DE3642386C2 - - Google Patents

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DE3642386C2
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Description

Die Erfindung betrifft eine Laserschneidmaschine zum Schneiden eines Werkstückes mit einem Laserstrahl gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine derartige Laserschneidmaschine ist aus der JP-OS 60-1 96 282 bekannt. Bei dieser Laserschneidmaschine führt man alternativ in dieselbe optische Achse Strahlen von zwei Laseroszillatoren ein, die für das Erzeugen von kurzen Impulsen bestimmt sind. Jeder Kurzimpulslaserstrahl ist unabhängig. Bei diesem bekannten System soll die Pulsfrequenz erhöht werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Laserschneidmaschine zu schaffen, die ein Werkstück genau senkrecht, d. h. mit senkrechter Schnittfläche schneiden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch diese Lösung, d. h. durch das Kombinieren eines links polarisierten Laserstrahls mit einem rechts polarisierten Laserstrahl, wirken dank des Frequenzunterschiedes der links polarisierte Laserstrahl und der rechts polarisierte Laserstrahl alternierend auf das Werkstück ein, um so einen Schneidschlitz im Werkzeug zu erzeugen, der senkrecht zur Flächenerstreckung des Werkstückes liegt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Anordnung einer Laserschneidmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2a bis 2g schematische und erläuternde Darstellungen für die Beschreibung der Zirkularpolarisierung und des Vektors des Laserstrahls in der Laserstrahlmaschine gemäß der Erfindung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Schneidschlitzes, der mit der erfindungsgemäßen Laserstrahlmaschine in einem Werkstück ausgebildet wurde, und
Fig. 4a bis 4b Schnittflächen von Werkstücken unterschiedlicher Gestalt.
Ein Verzögerer (6) ist so eingestellt, daß er einen Phasenunterschied von -90° hat, so daß ein Laserstrahl (7) links polarisiert wird. Diese Ausführungsform umfaßt einen Laserstrahl (5) abgebenden ersten Laseroszillator (1) und einen zweiten Laseroszillator (14). Im zweiten Oszillator (14) ist die Hohlraumlänge, die durch den teilweise übertragenen Spiegel (2) und den Totalreflexionsspiegel (3) gebildet wird, gegenüber dem des ersten Oszillators (1) geändert, um einen linear polarisierten Laserstrahl (15) anderer Frequenz abzugeben. Jeder Oszillator ist mit einem Brewster-Fenster (4) versehen. Ein Verzögerer (16) wirkt als Wellenlängenplättchen mit einem Phasenunterschied von +90° oder -270°, um den linear polarisierten Laserstrahl (15) in einen im Uhrzeigersinn polarisierten Laserstrahl (17) umzuwandeln. Ein Strahlenteiler (18) wirkt dahingehend, den vom ersten Oszillator (1) abgegebenen, links polarisierten Laserstrahl (7) und den vom zweiten Oszillator (14) abgegebenen, rechts polarisierten Laserstrahl (7) zu einem Laserstrahl (19) zu kombinieren. Der so gebildete Strahl (19) wird durch eine Linse (8) fokussiert, um in der Nähe des Brennpunktes ein Werkstück (9) zu schneiden.
Der aus dem links polarisierten Laserstrahl (7) resultierende reflektierte Laserstrahl und der aus dem rechts polarisierten Laserstrahl (17) resultierende übertragene Laserstrahl werden ebenso durch einen Laserteiler (18) zu einem Laserstrahl (20) kombiniert. Da jedoch der zusammengesetzte Laserstrahl (20) für den Schneidvorgang unnötig ist, wird er von einem Dämpfer (21) absorbiert.
Die Zirkularpolarisierung und der Vektor des Laserstrahls werden nun beschrieben.
Fig. 2 zeigt einen rechts polarisierten Laserstrahl und ein elektrischer oder magnetischer Vektor (22) dreht mit einer Frequenz von (f R ) im Uhrzeigersinn, was durch den Pfeil in Fig. 2b angezeigt ist. Fig. 2c zeigt einen links polarisierten Laserstrahl und ein entsprechender Vektor (23) dreht mit einer Frequenz (f L ) im Gegenuhrzeigersinn, wie dies durch den Pfeil in Fig. 5d angezeigt ist. Fig. 4e zeigt zusammengesetzt den rechts polarisierten Laserstrahl gemäß Fig. 2a und den links polarisierten Laserstrahl gemäß Fig. 2c. Es kann berücksichtigt werden, daß in diesem Fall ein Vektor (24) mit einer Frequenz (f L ) im Gegenuhrzeigersinn dreht, während ein Vektor (25) mit der Frequenz (f R ) im Uhrzeigersinn dreht, wie dies in Fig. 2f dargestellt ist. Fig. 2g zeigt einen aus den Vektoren (24, 25) zusammengesetzten Vektor (26), wobei jeder der beiden Vektoren entsprechend der Darstellung in Fig. 2f dreht. Wenn die Frequenz (f L ) gleich der Frequenz (f R ) ist, dann wirkt der zusammengesetzte Vektor (26) als ein linear polarisierter Laserstrahl mit einer Größe, die der Summe der Vektoren (24, 25) entspricht. Für den Fall, daß die Links-Frequenz (f L ) von der Rechts-Frequenz (f R ) unterschiedlich ist, d. h. wenn beispielsweise die Links-Frequenz (f L ) um f höher ist als die Rechts-Frequenz (f R ), dann dreht der zusammengesetzte Vektor (26) im Gegenuhrzeigersinn. Das bedeutet, daß er mit der Differenzfrequenz (f′) zwischen den Frequenzen (f L ) und (f R ) dreht.
Beispielsweise hat ein CO2-Laser eine Frequenz von 28 × 102 Hz. Es wird angenommen, daß die Hohlraumlänge des Laseroszillators, welche durch den Teilübertragungsspiegel (2) und den Totalreflexionsspiegel (3) gebildet wird, 2 m beträgt. Wenn daher die Hohlraumlänge um ein Zehntel der Wellenlänge geändert wird, d. h. um 1 Micrometer, dann liegt die Frequenzänderung im Bereich von 60 × 106 MHz. Wenn weiterhin der CO2-Laser mit einer Wellenlänge von so wenig wie 9,6 Micrometer oszillieren bzw. schwingen kann, so kann der Frequenzunterschied im Bereich von 3,0 × 1012 Hz hinsichtlich der zentralen Wellenlänge von 10,6 Micrometer liegen, die üblicherweise verwendet wird.
Wenn die hinsichtlich der Oszillationsfrequenz unterschiedlichen Laseroszillatoren gemäß der vorstehenden Beschreibung als erster und zweiter Laseroszillator (1, 14) entsprechend der Anordnung in Fig. 1 verwendet werden, ist der zusammengesetzte Laserstrahl (19) ein linear polarisierter Laserstrahl. Jedoch dreht dessen Polarisationsrichtung mit einer Geschwindigkeit (f′), die kleiner ist als die Drehgeschwindigkeit (f R ) oder (f L ) von einem der zirkular polarisierten Laserstrahlen.
Es kann berücksichtigt werden, daß die Neigung der Schnittfläche bzw. des Schneidschlitzes im Werkstück (9) durch die Tatsache verursacht wird, daß die Wirkungsrichtung des zirkular polarisierten Laserstrahls auf das Werkstück (bestimmt durch die Drehrichtung, die Frequenz und die Vorbewegungsgeschwindigkeit (Licht­ geschwindigkeit) des zirkular polarisierten Laserstrahls) vom Winkel der Reflektivität des Werkstückes (9) abhängt. Daher ist die Neigung des Schneidschlitzes bei einem im Gegenuhrzeigersinn polarisierten Laserstrahl entgegengesetzt zu der des Schneidschlitzes infolge des im Uhrzeigersinn polarisierten Laserstrahls. Wenn jedoch der zuvor beschriebene, zusammengesetzte Strahl (19) verwendet wird, dann hat die Drehgeschwindigkeit des zusammengesetzten Strahles die Frequenzdifferenz (f′). Diese Drehung ist hinsichtlich der Frequenzen der Laserstrahlen, die zu dem zusammengesetzten Strahl kombiniert werden, beträchtlich niedrig und kann daher außer Acht gelassen werden.
Wenn die vorerwähnte Hohlraumlänge geändert wird, wird die Drehgeschwindigkeit das 2,1 × 10-22fache. Wenn die Wellenlänge von 9,6 Micrometer verwendet wird, erhält sie das 0,1fache. Daher ist die Wirkung des zusammengesetzten Strahles hinsichtlich der Neigung des Schneidschlitzes erheblich reduziert.
Die Drehgeschwindigkeit des zusammengesetzten Strahles (19) ist im Vergleich mit dem Schneidbetrieb beträchtlich hoch. Daher kann berücksichtigt werden, daß der zusammengesetzte Strahl gleichförmig auf das Werkstück (9) wirkt. Ergänzend dazu ist der zusammengesetzte Strahl (19) linear polarisiert. Dementsprechend ist der Schneidschlitz bzw. die Schnittfläche nicht geneigt.
Wenn daher das Werkstück mit dem zuvor beschriebenen, zusammengesetzten Strahl geschnitten wird, liegt der Schneidschlitz oder die Schnittfläche senkrecht zur Werkstückhauptfläche, wie dies in Fig. 3 dargestellt wird. Wenn dementsprechend das Werkstück entsprechend der Darstellung in Fig. 4a oder 4b geschnitten wird, liegt die Schnittfläche (13) senkrecht zum Werkstück bzw. der Werkstückhauptfläche.

Claims (6)

1. Laserschneidmaschine zum Schneiden eines Werkstückes mit einem Laserstrahl, mit zwei Laserstrahlquellen, einer Einrichtung zum Fokussieren des Laserarbeitsstrahls auf das Werkstück und einer Einrichtung zum Richten des Laserarbeitsstrahls entlang einer Richtung auf das zu schneidende Werkstück, gekennzeichnet durch eine erste Laserstrahlquelle (1) zur Erzeugung eines rechtszirkular polarisierten Laserstrahls mit einer ersten Frequenz, eine zweite Laserstrahlquelle (14) zum Erzeugen eines linkszirkular polarisierten Laserstrahls einer zweiten Frequenz, die von der ersten Frequenz unterschiedlich ist, und einen Strahlenteiler (18) zum Überlagern der beiden Laserstrahlen zu einem kombinierten Laserarbeitsstrahl (19).
2. Laserschneidmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kombinierte Laserarbeitsstrahl (19) ein linear polarisierter Laserstrahl mit einem Polarisationsvektor ist, der mit einer Differenzfrequenz zwischen der ersten und zweiten Frequenz um die Laserarbeitsstrahlachse dreht.
3. Laserschneidmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlquellen (1, 14) CO2-Laser sind.
4. Laserschneidmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterschied der Frequenz der ersten und zweiten Strahlungsquelle (1, 14) nicht mehr als 3,0 × 1012 Hz beträgt.
5. Laserschneidmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterschied der Frequenz der ersten und zweiten Strahlenquelle ungefähr 60 × 106 Hz beträgt.
6. Laserschneidverfahren, bei dem ein Laserarbeitsstrahl auf Werkstücke fokussiert wird, gekennzeichnet durch die Überlagerung eines rechtszirkular polarisierten Laserstrahls mit einer ersten Frequenz mit einem linkszirkular polarisierten Laserstrahl mit einer zweiten Frequenz zu einem zusammengesetzten Laserarbeitsstrahl.
DE19863642386 1985-12-12 1986-12-11 Dual-polarisierungs-, dual-frequenz-schneidmaschine Granted DE3642386A1 (de)

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