DE29609788U1 - Laser material processing device for processing, e.g. Welding, a workpiece surface - Google Patents
Laser material processing device for processing, e.g. Welding, a workpiece surfaceInfo
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Description
K 43 587/7K 43 587/7
Laser-Materialbearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten. z.B. Schweißen.Laser material processing device for processing, e.g. welding. einer Werkstückoberflächea workpiece surface
Die Erfindung betrifft eine Laser-Materialbearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten, z.B. Schweißen einer Werkstückoberfläche, mit einem Laser, der ein Laserstrahlbündel mit gegebenem Strahlprofil abgibt, und einer Fokussieroptik, die das Laserstrahlbündel im Bereich der Werkstückoberfläche fokussiert.The invention relates to a laser material processing device for processing e.g. welding a workpiece surface, with a laser that emits a laser beam with a given beam profile and a focusing optics that focuses the laser beam in the area of the workpiece surface.
Derartige Materialbearbeitungsvorrichtungen werden beispielsweise in Dentallabors, in Goldschmiede-Werkstätten zur Schmuckherstellung und ähnlichen Betrieben eingesetzt. Die üblichen Bearbeitungsarten sind Schweißen, Bohren oder Glätten.Such material processing devices are used, for example, in dental laboratories, in goldsmith workshops for jewelry production and similar businesses. The usual processing methods are welding, drilling or smoothing.
Als Laser wird zum Beispiel ein Nd:YAG-Laser verwendet, der zusammen mit einer Fokussieroptik und einer Zieloptik und weiteren EIementen in einem Gehäuse untergebracht ist. Mit Hilfe der Zieloptik wird eine gewünschte Bearbeitungsstelle auf der Werkstückoberfläche anvisiert, und durch Schalterbetätigung wird ein kurzer Laserimpuls ausgelöst. For example, a Nd:YAG laser is used as a laser, which is housed in a housing together with a focusing optic, a target optic and other elements. The target optic is used to target a desired processing point on the workpiece surface, and a short laser pulse is triggered by pressing a switch.
Bei solchen Materialbearbeitungsvorrichtungen liefert der Laser in der Regel ein Laserstrahlbündel mit im wesentlichen kreisrundem Strahlprofil. Dieses kreisrunde Strahlprofü bleibt -mit verändertem Durchmesser- erhalten, bis der Laserstrahl die Werkstückoberfläche erreicht.In such material processing devices, the laser usually delivers a laser beam with an essentially circular beam profile. This circular beam profile remains - with a changed diameter - until the laser beam reaches the workpiece surface.
Es hat sich nun gezeigt, daß bei zahlreichen Anwendungen ein solches kreisrundes Strahlprofil an der Bearbeitungsstelle auf der Werkstückoberfläche typische Konturen hinterläßt. Beim Schweißen entlang einer vorgegebenen Linie auf der Werkstückoberfläche wird bei einer Lasermaterialbearbeitungsvorrichtung eine Reihe einander teilweise überläppender Schweißstellen gebildet. Bedingt durch das kreisrunde Strahl-It has now been shown that in numerous applications such a circular beam profile leaves typical contours at the processing point on the workpiece surface. When welding along a given line on the workpiece surface, a series of partially overlapping welds is formed in a laser material processing device. Due to the circular beam
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profil entsteht dabei keine glatte Kontur-Linie, sondern eine Aneinanderreihung winziger bogenförmiger Kontur-Linien.profile does not create a smooth contour line, but rather a series of tiny, curved contour lines.
Erfolgt die Bearbeitung an oder in Ecken bzw. Kanten einer Werkstückoberfläche, wird die Bearbeitungsstelle bei einem kreisrunden Strahlprofil unsauber.If machining is carried out on or in corners or edges of a workpiece surface, the machining area will be unclean if the beam profile is circular.
Die oben aufgezeigten Unzulänglichkeiten bei der Materialbearbeitung mit einem Laserstrahlbündel kreisrunden Strahlprofils könnten dann vermieden werden, wenn das Strahlprofil des Laserstrahls im Fokus der Fokussieroptik, also im Bereich der Werkstückoberfläche, beispielsweise nicht kreisrund, sondern eckig wäre.The deficiencies in material processing with a laser beam bundle with a circular beam profile outlined above could be avoided if the beam profile of the laser beam in the focus of the focusing optics, i.e. in the area of the workpiece surface, were not circular, for example, but angular.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lasermaterialbearbeitungsvorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der in dem durch die Fokussieroptik gebildeten Fokus ein Strahlprofil gewünschter Form zur Verfügung steht.The invention is based on the object of specifying a laser material processing device of the type mentioned at the beginning, in which a beam profile of the desired shape is available in the focus formed by the focusing optics.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine im Strahlengang vor der Fokussieroptik angeordnete Strahlprofilmaske.This task is solved by a beam profile mask arranged in the beam path in front of the focusing optics.
Die Verwendung von Masken oder Blenden, um einem Laserstrahlbündel einen gewünschten Querschnitt zu verleihen, ist an sich bekannt, speziell auf dem Gebiet der Laser-Beschriftung. Bei der Materialbearbeirung durch Schweißen, Bohren und dergleichen war die Verwendung einer Maske oder Blende zur Beeinflussung des Strahlprofils bislang nicht üblich. Die oben angesprochenen Unzulänglichkeiten an den Bearbeitungsstellen auf der Werkstückoberfläche wurden als unvermeidbar hingenommen.The use of masks or apertures to give a laser beam a desired cross-section is known per se, especially in the field of laser marking. When processing materials by welding, drilling and the like, the use of a mask or aperture to influence the beam profile was not previously common. The deficiencies mentioned above at the processing points on the workpiece surface were accepted as unavoidable.
Prinzipiell läßt sich die Strahlprofilmaske an irgendeiner Stelle des Laserstrahls anordnen. In den meisten Fällen wird man dann jedoch eine unscharfe Abbildung der Maske im Fokus der Fokussieroptik erhalten. Dies steht dem Wunsch entgegen, ein scharf umrissenes Strahlprofil imIn principle, the beam profile mask can be positioned anywhere on the laser beam. In most cases, however, a blurred image of the mask will be obtained in the focus of the focusing optics. This is contrary to the desire to have a sharply defined beam profile in the
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Bereich der Werkstückoberfläche zu erhalten, welcher sich in der Regel
im Fokus befindet, um einen genau definierten Bearbeitungsfleck zur Verfugung zu haben, mit dem eine exakte Materialbearbeitung möglich
ist.
5To obtain an area of the workpiece surface which is usually in focus in order to have a precisely defined machining spot available with which precise material processing is possible.
5
Gemäß einer ersten Variante der Erfindung befindet sich die Strahlprofilmaske zwischen dem Auskoppelspiegel des Lasers und der Fokussieroptik, und zwar ist in diesem Bereich eine optische Zwischenebene gebildet, in der sich die Strahlprofilmaske befindet, und aus der heraus die Strahlprofilmaske in den Fokus der Fokussieroptik abgebildet wird. Die optische Zwischenebene kann z. B. durch ein Paar Linsen gebildet werden, die gemeinsam den Strahlverlauf praktisch nicht beeinflussen. Die Strahlprofilmaske wird zum Beispiel an der engsten Stelle des Strahlprofils angeordnet und von dort in den Fokus der Fokussieroptik abgebildet.According to a first variant of the invention, the beam profile mask is located between the laser's output mirror and the focusing optics, and in this area an optical intermediate plane is formed in which the beam profile mask is located and from which the beam profile mask is imaged into the focus of the focusing optics. The optical intermediate plane can be formed, for example, by a pair of lenses which together have practically no influence on the beam path. The beam profile mask is arranged, for example, at the narrowest point of the beam profile and from there imaged into the focus of the focusing optics.
In einer zweiten Variante der Erfindung, für die selbständiger Schutz geltend gemacht wird, kann auf eine optische Zwischenebene verzichtet werden. Statt dessen befindet sich die Strahlprofilmaske direkt auf der dem Auskoppelspiegel des Lasers zugewandten Stirnfläche des Laserstabs oder in der Nähe dieses Stabendes.In a second variant of the invention, for which independent protection is claimed, an optical intermediate plane can be dispensed with. Instead, the beam profile mask is located directly on the end face of the laser rod facing the laser's output mirror or in the vicinity of this rod end.
Diese Variante der Erfindung macht von der Erkenntnis Gebrauch, daß hinter der Fokussieroptik eine Ebene vorhanden ist, die unabhängig von der thermischen Linse des YAG-Stabs als optische Abbildung des dem Auskoppelspiegel des Lasers zugewandten Stabendes interpretiert werden kann. Die Erfindung nutzt diesen Zusammenhang, um in der nahe dem Fokus der Fokussieroptik entsprechenden Ebene dadurch einen scharf definierten Querschnitt oder ein scharf definiertes Profil des Laserstrahls zu erhalten, das man in der Nähe des Stabendes oder direkt auf dem Stabende eine entsprechend ausgebildete Maske anordnet. Diese Maske wird dann hinter den Fokus der Fokussieroptik abgebildet.This variant of the invention makes use of the knowledge that behind the focusing optics there is a plane which can be interpreted as an optical image of the rod end facing the laser's output mirror, independent of the thermal lens of the YAG rod. The invention uses this connection to obtain a sharply defined cross-section or a sharply defined profile of the laser beam in the plane close to the focus of the focusing optics by arranging a suitably designed mask close to the rod end or directly on the rod end. This mask is then imaged behind the focus of the focusing optics.
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Liegen die Fokusebene und die Abbildungsebene nicht zu weit auseinander, so erhält man in der Fokusebene eine ebenfalls relativ scharfe Abbildung der Maske.If the focal plane and the image plane are not too far apart, a relatively sharp image of the mask is obtained in the focal plane.
Gegenüber der zuerst erläuterten Variante mit optischer Zwischenebene zeichnet sich die zweite erfindungsgemäße Variante durch erheblich verringerten Platzbedarf und auch verringerte Kosten aus.Compared to the first variant with an optical intermediate level, the second variant according to the invention is characterized by significantly reduced space requirements and also reduced costs.
Mit der erfindungsgemäßen Laser-Materialbearbeitungsvorrichtung lassen sich auf der Werkstückoberfläche beispielsweise quadratische, rechteckige oder dreieckige Strahlprofile erzielen. Insbesondere Versuche mit einer in der Nähe des Endes des YAG-Stabs angeordneten Blende haben gezeigt, daß sich im Fokus der Fokussieroptik sehr scharfe quadratische und rechteckige Strahlprofile erzielen lassen. Mit Hilfe derartiger Strahlprofile können genau definierte, glatte Schweißlinien und dergleichen gebildet werden. Mit Hilfe eines dreieckigen Strahlprofils läßt sich eine saubere Bearbeitung in oder an Ecken von Werkstücken erzielen.With the laser material processing device according to the invention, for example, square, rectangular or triangular beam profiles can be achieved on the workpiece surface. In particular, tests with an aperture arranged near the end of the YAG rod have shown that very sharp square and rectangular beam profiles can be achieved in the focus of the focusing optics. With the help of such beam profiles, precisely defined, smooth welding lines and the like can be formed. With the help of a triangular beam profile, clean processing can be achieved in or on the corners of workpieces.
Die Maske oder Blende selbst kann ein relativ billiges Bauteil aus gestanztem Silber- oder Eisenblech oder aus Keramik sein. Alternativ kann eine geeignet geformte Glaslinse mit entsprechend geformtem Lochprofil verwendet werden.The mask or aperture itself can be a relatively inexpensive component made of stamped silver or iron sheet or of ceramic. Alternatively, a suitably shaped glass lens with a correspondingly shaped hole profile can be used.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:In the following, embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing. They show:
Fig. 1 eine schematische Anordnung einer Laser-Materialbearbeitungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, undFig. 1 shows a schematic arrangement of a laser material processing device according to a first embodiment of the invention, and
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer zweiten, bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laser-Materialbearbeitungsvorrichtung. Fig. 2 is a schematic view of a second preferred embodiment of the laser material processing device according to the invention.
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Prinzipiell sind Aufbau und Arbeitsweise von beispielsweise zum Schweißen von Werkstücken verwendeten Materialbearbeitungsvorrichtungen
bekannt. Ein in Fig. 1 links schematisch mit dem Bezugszeichen 2 angedeuteter Nd:YAG-Laser gibt einen Laserstrahl über eine rechts in
Fig. 1 dargestellte Fokussieroptik 22 auf eine (nicht dargestellte) Werkstückoberfläche.
Die Energie des Laserimpulses führt zu einem Anschmelzen des Materials in der Werkstückoberfläche.
Von dem Laser 2 ist der Resonator mit 4 bezeichnet. Zwischen einem ersten, total reflektierenden Spiegel 6 und einem zweiten, teilweise
reflektierenden Auskoppelspiegel 10 befindet sich ein Laserstab 8. Der
aus dem Auskoppelspiegel 10 nach rechts in Fig. 1 austretende Laserstrahl hat an der bezeichneten Stelle ein kreisrundes Strahlprofil, welches
mit 24 bezeichnet ist. In dem Strahlengang des Laserstrahlbündels befindet sich ein Linsenpaar 12 mit entsprechender optischer Zwischenebene
18, gebildet durch zwei mit Abstand voneinander angeordnete Linsen 14 und 16, die den Strahlquerschnitt zwischen sich verringern. Etwa in der
Mitte zwischen den zwei Linsen 14 und 16 befindet sich eine aus gestanztem Blech gefertigte Maske 18 mit einem rechteckigen Schlitz 20.In principle, the structure and operation of material processing devices used, for example, for welding workpieces are known. An Nd:YAG laser, indicated schematically on the left in Fig. 1 with the reference number 2, emits a laser beam via a focusing optic 22 shown on the right in Fig. 1 onto a workpiece surface (not shown). The energy of the laser pulse leads to melting of the material in the workpiece surface.
The resonator of the laser 2 is designated with 4. A laser rod 8 is located between a first, totally reflecting mirror 6 and a second, partially reflecting output mirror 10. The laser beam emerging from the output mirror 10 to the right in Fig. 1 has a circular beam profile at the designated point, which is designated with 24. In the beam path of the laser beam there is a pair of lenses 12 with a corresponding optical intermediate plane 18, formed by two lenses 14 and 16 arranged at a distance from one another, which reduce the beam cross-section between them. Approximately in the middle between the two lenses 14 and 16 there is a mask 18 made of punched sheet metal with a rectangular slot 20.
Der Schlitz 20 der Maske 18 wird über die Linse 16 und die Fokussieroptik 22 in den Fokus abgebildet, so daß dort ein scharfes Abbild 20' des Schlitzes 20 der Maske 18 entsteht.The slit 20 of the mask 18 is imaged into focus via the lens 16 and the focusing optics 22, so that a sharp image 20' of the slit 20 of the mask 18 is created there.
Eine zweite Ausführungsform der Laser-Materialbearbeitungsvorrichtung ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Entsprechende Teile sind mit ähnlichen, gegenüber Fig. 1 jeweils um 100 erhöhten Bezugszeichen versehen. A second embodiment of the laser material processing device is shown schematically in Fig. 2. Corresponding parts are provided with similar reference numerals, each increased by 100 compared to Fig. 1.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 fehlt die in Fig. 1 dargestellte optische Zwischenebene. Statt dessen befindet sich eine ebenfalls aus gestanztem Metallblech bestehende Strahlprofilmaske 118 mit einem rechteckigen Schlitz 120 direkt neben der dem Auskoppelspiegel 110 des Lasers 102 zugewandten Stirnfläche 109 des Laserstabs 108. Man kann die Maske 118 auch direkt auf der Stirnfläche 109 anordnen, so daß derIn the embodiment according to Fig. 2, the optical intermediate plane shown in Fig. 1 is missing. Instead, a beam profile mask 118, also made of punched sheet metal, with a rectangular slot 120 is located directly next to the end face 109 of the laser rod 108 facing the output mirror 110 of the laser 102. The mask 118 can also be arranged directly on the end face 109 so that the
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rechteckige Schlitz 120 scharf im Fokus der Fokussieroptik 122 abgebildet wird.rectangular slot 120 is sharply imaged in the focus of the focusing optics 122.
Die Form der Maske ist natürlich nicht auf die in Fig. 1 und 2 dargestellte Form beschränkt. Es können auch Masken mit einer quadratischen, dreieckigen oder anders gestalteten Öffnung verwendet werden. Die Ausführungsform nach Fig. 2 ist deshalb gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1 bevorzugt, weil man auf die Zwischenebene verzichten kann und dadurch eine beträchtliche Platzersparnis erreicht. Außerdem ist die Lösung preisgünstiger.The shape of the mask is of course not limited to the shape shown in Fig. 1 and 2. Masks with a square, triangular or other shaped opening can also be used. The embodiment according to Fig. 2 is preferred over the embodiment according to Fig. 1 because the intermediate level can be dispensed with, thus achieving considerable space savings. The solution is also more cost-effective.
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Claims (7)
10Focusing optics (22; 122) which focuses the laser beam bundle in the region of the workpiece surface, characterized by a beam profile mask (18, 20; 118, 120) arranged in the beam path in front of the focusing optics (22; 122).
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Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE29609788U DE29609788U1 (en) | 1996-06-03 | 1996-06-03 | Laser material processing device for processing, e.g. Welding, a workpiece surface |
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Publications (1)
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| DE29609788U1 true DE29609788U1 (en) | 1996-08-14 |
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ID=8024702
Family Applications (1)
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| DE29609788U Expired - Lifetime DE29609788U1 (en) | 1996-06-03 | 1996-06-03 | Laser material processing device for processing, e.g. Welding, a workpiece surface |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE29609788U1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1160588A1 (en) * | 2000-05-29 | 2001-12-05 | Consiglio Nazionale Delle Ricerche | Apparatus for shaping a laser beam for welding, particularly for the goldsmith sector |
| DE102007020704A1 (en) * | 2007-05-03 | 2008-11-13 | Carl Baasel Lasertechnik Gmbh & Co. Kg | Device for processing a workpiece using a laser beam comprises a beam shaping unit for shaping the intensity profile of the laser beam leaving an aperture and a screen arranged in the beam path between the aperture and the processing plane |
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-
1996
- 1996-06-03 DE DE29609788U patent/DE29609788U1/en not_active Expired - Lifetime
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