oeffnungswinkel der Linse 2 bzw. deren effektives Oeffnungsverhältnis (d.i. das Verhältnis des Strahldurchmessers zur Linsenbrennweite) derart gross gewählt, dass die zu Beginn der Wechselwirkung vor der zu bearbeitenden Stelle 3 gebildete, die Laserstrahlung absorbierende LSD-Welle während weniger -ils einem Zehntel der Impulsdauer so weit aus dem Bereich vor der zu bearbeitenden Stelle 3 expandiert, dass dadurch im weiteren Impulsverlauf höchstens eine vernachlässigbare Absorption der Laserstrahlung bewirkt

Eine entsprechende Bemessung des Intensitätsverlaufs dee

Laserstrahlimpulses wird durch eine geeignete Wahl der Resonatoranordnung des Lasers 1, inbesondere des Reflexionsgrads des Auskopplungsspiegels, der elektrischen Entladung und der Gasmischung erreicht .

Um das Auftreten, Beatehen und Expandieren einer die Laserstrahlung absorbierenden LSD-Welle festzustellen, idjrl der toi dear (ftsrfläde der bearbeiteten Stelle 3 des Werkstücks 4 reflektierte Teil des Laserstrahlimpulses mit dem Detektor 6 und dem Kathodenstrahloszillograph 7 gemessen. Die, mit dem Anstieg des Laserstrahlimpulses zunächst zunehmende, reflektierte Strahlungsleistung nimmt bei der Bildung einer LSD-Welle auf weniger als die Messgrenze ab.

Ist die LSD-Welle weit genug expandiert und wird sie nicht neu gebildet, so steigt die reflektierte Strahlungsleistung wieder an und erreicht den Wert O erst wieder am Ende des restlichen Zeitabschnitts des Laserstrahlimpulses. Bleibt die LSD-Welle

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dagegen erhalten , z.B. infolge ungeeigneter Wahl der Fo/ussiorungsoptik (zu kleiner Oeffnungswinkel bzw. zu grosse Brennweite), des Intensitätsverlaufs oder der Umgebungsatmosphäre an der Stelle 3, so würde dagegen auch im restlichen Zeitabschnitt des Laserstrahlimpulses praktisch keine reflektierte Strahlungsleistung detektiert.

Der Intensitätsverlauf des Laserstrahlimpulses wird so gewählt, dass die reflektierte Strahlung nach einem ersten Anstieg im ersten Zeitabschnitt des Laserstrahlimpulses auf Null absinkt, darauf wieder

zunimmt und im restlichen, längeren Zeitabschnitt des Laserstrahierst impulses den Wert Null nicht mehr, d.h./am Impulsende erreicht.

Mit dem beschriebenen Laser 1 können nach ¹TaUeT und Intensitäts-

vnrlauf auf-33#wiederholbare Laserstrahlimpulse erhalten werden. Nachdem die Bedingungen zur Erzeugung eines geeigneten Laserstrahlimpulses gefunden wurden, kann daher das Verfahren an Werkstücken mit gleichartiger Oberflächenbeschaffenheit (insbesondere gleichem Reflexionsgrad bei der Laserwellenlänge von 10,6 um ) ohne nochmalige Messung des reflektierten Laserstrahlimpulses durchgeführt werden. Die reflektierte Strahlungsleistung kann allenfalls zur Kon trolle periodisch oder stichprobenartig gemessen werden.

In Fig. 2 ist der Beginn des zeitlichen Verlaufs

der Strahlungsleistung P- eines Laserstrahlimpulses 10 dargestellt, der sich für das Abtragen von Material von einem Werkstück aus hochreflektierendem Metall, z.B. Kupfer,als geeignet erwiesen hat. Der Laserstrahlimpuls 10 wurde durch den oben beschriebenen TEA-COp-Laser 1 erzeugt, wobei ein Auskopplungsspiegel mit einem Reflexions-

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■>■■.: vjti ."■ ' urA (Mt¹C r]:;.i.iu^fi:.i·;;· -v-is ('' '■ . , "¹A'' !J₀ und 60'"' He mit einem Ferrocen-Zusatz gewählt wurde. Zur Erzeugung des Laserstrahlimpulses 10 wird die UV-Blitzlampe, bestehend aus einer Reihe kleiner Funkenstrecken gezündet, so dass der Ferrocen-Zusatz in der Gasmischung ionisiert wird. Nach einer Verzögerung von einigen Mikrosekunden wird mittels einer Funkenstrecke ein auf etwa 25 kV aufgeladener Kondensator von 15nF über die Elektroden des Lasers 1 entladen. Durchiie Ionisierung des Ferrocen-Zusatzes wird eine homogene elektrische Entladung zwischen den Elektroden erreicht, so dass der Impuls 10 -iuf t 10'' reproduzierbar ist.

Die Impulsdauer des Laserstrahlimpulses 10 beträgt etwa 4 Mikrosekunden. Jn Fig. 2 ist lediglich der Impulsverlauf in den ersten 600ns dargestellt. Während des restlichen Teiles der Impulsdauer nimmt die Intensität weiter etwa linear ab. Die Strahlungsleistung P_T steigt am Impulsanfang sprunghaft, in einer gegen die Impulsdauer kurzen Zeit von unter 200 ns auf eine Spitzenleistung an und fällt darauf zunächst exponentiell, dann linear ab. Infolge sogenannten "Mode-Beatings" weist der Impuls Intensitätsschwankungen mit einer Frequenz von etwa lOOMHz auf. Die Spitzenleistung des Impulses 10 beträgt etwa 60 kW, dessen Energie etwi 40-50 Nilli—Joule. Per Durchmesser des Laserstrahls im Fokus der Linse 2, d.h. auf der zu bearbeitenden Stelle 3, beträgt etwa 100 um. Daraus ergibt sich eine Spitzenintensität des Laserstrahlimpulses im Fokus von einigen 10 W/cm .

In Fig. 3 ist der zeitliche Verlauf der Strahlungsleistung P_n

des von der Stelle 3 reflektierten, mittels der Linse 5 auf den Detektor 6 fokussierten und vom Kathodenstrahloszillographen7 aufge-

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zeichneten Teils des Laserstrahl i :τιρ .ilsea l· 'i-ii>-esteilt. .'aiLoi w trie die Stelle 3 vor und während der Auslösung des Laserstrahlimpulses 10 mittels eines genügenden Helium-Durchflusses durch die Düse 8 mit einer fast vollständig au3 Helium bestehenden Atmosphäre umgeben.

Beim Anstieg des Laserstrahl impulses ld nimmt die reflektierte Strahlungsleistung P_n zunächst zu, bis 3ich bei P'enüfend hoher

Intensität des Impulses unmittelbar vor der Stelle 3 ein Plasma bildet. Der unmittelbar folgende Teil des Laserstrahlimpulses IO wird vom Plasma absorbiert, wodurch dieses aufgeheizt wird und eine oberste Materialschicht an der Stelle 3 durch Wärmeleitung bis in die Umgebung des Schmelzpunktes des Metalls erhitzt, 's'pren der Absorption des Laserstrahlimpulses im Plasma fällt die Leistung P_n auf Thill, h'3

bildet sich eine LSD-Welle, die während einer Zeit dt von etwa 100 ns aus dem Bereich vor der Stelle 3 expandiert und danach nur noch einer so geringen Strahlungsdichte ausgesetzt ist, dass sie erlischt und für die Laserstrahlung transparent wird. Die Leistung P_n nimmt daher wieder zu.

Durch die wieder auf das Werkstück 4 fallende Laserstrahlung wird die zu bearbeitende Stelle 3 bis über den Siedepunkt aufgeheizt. Im abströmenden Metalldampf bildet sich dann ein (im Gegensatz zur LSD-Welle) stationäres, den grössten Teil der Laserstrahlung absorbierendes Plasma und zwar so nahe vor der zu bearbeitenden Stelle 3, dass ein guter Wärmekontakt entsteht und Laserenergie bis zum Ende des Laserstrahlimpulses 10 wirkungsvoll in das Werkstück 4 eingekoppelt wird. Die Intensität ist dabei so bemessen, dass ein radialer Druckgradient im teilweise verdampften Material erzeugt wird, der zur Au:; tre ibutw.

flüssigen Materials ausreicht (wie im Schweiz. Patentgenuch Nr. 12 766/ 75 beschrieben). 8098 15/0572

^ ic·.-. ... r .λ i-t. dt rii.Tjai die Le U; t-mg I_n all.-nanlicn ab, wis - wie erwähnt - nicht auf die Bildung einer neuen LSD-Welle surlickzufUhren ist (-lie Leistung P_R erreicht den Wert Null dabei

nicht wieder) sondern eine FoIfe des aus dem Material austretenden

Dampfes und des stationären Plasmas ist, die die Laserstrahlung

teilweise absorbieren bzw. in uusserh'ilb des von der Linse 5 erfassten Bereiches ablenken.

In ^ig. 4 ist der Wirkungsgrad W beim Abtragen von .Material von einem Kupferwerkstüdk in Funktion der Impulsenergie E dargestellt, Impulslänge und Impulsform der Laserstrahlimpulse verschiedener 3nergie sind bei den der Figur 4 zugrundeliegenden Kessunken gleich und zwar entsprechend dem Laserstrahlimpuls 10 in Fig. 2 gewählt worien.Zur Verkleinerung der Impulsenergie E wurden zwischen Laser und Linse 2 Abschwächer in den Strahlengang gebracht. Die ausgezogene Kurve 11 zeigt den Verlauf des Wirkungsgrades W im Falle einer die bearbeitete Stelle 3 umgebenden Helium-Atmosphäre, die gestrichelte Kurve 12 im Falle einer Luft-Atmosphäre. Der optimale rr.it der Linse 2 (Brennweite 6,4 cm) erreichbare Wirkungsgrad wird in einer Helium-Atmosphäre bei einer Impulsenergie von 40 bis 50 mJ erzielt, d.h. unter Verwendung des Laserstrahlimpulses 10 nach Fig. 2.

Der Grund für den bei Luft im Vergleich zu Helium kleineren Wirkungsgrad liegt darin, dass die Zeit dt, während welcher das die Laserstrahlung absorbierende Plasma aus dem Fokus expandiert,

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in Luft mindestens 2 mal langer ist als in Helium, so dass die Verdampfung des Materials, d.h. der Vorgang des Abtrager.s von Material (z.B. der Bohrvorgang) wesentlich später als in einer Heliiimatrsosphäre einnetzt. Zudem kühlt die zu bearboitor.de .""teile während der te: dor Bearbeitung in Luft lungeren Zeit dt stärker ab* ] er niedrige WirKung:;-grad bei Impulsenergien unier etwa 30 m-J int wahrscheinlich dadurch bedingt, dass die für die Aufrcchterhaltung des Bohrvorgar.ges mindestens erforderliche Strahlungsintensität während eines zu Kurzen Zeitintervalls zur Verfugung steht. Der niedrige Wirkungsgrad bei lapulsenergien über etwa 60 mJ (bzw. bei hohen strahlungsleistungen) ist dadurch bedingt, dass die LSD-Welle infolge der hohen Intensität im restlichen Zeitabschnitt des Laserstrahl impulses einen zu hohen Absorptionsgrad aufweist bzw. im restlichen Zeitabschnitt des Laserstrahlimpulses erneut vor der Stelle 3 eine LSD-Welle gezündet wird.

Zur Kontrolle des Auftretens und des Bestehens der LSD-Welle kann anstelle der reflektierten Laserstrahlung (P_ in Fig. 3) auch die von der LSD-Welle emittierte elektromagnetische Strahlung gemessen werden und zwar zweckmässig in einem Spektralbereich, der ausserhalb des Emissionsspektrums des glühenden Metalls bzw. der Metalldampfe sowie der Laserstrahlung liegt.

Anstelle von Helium kann die zu bearbeitende Stelle auch mit Wasserstoff umgeben werden, wobei ähnliche Wirkungsgrade erzielt werden. Wird Wasserstoff verwendet, so muss zur Vermeidung von Explosions-

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gefahr mindestens das Werkstück 4 mit einer (nicht dargestellten) gasdichten Kammer umschlossen werden, die unter Ausschluss von Sauerstoff mit einer wenigstens ¹JOi Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre gefüllt wird. Die Kammer kann natürlich auch mit Helium gefüllt werden. Ferner weist die Kammer im durch die Linse 2 einfallenden und im durch die Linse 5 ausfallenden Strahlengang je ein für die Laserstrahlung durchsichtiges Fenster auf.

Die in Fig. 5 dargestellte Anordnung besteht aus dem im Zusammenhang mit Fig. 1 'näher beschriebenen CO„-Laser 1, einer den Laserstrahlimpuls fokussierenden Sammellinse 13 und dem zu bearbeitenden Werkstück 14. Die Linse 13 hat eine gegenüber der Linse 2 nach Fig. 1 grössere Brennweite von f = 12,5 cm. Demgemäss ist der sich aus dem Radius des Laserstrahlimpulses am Ort der Linse 13 von R - 4 mm und der Brennweite f = 12,5 cm ergebende Oeffnungswinkel a¹ des fokussierten Laserstrahlimpulses kleiner als der Oeffnungswinkel a (Fig. 1) und beträgt lediglich a¹ = 1,8 Die Hüllfläche 15 des fokussierten Strahls hat, wie in Fig. 6 angedeutet, die Form der Mantelfläche eines einschaligen Hyperboloids. Die Strahltaille 16, d.i. die engste Stelle der Hüllfläche 15, liegt ungefähr in der Brennebene 17 der Linse 13. Der Radius w der Strahltaille berechnet sich aus

^ ' tg a'

zu w = 101 Aim, in guter Uebereinstimmung mit einem experimentell gemessenen Wert von w = 106 yum. Die Oberfläche 18 der zu bearbeitenden Stelle des metallischen Werkstücks 14 ist zwischen der Linse

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13 und der StrahltaiLle 16 der» fokussieren :.a::er3trar.lc senkrecht zur optischen Achse 19 der Linse 15 angeordnet. Per Abstand d der Oberfläche 18 von der Strahltaille 16 bzw. ier Brennebene 17 ist nach der Formel

et - , .

tg a'

bemessen. Darin ist k ein empirisch zu 0,7 bestimmter Faktor. Daraus ergibt sich ein Abstand d von 2,4 mm. Die Pberfläche 13 ist also in einem gegenüber der Brennweite f kleinen At stand d 'der Abstand d beträgt 1,9^ der Brennweite f) vor der Brennete.ne 17 der Linse 13 angeordnet. Auf die zu bearbeitende Oberfläche 13 ist eine (nicht dargestellte) mit Heliur.gas beschickte Z <se gerichtet.

Zum Bohren des Werkstücks 14 wird zunächst der Ort der

Strahltaille Ib des fokussierten Laserstrahl impulses bestimmt. Dies

beispielsweise
kann experimentell/folgendermassen durchgeführt werden: Sin Stück Plexiglas wird schrittweise entlang der optischen Achse 19 verschoben. Bei jedem Schritt werden nebeneinander zwei Löcher mit

möglichst kleiner Laserstrahlimpulsen verschiedener/Energie gebohrt. Diese beiden Löcher sind je von einer Quell zone umgeben, deren äusser Durchmesser D. und Dp mit dem Strahlradius R des Laserstrahls an der betreffenden Stelle der optischen \chse 19 durch die Gleichung

,Mi^Ln(R. /?,.,) pf - V'i

Ll. 1- L

verknüpft sind. Darin bedeuten E, und K die Energien der beiden Laserimpulse, nit denen die Löcher erzeugt wurden. Die Strahltaille 16 befindet sich an der SteLLe der optischen Achse 19, an der der kleinste Strahlradius R gemessen wird. Dort gilt w - R. Darauf wird der Abstand d nach der Formel

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k · w
d = , worin k = 0,7

tg a·

berechnet und die Oberflache 18 der zu bearbeitenden Stelle des Werkstücks 14 in \bstand d vor der Htrahltaille 16 angeordnet. Die Oberfläche 13 wird dann mit einer wenigstens 50^ Helium enthalten len \t:::">nphäre umgeben und der Bohrprozess durch Auslösen eines Laserstrahl impulses eingeleitet, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 bis 4 erläutert ist.

Zu.7. Bohren tiefer Löcher mittels mehrerer aufeinanderfolgender Laserstrahlimpulse kann entweder das Werkstück 14 kontinuierlich oder schrittweise nach jedem Laserstrahlimpuls in Richtung des ί fei Ls 20 gegen die Linse 13 oder diese in Richtung des Pfeils 21 gegen das Werkstuck 14 geschoben werden, derart, dass die Cterfläche 13 der zu bearbeitenden Stelle beim Auftreffen jedes Laserstrahlimpulses stets im Abstand d vor der Strahltaille 16 liegt.

[n Fig. 6 ist der experimentell bestimmte Verlauf des lurch dar, VorhüLtn ir, der, Volumens", der; abgetragenen Materials zur Energie des Laserstrahl impulses definierten Wirkungsgrads W der y.ateri'-ilabtragung in Funktion des Abstanden d der Oberflache 18 von der strahl taiLie IC ufgezeichnet. Als Material wurde Kupfer gewählt. Das Max L:n. i.ri Ie.⁰. WirKungr.grads W wird bei im Abstand d -2,4 mm vor der .5trahLta LL Le 16 angeordneter Oberfläche 18 erzielt. fie i in der JtrahLta L Lie L6 (1 - O) angeordneter Oberfläche 18 werden Lediglich 60 ^l% des maximalen Wirkungsgrads erreicht.

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Der mit der Anordnung nach Fig. 5 im Bereich der Strahltaille erzielte Wirkungsgrad W ist deshalb kleiner als der mit der Anordnung nach Fig. 1 erzielte Wirkungsgrad W, weil der mit der Linse 13 erreichte Oeffnungswinkel a' Kleiner als der mit der Linse 2 erreichte Oeffnungswinkel a ist.

Der Faktor k ist abhängig von der Art der die Oberfläche der zu bearbeitenden Stelle umgebenden Atmosphäre. Im Vakuum, in dem sich keine LSD-Welle bildet, ist k = 0, in Luft k = 1,4. Verschiedene Experimente haben gezeigt, dass der Faktor k in Helium zwischen 0,6 und 0,8 liegt.

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Claims

PATENTANSPRUECHE

1.)Verfahren zum Abtragen von Material von einem metallig Werkstück, insbesondere zum Bohren, mittels eines fokussierten Laserstrahlimpulses eines gepulsten Infrarotlasers, insbesondere COp-Lasers, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der zu bearbeitenden Stelle (3; 18) des Werkstücks (4; 14) in der Strahltaille 0-6) des fokussierten Laserstrahlimpulses (10) oder in einem Abstand (d) in der Ausbreitungsrichtung de3 Laserstrahlimpulses (10) vor der Strahltaille (16) angeordnet und mit einer Helium und/oder Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre umgeben wird, und der zeitliche Intensitätsverlauf des Laserstrahlimpulses (10) so bemessen und der Laserstrahlimpuls (10) unter einem derart grossen Oeffnungswinkel (a; a¹) fokussiert wird, dass ein die Läse strahlung absorbierendes, expandierendes Plasma am Anfang des Laser- :3trahlimpuise3 (10) vor der zu bearbeitenden Stelle (3; 18) gebildet, aber nur während eines Bruchteils des Laserstrahlimpulsea (10) aufrechterhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche 0-Φ der zu bearbeitenden Stelle des Werkstücks (14) in einem Abstand d, in der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahlimpulses vor der Strahltaille (16) angeordnet wird, wobei

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ORIGINAL INSPECTED

wenigstens annähernd

a - k ' ^w
^α " tg a '

worin k = 0,1 bis 2,0, w der Radius der Strahltaille (16) und a der Oeffnungswinkel des fokussierten Laserstrahlimpulses ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass k = 0,2 bis 1,0 ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, diss k = 0,5 bis 0,9 ist.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere aufeinanderfolgende Laserstrahlimpulse zum schrittweisen Abtragen von Material erzeugt werden, und das Werkstück (14) oder die Strihltaille (16) nach Auftreffen jedes Laserstrahlimpulses derart verschoben wird, dass sich die Oberfläche (18) der jeweils zu bearbeitenden Stelle des«Werkstücks (14) beim Auftreffen jedes Laserstrahlimpulses im Abstand d vor der Strahltaille (16) befindet.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsleistung (P_n) wenigstens eines Teils des von der zu bearbeitenden Stelle (3) des metallischen Werkstücks (4) reflektierten Laserstrahlimpulses in Funktion der Zeit gemessen und der zeitliche Intensitätsverlauf des Laserstrahlimpulses (10) so gewählt wird, dass die zuerst beim Anstieg des Laseratrahlimpulses (10) zunehmende reflektierte Strahlungsleistung (P«) infolge der Bildung des die Laserstrahlung absorbierenden, expandierende« Plasmas 809815/0672 '

wenigstens annähernd auf Null abnimmt und darauf infolge Erlöschen dieses expandierenden Plasmas wieder zunimmt.

7. Verfahren n-ich Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass die Strahlungsleistung der von den vor der zu bearbeitenden

Ulli? o_rb_i_erend en, expand i erend en Fla sraa, Stelle (3; 18) gebildeten > f emittierten elektromagnetischen Strahlung in einem ausserhalb des beim Materialabtragen auftretenden Emissionsspektrums des glühenden Metalls bzw. der Metalldäapfe sowie der Laserstrahlung liegenden Spektralbereich gemessen und der zeitliche Inten3ität3verlauf des Laser3trahlimpulses (10) so gewählt wird, dass die gemessene Strahlungsleistung zuerst infolge der Bildung des die Laserstrahlung absorbierenden,, expandierenden Plasmas zunimmt und darauf infolge des Erlöschens dieses Plasmas wieder abnimmt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die, die Oberfläche der zu bearbeitenden Stelle (3; 18) umgebende Atmosphäre wenigstens 50$ Helium und/oder Wasserstoff enthält.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die, die Oberfläche der zu bearbeitenden Stelle (3; 18) umgebende Atmosphäre aus wenigstens 90$ Helium besteht.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Intensitätsverlauf des Laserstrahlimpulses (10) so gewählt wird, dass dessen Intensität sprunghaft auf eine Spitzenintensität ansteigt und d-in-ich 'ib

8 0 9 8 1 b / 0 b 7 2

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anstiegszeit des Laserstrahlimpulses (10) derart kurz gegen die Impulsdauer und die Spitzenintensität derart gross gewählt werden, d-iss das die Laserstrahlung absorbierende ,expandierende während eines Bruchteils der Impulsdauer aus dem Bereich vor der zu bearbeitenden Stelle (3; 18) expandiert.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des Laserstrahlimpulses (10) während des restlichen Zeitabschnitts zum Schmelzen des abzutragenden Materials und zur Erzielung eines, geschmolzenes Material austreibenden, radialen Druckgradienten des teilweise verdampften Materials bemessen wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Intensitätsverlauf des Laserstrahlimpulses (10) eine wenigstens annähernd periodische Schwingung überlagert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Intensitäteverlauf des Laserstrahlimpuleee (10) so gewählt wird, dass die maximale Strahlungsdichte vor der eu bearbeitenden Stelle in einem ersten Zeltabschnitt des Laserstrahl-

β 2
impulses (10) grosser als 10 V/cm ist,

15. Verfahren nach Anspruch 1 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsdauer des Laserstrahlimpuleee mehrere Mikrosekunden beträgt.

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16. Verfahren nach Anspruch 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Strahltaille zwischen 80 und 150 Mikrometer, die Energie des Laserstrahlimpulses wenigstens 10 Milli-Joule und die Spitzenleistung des Laserstrahlimpulses wenigstens 5 kW beträgt.

17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahlimpuls (10) unter einem Oeffnungswinkel (a) von wenigstens 2 fokussiert wird.

18. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen gepulsten Infrarotlaser (1), eine Fokussierungsoptik (2; 13) zur Fokussierung des Infrarotlaserimpulses (10) und Mittel (8, 9) um die zu bearbeitende Stelle (3; 18) des Werkstücks (4; 14) mit Helium und/oder Wasserstoff zu umgeben.

19. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarotlaser ein gepulster COp-Laser, insbesondere ein TEA-C0₂-Laser ist.

20. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierungsoptik eine Sammellinse mit einer Brennweite von höchstens einigen Zentimetern ist.

21. Anordnung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Laoerreoonator (1) so ausgeführt ist, di3S der

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Laserstrahlimpuls (10) eine TEM -Modenstruktur aufweist.

22. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (18) der zu bearbeitenden Stelle des Werkstücks (14) zwischen der Fokussierungsoptik (13) und der Strahltaille (16) des fokussierten Laserstrahlimpulses liegt, wobei der Abstand d der Oberfläche (18jvon der Strahltaille (16) wenigstens annähernd

d = k ' ^w

tg a

ist, worin k = 0,1 bis 2,0, w der Radius der Strahltaille (16) und a der Oeffnungswinkel des fokussierten Laserstrahlimpulses ist.

23. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zum Materialabtragen von Werkstücken (4; 14) aus Metallen oder Legierungen, deren Reflexionsgrad bei Infrarotstrahlung der Wellenlänge 10,6 yum über 95^ beträgt, oder von Werkstücken (4; 14), die mit einer Schicht aus solchen Metallen oder Legierungen überzogen sind.

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