DE3226811C2

DE3226811C2 -

Info

Publication number: DE3226811C2
Application number: DE3226811A
Authority: DE
Inventors: Jean Francorchamps Be Crahay
Original assignee: Centre de Recherches Metallurgiques CRM ASBL
Current assignee: Centre de Recherches Metallurgiques CRM ASBL
Priority date: 1981-08-06
Filing date: 1982-07-17
Publication date: 1991-07-25
Also published as: IT8267936A0; FR2530878A1; GB2108280B; BE894042A; CA1191371A; GB2108280A; DE3226811A1; US4462660A; IT1155569B; JPS6257010B2; FR2530878B1; LU83535A1; JPS5834402A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Modulation eines Laserstrahlenbündels nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin sieht die Erfindung ein Verfahren zur vorbereitenden Er wärmung metallischer Werkstücke, die mittels Laserstrahlen zu be handeln sind, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9 vor.

An sich sind verschiedene Lasertypen mit großer Leistung bekannt. Von den bestehenden Ausführungen sind jedoch lediglich die Molekular- Laser auf CO₂-Basis von der Stärke und ausreichenden Leistung, um sie industriell einsetzen zu können.

Diese Laser, deren Leistung mehrere 10 kW erreichen können, sind in kon tinuierlicher Arbeitsweise üblich; sie lassen sich daher nicht verwenden, wenn Strahlenbündel mit großer, modulierter Leistung erforderlich sind, wie für die oberflächliche Behandlung von metalli schen Werkstücken oder das Schneiden durch Impulse.

Darüberhinaus bringt die Modulation von energiereichen Strahlenbündeln schwerwiegende thermische und mechanische Nachteile mit sich.

Für die Modulation eines Laserstrahlenbündels sind grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten bekannt.

Eine erste Möglichkeit besteht darin, den elektrischen Erregerstrom der Senderöhre zu verändern; die Ansprechzeit ist hierbei aber sehr lang, so daß es nicht möglich ist, Strahlenbündel mehr als 1000 Variationen je Sekunde aufzumodulieren.

Weiterhin sind optische Modulatoren bekannt, wie vibrierende Spiegel, sowie auch elektro-optische und opto-akustische Modulatoren. Sie lassen sich jedoch wegen der auftretenden, erheblichen Wärmeverluste bei einer Energie des Strahlenbündels von über 100 W nicht in wün schenswerter Weise einsetzen. Die schwingenden Spiegel müssen bei spielsweise mit Wasser gekühlt werden, so daß sie eine erhöhte Masse erlangen, wodurch die Vibrationsfrequenz des Spiegels begrenzt und infolgedessen auch die Modulationsfrequenz des Laserstrahlenbündels klein bleibt.

Vorrichtung und Verfahren, auf die sich die Erfindung gemäß dem einleitenden Absatz der Beschreibung bezieht, sind bekannter Stand der Technik entsprechend der DE 29 37 914 A1. Dabei wird für die Perforation von flächenhaften Gegenständen, insbesondere von Mund stücken für Zigaretten, also für einen verhältnismäßig schwachen Laser, eine Vorrichtung verwendet, bei der eine Reflektion der Laserstrahlenbündel an zwei aufeinanderfolgenden Scheiben statt findet, die periphere Reflektoren tragen, und von denen die dem Laser am nächsten kommende zwischen den Reflektoren Öffnungen auf weist, auf die die Reflektoren der zweiten Scheibe eingestellt sein müssen. Diese Anordnung setzt eine präzise Ausrichtung der Scheiben zueinander voraus, bei deren Störung sich die übertragende Laser energie asymmetrisch entwickelt.

Gleichfalls für die Herstellung von Lochreihen in Blattmaterial, insbesondere von Mundstücken von Zigaretten, wird eine Vorrichtung nach der DE 29 42 225 A1 verwendet, bei der ein kontinuierlicher Laserstrahl mit rotierenden Reflektoren, die von durchlässigen Ab schnitten am Umfang von Scheiben unterbrochen sind, zerhackt, und zwar mit der Maßgabe, daß bei einer Drehung der die Reflektoren tragenden Scheiben mehrere Lochreihen erzeugt werden können. Es ist also erforderlich, bei der Vielzahl von Drehorganen diese in ihre Stellung zueinander abzustimmen, um die gewünschte Bearbeitung vornehmen zu können. Die Scheiben sind verhältnismäßig dünn, was hierbei nicht kritisch ist, da ihre Belastung gering ist.

Sofern bei den bekannten Vorrichtungen der Laserstrahl auf nicht reflektierende Flächen auftrifft, wird er absorbiert und kann be trächtliche Überhitzungen hervorrufen. Dies gilt insbesondere, wenn energiereiche Strahlenbündel mit hoher Frequenz moduliert werden sollen, um vor allem metallische Werkstücke bearbeiten zu können.

Beispielsweise muß für den Fall, daß ein Strahlenbündel von 20 mm Durchmesser mit einer Leistung von 2 kW mit 1000 Impulsen je Se kunde moduliert werden soll, eine Scheibe verwendet werden, bei welcher die Öffnungen oder Scharten 2 cm Breite aufweisen und da durch jeweils undurchsichtige Bereiche von 20 mm getrennt sind; die Umfangsgeschwindigkeit der Scheibe müßte dann oberhalb der Ge schwindigkeit des Schalls in Luft liegen.

Erfindungsgemäß soll die bekannte Vorrichtung dahingehend weiter entwickelt werden, daß die Energiebilanz eine hohe Ausnutzung der Laserstrahlung ermöglicht, ohne dabei Scheiben aufeinander aus richten zu müssen, bei welcher die Seitenflächen von Öffnungen Strahlungsenergie absorbieren. Dabei soll auch die Modulation mit einer sehr hohen Geschwindigkeit bei Laserbündel von großer Energie möglich sein, ohne daß das Drehorgan, also insbesondere eine Scheibe, unzulässig große periphere Geschwindigkeiten annimmt.

Die Erfindung löst diese Aufgabenstellung durch die in den Patent ansprüchen 1 und 9 gemachten Vorschläge.

Auf diese Weise ist eine einzige Scheibe ausreichend, um die vorge sehene Modulation vornehmen zu können. Dabei wird davon ausge gangen, daß die Scheibe eine hinreichende Dicke besitzt, um die Seitenwände ihrer Öffnungen reflektierend auszukleiden. Zugleich er möglicht es die genannte Dicke, die Scheibe mit einer beträcht lichen Stabilität auszuführen, so daß sich eine sehr präzise Arbeitsweise ermöglicht. Die gegenüber der Achse des Drehorgans be stehende Neigung der Seitenwände erlaubt es, das System auf eine differenzierte Energieleistung einzustellen, die den zu behandelnen Gegenstand, dessen Oberfläche nachstehend als Zielscheibe bezeich net wird, entsprechend differenziert zu behandeln gestattet.

In vorteilhafter Ausführungsform der Erfindung sind die Seitenwände der Öffnungen oder Scharten im wesentlichen parallel zueinander derart ausgeführt, daß die Auftreffzone des abgelenkten Strahlen bündels auf der Zielscheibe eine Abweichung vor oder hinter die vom nicht abgelenkten Strahlenbündel zu behandelnde Zone erfährt, um dadurch entsprechend der Relativverschiebung des durchbrochenen Drehorgans gegenüber der Zielscheibe zu einer Aufheizung bzw. Ver gütung der vom nicht abgelenkten Strahlenbündel zu behandelnden Zone zu kommen.

Nach einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung bringt man für den Fall, daß die Modulation mit einer erhöhten Frequenz eines sehr energiereichen Laserstrahlenbündels erfolgen muß, das genannte Drehorgan in einen Abschnitt des Strahlen bündels, in welchem dessen Querschnitt kleiner als sein Ausgangs querschnitt ist, wobei es sich vorzugsweise um den Fokussierungs konus des Strahlenbündels handelt.

Nach einer Ausführungsmodifikation wird dann, wenn das Strahlen bündel normalerweise einen Fokussierungskegel darstellt, um die Energie des Strahlenbündels im Bereich einer schwachen Oberflächen zone des Werkstückes zu konzentrieren, das Drehorgan zwischen die Fokussierungslinse und das zu behandelnde Werkstück gebracht.

Die Anbringung des durchbrochenen Drehorgans in einer Zone, in welcher das Strahlenbündel einen verminderten Querschnitt aufweist, erlaubt es, die Abmessungen der Perforationen, Öffnungen oder Scharten herab zusetzen und sie demgemäß in erhöhter Anzahl auszuführen, wobei wiederum die Drehgeschwindigkeit des Drehorgans kleiner sein kann, um dennoch eine gleich gute Modulationsfrequenz zu erlangen.

Bei dieser Anordnung unterliegt das durchbrochene Drehorgan der Strahlung mit einer sehr großen Energiedichte entsprechend der Ver ringerung des Laserstrahlenbündelquerschnittes.

Demzufolge ist es zweckmäßig, Schutzmittel zu verwenden, um Beschädi gungen durch das Energiebündel zu vermeiden.

In einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform ist daher das durchbrochene Drehorgan aus einem das Strahlenbündel reflektierenden Material hergestellt, und zwar insbesondere einem Material von guter elektrischer Leitfähigkeit, wie aus Kupfer, Aluminium, nichtrostendem Stahl oder Kohlenstoffstahl.

In vorteilhafter Weise läßt sich das durchbrochene Drehorgan wenigstens auf seiner dem Laserstrahlenbündel ausgesetzten Seite aus einem reflektierenden Material in Form einer Metallbeschichtung ausführen, zum Beispiel aus Gold, um seine reflektierenden Eigenschaften zu verbessern und/oder seine Oxidation zu verhindern.

Insbesondere für den Fall, daß das durchbrochene Drehorgan in einer Zone verringerten Querschnittes des Laserstrahlenbündels angeordnet ist, so zum Beispiel in einem Brennpunkt desselben, ist es von Vorteil, die geneigten Seitenwände der Öffnungen oder aufeinanderfolgenden Scharten mit einer Profilierung zu versehen, so daß die Fokalebene des reflek tierten Strahlenbündels mit der Oberfläche der zu bearbeitenden Scheibe an der Stelle des Auftreffens des abgelenkten Strahlenbündels zusammen fällt.

Nach einer anderen Abwandlung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es als besonders vorteilhaft erkannt worden, ein durchbrochenes Dreh organ zu verwenden, bei welchem wenigstens eine Abmessung, und zwar vorzugsweise die Breite der Öffnungen oder aufeinanderfolgenden Schachten des Durchganges des Laserstrahlenbündels oder der un durchsichtigen Teile, die zwischen den genannten Öffnungen oder aufeinanderfolgenden Scharten liegen, mit zufallsmäßig verteilter Veränderung ihrer Erstreckung in dem von ihnen beschriebenen Umfang auszuführen.

Eine derartige Ausführungsform gestattet es, die Intensität der Be handlung, welche die Oberfläche der behandelnden Scheibe unterworfen wird, praktisch von Punkt zu Punkt zu verändern.

Die Abkühlung des durchbrochenen Drehorgans, welches dem Laserstrahlen bündel ausgesetzt ist, wird in erster Linie durch die Bewegung des Organs in der Luft gewährleistet.

Zeichnungsgemäß ist beispielsweise eine Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Darin zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Scheibe mit einer Reihe von Perforationen, deren seitliche, also radiale Wände bezüglich der Oberfläche der Scheibe geneigt verlaufen, während

Fig. 2 einen Schnitt gemäß der Schnittlinie A-A wiedergibt, um die Neigung der seitlichen Wände 1 der Perforationen 2 bei der Scheibe 3 zu veranschaulichen, wobei

Fig. 2a den Durchtritt des Laserstrahlenbündels 4 durch die Scheibe 3 im Bereich der Perforation 2 erkennen läßt, welches Laser strahlenbündel die Zielscheibe 5 an der Stelle 6 beauf schlagt, und

Fig. 2b die Scheibe und die Zielscheibe entsprechend den Pfeilen 7 und 8 gegeneinander verschoben wiedergibt. In diesem Augen blick wird das Laserstrahlenbündel 4 durch die geneigten Wände 1 und 1′ der Perforation 2 abgelenkt und beaufschlagt die Zielscheibe an der Stelle 6′. Dieser Punkt 6′ erfährt dadurch eine Vorerhitzung, bevor er an der Stelle 6 gemäß Fig. 2a eintrifft.

Es ist in gleicher Weise möglich, die Relativbewegung der Zielscheibe gegenüber der Scheibe derart zu verändern, daß man im Punkt 6′ zu einer Vergütung nach der Behandlung im Punkt 6 kommt.

Claims

1. Vorrichtung zur Modulation eines Laserstrahlenbündels, mit einem durchbrochenen Drehorgan, vorzugsweise einer Scheibe mit Öff nungen oder Scharten, zur Erzeugung intermittierender Laser strahlenbündel, dadurch gekennzeichnet,

daß die Seitenwände (1) der Öffnungen oder Scharten des Drehorgans bezüglich der Achse des auf das Drehorgan ge richteten Laserstrahlenbündels (4) geneigt sind,
und daß für das von den Öffnungen oder Scharten durchge lassene Laserstrahlenbündel (4) ein an deren Seiten wänden reflektierender Verlauf besteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Seitenwände (1) der Öffnungen oder Scharten im wesentlichen parallel zueinander verlaufen.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß das durchbrochene Drehorgan in einer Zone eingesetzt ist, in der der Querschnitt des Laserstrahls (4) kleiner als sein Ausgangsquerschnitt ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß das durchbrochene Drehorgan nach einem Fokus sierungselement angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

daß das durchbrochene Drehorgan wenigstens bereichweise aus einem reflektierenden Material besteht.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

daß das durchbrochene Drehorgan wenigstens auf dem dem Laserstrahlenbündel (4) ausgesetzten Teil seiner Ober fläche eine metallische Beschichtung trägt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die geneigten Seitenwände (1) der Öffnungen oder Scharten ein Profil aufweisen, bei welchem die Fokal ebene eines der intermittierenden Laserstrahlenbündel (4) mit der Oberflächenebene des zu bearbeitenden Materials übereinstimmt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

daß wenigstens eine Abmessung des durchbrochenen Dreh organs, insbesondere die Breite der aufeinanderfolgenden Öffnungen oder Scharten für den Durchtritt des Laser strahlenbündels (4)
und/oder der undurchsichtigen Teile zwischen den Öff nungen oder Scharten eine zufallsmäßig verteilte Ver änderung ihrer Erstreckung im von ihnen beschriebenen Umfange aufweisen.

9. Verfahren zur vorbereitenden Erwärmung metallischer Werkstücke, die mittels Laserstrahlen nach einem oder nach mehreren der An sprüche 1 bis 8 im Bereich von für Laserstrahlen vorgesehenen Auftreffstellen zu behandeln sind, wobei das Laserstrahlenbündel mittels eines Drehorgans, insbesondere mittels einer drehbaren Scheibe, mit Durchgangsöffnungen für das Laserstrahlenbündel moduliert wird, dadurch gekennzeichnet,

daß die nicht für die Behandlung erforderliche, mittels der undurchlässigen Abschnitte des Drehorgans ausge blendete Laserstrahlung auf den Auftreffstellen benach barte Zonen derart eingestrahlt wird, daß diese während der gleichzeitigen Behandlung an den Auftreffstellen eine Erwärmung, insbesondere eine Vergütung erfahren.