DE3106369A1

DE3106369A1 - Laser-schneidvorrichtung

Info

Publication number: DE3106369A1
Application number: DE19813106369
Authority: DE
Inventors: David John Broughty Ferry Dundee Dyson
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Priority date: 1980-02-26
Filing date: 1981-02-20
Publication date: 1982-02-18
Also published as: GB2070490A; GB2070490B; US4380694A; JPS56134094A

Description

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Patentanwälte

Dr. rep. ηαϊ. Thomas Eorendt

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Unser Zeichen: A 14 Lh/fi

Ferranti Limited

Bridge House, Park Road, Gatley, Cheadle, Cheshire, England (früher: Hollinwood, Lancashire, England)

Laser-Schneidvorrichtung

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A 14 464 Ferranti Ltd.

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Laser-Schneidvorrichtung und insbesondere hochleistungsfähige Ci^-Laser zum Schneiden von Stahl und anderen Metallen. Laser-Schneidvorrichtungen sind seit einiger Zeit in Verwendung und werden zum Schneiden von zahlreichen Materialien, einschl. Metallen, Holz, Kunststoff und Stoff verwendet. Hier entstehen manchmal Probleme beim Schneiden von Metallen, insbesondere Eisenmetall en bei Verwendung von Lasern, die mit einem sehr kleinen Brennpunkt oder Brennfleck arbeiten. Gewöhnlich wird bei Lasern ein Gasstrom auf die Oberfläche des Werkstückes gerichtet, um die Schneidwirkung zu unterstützen. Selbst wenn jedoch der Laserstrahl und der Gasstrom genau normal zur Oberfläche des Materials ausgerichtet sind, wurde festgestellt, daß der Schnitt selbst nicht normal zur Oberfläche verläuft. Dies kann zu ernsten Problemen führen, da ausgeschnittene Stücke, beispielsweise bei Blechen, nicht frei herausfallen können, selbst wenn der Schnitt fertig ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Laser-Schneidvorrichtung zu schaffen, die diese Nachteile vermeidet.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Laser-Schneidvorrichtung einen Laser, Einrichtungen zum Richten des Ausgangsstrahles des Lasers auf ein Werkstück, sowie Steuereinrichtungen umfaßt, um den Laser-Ausgangsstrahl zirkulär zu polarisieren.

Vorzugsweise hat der Laser in seinem optischen Hohlraum ein Element, welches eine stabile lineare Polarisation des Ausgangsstrahles erzeugt,und die Steuereinrichtungen formen diese lineare Polarisation in eine zirkuläre Polarisation um.

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Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 schematisch den Schneidvorgang bei einem bekannten Laser zeigt.

Fig. 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Laser-Schneidvorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine typische Draufsicht auf einen nominell kreisförmigen Schnitt in einer Stahlplatte, der mit einem bekannten Laser-Schneidgerät hergestellt worden ist. Die ausgezogene Linie stellt den Schnitt in der oberen Oberfläche der Platte dar, während die gestrichelte Linie den Schnitt in der unteren Oberfläche der Platte zeigt. Der Unterschied zwischen den beiden Schnittlinien ist aus Gründen der Übersichtlichkeit übertrieben dargestellt.

Was geschieht ist, daß der Schnitt sich in einem Winkel zur Normalen auf die Oberfläche neigt und der Winkel und die Richtung dieser Neigung verändern sich längs der Schnittlinie. Während daher der Schnitt in der oberen Fläche kreisförmig ist, ist er in der unteren Oberfläche oval.

Es wurde nun festgestellt, daß diese Wirkung davon herrührt, daß der Ausgang eines üblichen Laser-Schneidgerätes linear polarisiert ist und die Achse des elektrischen Feldes ortsfest relativ zur Schneidvorrichtung liegt. Hieraus folgt, daß die Richtung des Feldes relativ zur Richtung des Schnittes sich verändert, wenn ein nicht-linearer Schnitt ausgeführt wird. Der Zusammenhang zwischen der Richtung des Feldes und der Richtung des Schnittes bestimmt den Winkel und die Richtung der genannten Neigung.

Das Problem kann gelöst werden, wenn gewährleistet ist, daß die Richtung des elektrischen Feldes mit einer Geschwindigkeit rotiert,

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die hoch ist relativ zur Schneidgeschwindigkeit des Lasers. Ein geeigneter Weg, dies zu erreichen besteht darin, daß der Laser-Ausgangsstrahl zirkulär polarisiert wird. Hierdurch entsteht ein Ausgangsstrahl , in welchem das elektrische Feld mit einer Geschwindigkeit rotiert, die auf die Frequenz der Strahlung des Strahles bezogen ist.

Eine zirkuläre Polarisation wird erzeugt, indem in den Laserausgangsstrahl ein optisches Element gebracht wird, das als Viertelwellenplatte bekannt ist. Dies ist eine Platte aus einem geeigneten doppeltbrechenden Material, wie z.B. Cadmiumsulphid bei Verwendung eines CCL-Lasers mit 10,6μ. Die Viertelwellenplatte kann in jeder gewünschten Position im Ausgangsstrahl angeordnet werden, vorzugsweise zwischen dem Laser und der letzten Fokussierlinse. Fig. 2 zeigt schematisch die hauptsächlichen Elemente einer Laser-Schneidvorrichtung.

Die Vorrichtung nach Fig. 2 umfaßt einen Laser 20, vorzugsweise einen Kohlendioxid-Helium-Stickstoff-Laser mit einem total reflektierenden Spiegel 21 am einen Ende und einen teildurchlässigen Spiegel 22 am anderen Ende. Die notwendigen Leitungen für die Gaszufuhr und die Energiezufuhr sind nicht dargestellt. Im Betrieb tritt ein im wesentlichen paralleler Strahl 23 aus dem Laser aus und wird durch einen Spiegel 24 auf eine Fokussierlinse 25 fokussiert. Die Linse richtet den Strahl auf einen Brennpunkt an der Oberfläche eines Werkstückes 6. Entweder der Laser, das optische System oder der Brennpunkt des Strahles können auf jeden erforderlichen Punkt des Werkstückes gebracht bzw. eingestellt werden.

Die Viertelwellenplatte kann an jeder Stelle in dem parallelen Strahl des Lasers angeordnet werden. Sie kann beispielsweise zwischen dem Laser und dem Spiegel 24 angeordnet werden, wie durch das Bezugszeichen 27 dargestellt oder alternativ zwischen dem Spiegel 24 und der Linse 25, wie durch das Bezugszeichen 27' dargestellt.

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Die Viertelwellenplatte kann auch in dem fokussierten Teil des Strahles angeordnet werden, sie ist dort aber u.U. Beschädigungen infolge der Strahl-Energie ausgesetzt. Die Viertelwellenplatte besteht zweckmäßigerweise aus Cadmiumsulphid, es sind jedoch auch andere Materialien verwendbar, abhängig von der Wellenlänge der Strahlung, die vom Laser emittiert wird. Die Viertelwellenplatte 27 nach Fig. 2 kann auch als Ausgangsspiegel 22 des Lasers 20 benutzt werden. Dies würde bedeuten, daß der Spiegel aus einem doppeltbrechenden Material geeigneter Dicke sein muß, so daß er als Viertelwellenplatte wirkt, während ferner eine Oberfläche der Platte einen überzug hat, um den erforderlichen Grad an Reflexion zu bewirken. Es ist auch möglich, die Linse 25 als Viertelwellenplatte zu benutzen.

Ferner kann ein Viertelwellenspiegel, beispielsweise in der Position des Spiegels 24 verwendet werden. Ein Viertelwellenspiegel wird hergestellt, indem eine reflektierende Oberfläche mit einem geeigneten überzug versehen wird, um den Doppeleffekt einer Viertelwellenplatte und eines Spiegels zu schaffen.

Diese vorbeschriebene Anordnung arbeitet gut, falls durch den Laser keine sich verändernde Polarisation des Ausgangsstrahles bewirkt wird. Dies tritt jedoch in der Praxis auf, wodurch die Wirkung der Viertel wellenplatte unter solchen Umständen variabel sein kann. Um zu gewährleisten, daß eine stabile zirkuläre Polarisation durch die Viertelwellenplatte erzeugt wird, ist es zweckmäßig sicherzustellen, daß der Laser selbst einen linear polarisierten Ausgang erzeugt. Hierzu ist es zweckmäßig, in dem optischen Hohlraum ein geeignetes Polarisierungselement anzuordnen. Bei geeigneten Wellenlängen, z.B. 1,06 μ,kann ein konventioneller Polarisator, wie z.B. ein Nico!'sches Prisma verwendet werden. Bei der mehr üblichen Wellenlänge von 10,6 μ ist dies jedoch nicht möglich. Es stehen jedoch andere optische Elemente zur Verfugung. Beispielsweise ein Fenster mit Brewster-Winkel

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kann innerhalb der optischen Kammer angeordnet werden. Wenn der Laser umgelenkt wird, kann einer der Umlenkspiegel oder Prismen als Polarisator benutzt werden. Der gewünschte Effekt kann erreicht werden, indem geeignete überzüge auf die genannten optischen Elemente aufgebracht werden. Die Viertel wellenplatte ist bezüglich der Ebene der linearen Polarisation korrekt auszurichten.

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Leerseite

Claims

A l4 464 Ferranti Ltd.

Patentansprüche

Laser-Schneidvorrichtung mit einem Laser und Einrichtungen, um einen Ausgangsstrahl des Lasers auf ein Werkstück zu richten, gekennzeichnet durch Steuereinrichtungen, um dem Laser-Ausgangsstrahl eine zirkuläre Polarisation zu erteilen.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser in seiner optischen Kammer ein Element aufweist, das dem Ausgangsstrahl eine stabile lineare Polarisation erteilt.

Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß dieses Element ein Fenster mit Brewster-Winkel ist.

Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Laser eine optische Kammer mit reflektierenden Umlenkeinrichtungen hat, und daß dieses Element eine dieser Umlenkeinrichtungen umfaßt.

Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine Viertel wellenplatte (27) aus einem doppeltbrechenden Material ist, die im Laserausgangsstrahl angeordnet ist.

Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Viertel wellenplatte durch den Ausgangsspiegel (22) des Lasers gebildet ist.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung einen Viertelwellenspiegel umfaßt, der im Laserausgangsstrahl angeordnet ist.

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