DE3720249C2

DE3720249C2 -

Info

Publication number: DE3720249C2
Application number: DE3720249A
Authority: DE
Inventors: Marius-Christian 6054 Rodgau De Jurca
Original assignee: Individual
Current assignee: Precitec KG
Priority date: 1987-06-19
Filing date: 1987-06-19
Publication date: 1991-01-17
Also published as: DE3720249A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mittels Laserstrahlung, bei dem geladene Teilchen, aus denen sich eine in einer Bearbeitungszone entstehende, laserinduzierte Plasmawolke zusammensetzt, mit Hilfe eines außerhalb der Plasmawolke erzeugten elektromagnetischen Feldes in ihrer Bewegung abgelenkt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mittels Laserstrahlung, dient zum Schweißen oder Schneiden der Werkstücke. Es sei erwähnt, daß es keine grundlegenden Unterschiede zwischen Schweiß- und Schneidköpfen von zur Durchführung dieses Verfahrens geeigneten Vorrichtungen gibt; unterschiedliche Laserparameter führen zu den zwei erwähnten Betriebsarten.

Im folgenden wird überwiegend auf das Schweißen Bezug genommen; die Überlegungen gelten auch in z. T. geänderter Form für das Schneiden eines Werkstücks einschließlich des Einstechens, des Bohrens von Löchern und so fort. Es steht allerdings nicht fest, ob es nicht günstiger ist, beim Schneiden mit dem Laserstrahl, die Plasmawolke wegzublasen und sie nicht an der Bearbeitungsstelle zu halten.

Beim Schweißen von Metallen mit einem Laserstrahl (im Dauerstrich mit CO₂-Gas), gegebenenfalls auch unter Schutzgas (üblicherweise Ar oder He) wird über dem Schweißherd eine Plasmawolke erzeugt. Dies ist erforderlich, um die Laserstrahlenenergie in das Metall einkoppeln zu können. Ohne die Plasmawolke wird nämlich der Laserstrahl zu etwa 95% von der Metalloberfläche reflektiert. Mit der Plasmawolke steigt der Absorptionskoeffizient auf über 95%, so daß das Schweißen möglich wird. Um eine Plasmawolke oder Plasmaschicht erzeugen zu können, muß die Laserstrahlintensität die Schwelle von etwa 10⁵ bis 10⁶ W/cm² überschreiten.

Bei den wünschenswerten höheren Bearbeitungsgeschwindigkeiten und auch bei höheren Laserleistungen weist nun die Plasmawolke die Tendenz auf, sich von der Metalloberfläche (Werkstückoberfläche) zu entfernen. Dies führt dazu, daß der Schweißvorgang unterbrochen und die jetzt schwebende Plasmawolke überhitzt wird.

Das geschilderte Problem wird durch einen falsch ausgelegten und quer zur Schweißrichtung auf die Schweißstelle geblasenen Gasstrom (cross-jet) verstärkt. Der "cross-jet" muß nicht quer zur Schweißrichtung gerichtet sein. Durch diesen Gasstrom wird die Plasmawolke weggeblasen.

Eine schwebende Plasmaschicht schirmt die Metallober fläche vom Laserstrahl ab.

Eine zusätzliche Schwierigkeit kann beim Schweißen unter Schutzgas auftreten: Das Metallplasma zündet eine schwebende Schutzgasschicht zu einer Plasmaschicht, die ebenfalls den Schweißvorgang unterbricht.

Zum Stand der Technik sei noch verwiesen auf die DE-OS 29 22 563, die diese Problematik schildert.

Der DE-OS 34 24 825 kann der Gedanke entnommen werden, zum periodischen Unterbrechen (Choppen) des Laserstrahls diesen in seiner Intensität entsprechend zu steuern. Das Choppen eines Laserstrahls bringt bei bestimmten Anwendungen eine Reihe von Vorteilen mit sich. Die dort beschriebene Lösung ist aber unbefriedigend, insbesondere wegen der verhältnismäßig niedrigen, maximalen Choppfrequenz.

Die DE-OS 26 30 795 beschreibt den Gedanken, beim Gravieren einer Platte mit Hilfe eines Laserstrahls die Plasmawolke zu Steuerungszwecken zu erfassen, weil die Plasmawolke ein Maß für die Menge des beim Gravieren abgetragenen Materials ist.

Ein Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen beschreibt die US-PS 34 52 178. Dort werden die erzeugten Ionen von der Strahlungsführungsoptik ferngehalten, damit diese die Optik nicht beschädigen.

Die JP-DS "Patents abstr. of J." 1980, Vol. 4/No 167, Sec. M- 42; Kokai. No. 55-117 586 beschreibt ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mittels Laserstrahlung, wobei durch Gasströmung oder durch Energiekontrolle des Lasergenerators die Wirkung der Plasmawolke auf die Energieübertragung beeinflußt wird.

Ausgehend von einem Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen liegt demgegenüber der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Plasmawolke zu formen und in ihrer Lage zu beeinflussen, d. h. deren Wirkung auf die Energieübertragung zu kontrollieren.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das elektromagnetisches Feld die geladenen Teilchen gegen die Bearbeitungszone lenkt.

Durch diese Verfahrensführung wird die Plasmawolke an der Expansion gehindert, nach Möglichkeit komprimiert und dabei auf die Bearbeitungszone gedrückt. Dadurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine bessere Energieübertragung auf das bearbeitete Werkstück.

Man kann beispielsweise die Lage der Plasmawolke mit Hilfe des elektromagnetischen Feldes so verändern, daß, angepaßt an einen Schneid- oder Schweißprozeß, der Abschirmeffekt der Plasmawolke vermieden und die Laserenergieeinkoppelung in das Werkstück optimiert wird. Dadurch wird also die entstehende Plasmaschicht oder Plasmawolke gewissermaßen auf die Metalloberfläche gedrückt, so daß diese dort permanent bleibt, auch bei höheren Bearbeitungsgeschwindigkeiten. Unter Verwendung eines elektrischen Feldes mit den Feldlinien parallel zur Laserstrahlachse kann die Plasmawolke ebenfalls auf die Metalloberfläche gedrückt werden. Die Verwendung der elektromagnetischen Felder kann auch gleichzeitig mit der Anlage des elektrischen Feldes erfolgen und alle diese Verfahrensweisen werden unter dem Begriff des elektromagnetischen Feldes subsummiert.

Durch diese Verfahrensführung wird also die Energie des Laserstrahls sehr gleichmäßig in den gerade bear beiteten (geschweißten oder geschnittenen) Werkstoff eingeleitet, wodurch die Qualität der Schweiß- oder Schneidstelle fühlbar erhöht wird, auch bei höheren Bearbeitungsgeschwindigkeiten.

Es ist auch von praktischem Interesse, den abschirmenden Effekt der Plasmaschicht zur Unterbrechung des Laser strahls auszunutzen. Dies erfolgt nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch, daß die Stärke und/oder Richtung des elektromagnetischen Feldes derart periodisch geändert wird, daß die Laserstrahleinkoppelung in das Werkstück durch eine entsprechende Verschiebung der Plasmawolke mit der Modulationsfrequenz unterbrochen oder vermindert wird.

Man kann das Verfahren auch zur Qualitätskontrolle der Schweißnaht bzw. Schneidstelle ausnutzen, zu welchem Zweck dann die Lage und/oder Dichte der Plasmawolke überwacht wird.

Wenn zwischen zwei leitfähigen Fühlern, die in der Nähe der Schweißstelle angebracht sind, eine Potential differenz angelegt und der zwischen diesen Fühlern über die Plasmawolke fließender Strom gemessen wird, so erhält man eine Kontrolleinrichtung für die Plasma bildung und für alle Effekte, die davon abhängen.

Es sei außerdem bemerkt, daß die Überwachung der Plasma wolke nur dann eine Schweißnaht-Qualitätskontrolle darstellt, wenn beim Schweißen der Laserstrahl exakt auf die Schweißfuge positioniert ist.

Es könnte sein, daß die Lage der Plasmawolke über der Schweißnaht von der Position des Laserstrahls in der Schweißfuge abhängt. In einem solchen Fall könnte man uneingeschränkt von einer Qualitätskontrolle der Schweißnaht sprechen. Eine solche Tatsache würde außerdem die Möglichkeit der Positionierung des Laserstrahls auf die Fuge anbieten, ähnlich wie in der DE-OS 35 43 681 beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs beispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch und perspektivisch eine An ordnung zur Erläuterung der grundsätzlichen Zusammenhänge;

Fig. 2 ebenfalls schematisch und perspektivisch eine andere Anordnung;

Fig. 3 das in Fig. 1 verwendete Koordinatensystem mit weiteren Erläuterungen.

Fig. 1 zeigt ein einfaches Beispiel einer Schweiß stelle auf einem geradlinigen Draht, mit dem hier einfachheitshalber auch das Magnetfeld erzeugt wird. Die Trajektorie der geladenen Materie, die aus dem Schweißherd mit herausgeschleudert wird, wird durch so gekrümmt, daß die ionisierte Materie (= Plasma wolke) in der Nähe des Schweißherdes bleibt.

Dabei bedeutet:

I = Stromstärke durch den dick gezeichneten Leiter
q = Ladung eines Teilchens, das sich mit bewegt
= Teilchengeschwindigkeit
= magnetische Feldlinien bzw. Flußdichte

Für die Lorenzkraft gilt: = q× .

Für +q hat die umgekehrte Richtung.

Bei der Anordnung nach Fig. 2 werden die Teilchen, die senkrecht auf die Spulenfläche herausgeschleudert werden, nicht beeinflußt. Alle anderen Teilchen, die unter einem anderen Winkel herausgeschleudert werden, werden von in eine kreisförmige Bahn um die optische Achse des Systems (= Laserstrahl) gelenkt (s. auch Fig. 3).

Die beiden Anordnungen nach Fig. 1 und 2 zeigen ledig lich die Auswirkungen von zwei willkürlich gewählten Feldern.

Claims

1. Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mittels Laserstrahlung bei dem geladene Teilchen, aus denen sich eine in einer Bearbeitungszone entstehende, laserinduzierte Plasmawolke zusammensetzt, mit Hilfe eines außerhalb der Plasmawolke erzeugten elektromagnetischen Feldes in ihrer Bewegung abgelenkt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das elektromagnetische Feld die geladenen Teilchen gegen die Bearbeitungszone lenkt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Stärke und/oder Richtung des elektromagnetischen Feldes periodisch ändert.

3. Verfahren nach einem Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage und/oder die Dichte der Plasmawolke überwacht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom, der sich beim Anlegen einer Potentialdifferenz an zwei oder mehrere leitfähige, in der Nähe der Plasmawolke angebrachte Fühler in der Plasmawolke einstellt, gemessen wird.