DE3916264C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine derartige Einrichtung ist aus der US 47 34 557 für eine geometrische Beeinflussung der Fokus-Geometrie und der Energieverteilung über dem Fokusfleck bekannt, indem dort eine flexible Membran durch rückwärtigen Unterdruck zu einem konkaven Spiegel verformt wird, dessen Einwölbungsgeometrie (also dessen Spiegelflächen-Oberflächentopographie) durch örtliche Anlage der verstärkten Spiegelflächen-Rückseite gegen dahinter mittels Madenschrauben eingestellte Anschläge begrenzt wird. Eine solche Vorgabe liefert das gewünschte Ergebnis jedoch nur für einen vorgegebenen Strahlengang von der Strahlquelle zum Fokus, wobei die Arbeitsparameter (Arbeitsentfernung und Strahlquerschnittskennwerte) vorher bekannt und während der Bearbeitung konstant sein müssen. Der Vorteil jener Einrichtung liegt allein darin, nicht einen Satz unterschiedlich geformter Spiegel bereithalten zu müssen, sondern den einmal eingebauten Spiegel in der Betriebspause durch bloße Änderung der mechanischen Anschläge an neue zu erwartende Arbeitsparameter ohne Spiegelaustauscharbeiten anpassen zu können. Im laufenden Betrieb unvermeidliche Parameteränderungen müssen durch apparativ aufwendige Teleskopkonstruktionen ausgeglichen werden, wie sie etwa aus der DE 20 09 532 A1 als Halbportal-Bauform mit fliegender Teleskopoptik zur geometrischen Beeinflussung optischer Strahlenbündel für das Trimmen automatisch zugeführter Bauelemente bekannt sind. Weil nämlich bei einer starren Strahlführung nur Bauelemente einer ganz bestimmten Höhe mit ihrer Bearbeitungsregion tatsächlich im vorgegebenen Strahlfokus liegen würden, höhere oder flachere Bauelemente dagegen nicht, ist dort eine Fokus-Nachführung derart vorgesehen, daß der tatsächliche Strahlengang bis auf das gerade zur Bearbeitung anstehende Bauelement ausgemessen und dann durch teleskopartige Strahlführungsverlängerungen oder -verkürzungen der resultierende Fokus angehoben bzw. abgesenkt wird. Damit allerdings ist nur eine Verlagerung des Fokusfleckes längs des Strahlweges möglich, keine geometrische Beeinflussung des Fokusfleckes und damit keine definierte Energieverteilung über dem Fokusfleck, was insbesondere bei Hochenergie-Laserbearbeitungseinrichtungen wegen der nicht konstanten Strahlparameter stört. Der apparative und antriebstechnische Aufwand für das teleskopartige Verstellen einer solchen Halbportal-Strahlführung, ohne die Strahlenwege über die Umlenkspiegel stellungsabhängig zu verändern, läßt solche Einrichtungen unwirtschaftlich erscheinen für die Bearbeitung von Werkstücken, die in rascher Folge in unterschiedlicher Geometrie anstehen. Hinzu kommt, daß hochenergetische Strahlquellen häufig mit astabilen Resonatoren arbeiten und deshalb ringförmige Strahlquerschnitte auskoppeln, die grundsätzlich eine ungünstige Energieverteilung im Fokusfleck bezüglich der dort tatsächlich anzustrebenden Prozeßparameter aufweisen.

Für Laser-Oberflächenbearbeitungen, wie sie beispielsweise aus der DE 35 09 582 C2 oder aus der US 44 51 299 bekannt sind, ist also eine solche teleskopische Nachführung der Fokusebene schon deshalb nicht geeignet, weil im Fokus nur die aus der Strahlquelle gelieferte Querschnittsgeometrie abgebildet wird, die aber für wünschenswerte Materialbeeinflussungen in vorgegebener Weise veränderbar sein sollte. Eine an den aktuellen Prozeßparametern orientierte Anpassung der Strahlgeometrie ist andererseits mit einem einstellbaren Spiegel nach der gattungsgemäßen Einrichtung nicht erzielbar, weil es dort nur um die stationäre Geometrie-Vorgabe für die Spiegelflächen-Einwölbung geht, Eingriffsmöglichkeiten während des laufenden Bearbeitungsbetriebes dagegen nicht eröffnet werden. Für bestimmte Materialbearbeitungen ist dagegen anzustreben, die aktuelle Querschnittsgeometrie des Strahles in vorgegebener Weise ständig verändern zu können.

Denn insbesondere bei der auf lokaler Erwärmung beruhenden Werkstück-Oberflächenbehandlung treten insofern ähnliche technologische Probleme wie etwa beim autogenen Schweißen auf, als in Vorschubrichtung der Bearbeitungs-Front aufgrund der Wärmeträgheit des Materials eine erhöhte Energiezufuhr für rasches Aufheizen auf die metallurgisch wünschenswerte Temperatur anzustreben ist; während zur Vermeidung von unerwünschten Reaktionen bei der Materialabkühlung (an der Rückseite bezüglich des Bearbeitungs-Vorschubs) ein verzögerter und in gewissen Grenzen kontrollierter Temperaturabfall angestrebt wird, wie er durch örtliche Reduzierung der Energiezufuhr im Bearbeitungsbereich steuerbar ist. Hierauf bezieht sich der Hinweis auf verfahrensspezifisch anzustre­ bende Laserleistungsverteilungen und -einwirkzeiten im Beitrag "Laseranwendungen in der Fertigungstechnik" von C. Schmitz-Justen u.a. in LASERTECHNOLOGIE, Seite 25; vgl. auch Mitte von Seite 482 in OPTOELEKTRONIK MAGAZIN Vol. 4 No. 5/1988. Es genügt deshalb nicht, einen verformbaren Spiegel auf eine zu erwartende Strahlgeometrie einzustellen, weil diese Strahlgeometrie im praktischen Betrieb nicht konstant ist. Und erst recht ist es nicht ideal, den aus der Laserquelle gelieferten Strahlquerschnitt über bloße Spiegel-Fokussierung auf die Werkstück-Oberfläche einwirken zu lassen, weil damit insbesondere nicht ein in vorstehendem Sinne wünschenswertes Temperaturprofil in Abhängigkeit von den Fortbewegungsgegebenheiten der Bearbeitungszone hervorgerufen würde. Es kommt hinzu, daß Hoch­ energie-Laserquellen, wie sie für eine wirkungsvolle Werkstückbear­ beitung einzusetzen sind, mit astabilen Resonatoren arbeiten, also einen ringförmigen Strahlquerschnitt auskoppeln. Die Verschiebung eines ringförmigen Strahlenabbildes über die Werkstück-Oberfläche würde jedoch dazu führen, daß an den Seitenrändern der Bearbeitungs­ bahn aufgrund der tangentialen Überlappungen überhöhte Temperaturen auftreten, zwischen denen aufgrund des Abstandes zwischen vorseitigem und rückseitigem Ring-Bogenstück eine geringere Temperatur herrscht. Das würde weit entfernt sein von den anzustrebenden Temperaturver­ teilungen, wie sie vorstehend qualitativ erläutert wurden. Zwar sind für die Hochenergie-Lasertechnik Facettenspiegel zur Beein­ flussung einzelner Strahl-Querschnitte in Relation zu benachbarten Teilstrahlen bekannt (z.B. angeboten als VA-Mo-Segmentspiegel der NIPPON Mining Co., Ltd.); aber die anzustrebende freizügige Anpaß­ barkeit des Energiefleckes an die tatsächliche Reaktion der Werk­ stoff-Oberfläche läßt sich mit solchen festen geometrischen Strahl­ vorgaben nicht erzielen.

In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung gattungsgemäßer Art derart weiterzugestalten, daß sie auch bei schwankenden Strahlparametern und sich ändernden Prozeßparametern flexibel einsetzbar ist in Hinblick auf den nach Maßgabe der thermischen Anforderungen auszubildenden, auf die Werkstück-Oberfläche fokussierten Strahlfleck.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß die Einrichtung gattungsgemäßer Art gemäß dem Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 ausgelegt ist.

Nach dieser Lösung werden Techniken eingesetzt, die bereits verfügbar sind und sich als sog. adaptiven Optiken in der Hochenergie-Laser­ technologie bewährt haben, vgl. den sog. MDA-(Multi-Dither-Actuator-) Spiegel gemäß GB-OS 21 62 713. Danach werden einzelne Teilbereiche der Spiegelfläche aus der idealen Spiegelgeometrie (die eine plane Ebene sein kann oder zur Fokussierung im Mittel konkav verläuft) gegeneinander um Bruchteile der Laserstrahl-Wellenlänge versetzt, um so über Phasenverschiebungen die resultierende Wellenfront des Laserstrahles und damit die Energieverteilung im Laserbrennfleck- Querschnitt auf der Werkstück-Oberfläche nach Maßgabe der techno­ logischen Anforderungen zu beeinflussen. Dadurch kann nicht nur der ringförmige Strahlenquerschnitt im Laserfleck zu einem vollflächi­ gen Gebilde geführt werden, sondern das vollflächige Gebilde kann beispielsweise in Richtung der relativen Werkstückbewegung verzerrt werden und in Bewegungs-Richtung mit höherer Strahlintensität ausge­ stattet sein, als in entgegengesetzter Laserfleck-Richtung. Das stellt eine apparativ einfachere und leichter zu steuernde Lösung dar, als beispielsweise die gezielte Überlagerung von getrennten Laserstrahlen, wie sie als solche aus der US-PS 43 96 285 bekannt ist.

Für eine geometrische Beeinflussung der Fokus-Geometrie und der Energieverteilung über dem Fokusfleck ist es aus der US 47 34 557 bekannt, eine flexible Membran durch rückwärtigen Unterdruck zu einem konkaven Spiegel zu verformen, dessen Einwölbungsgeometrie durch örtliche Anlage der verstärkten Spiegelflächen-Rückseite gegen dahinter mittels Madenschrauben eingestellte Anschläge begrenzt ist. Eine solche Vorgabe liefert das gewünschte Ergebnis jedoch nur für einen vorgegebenen Strahlengang von der Strahlquelle zum Fokus, Änderungen der Arbeitsentfernung müssen wieder etwa durch die aufwendige Teleskopkonstruktion der gattungsbildenden Einrichtung ausgeglichen werden - und eine laufende Anpassung der Fokus-Geometrie sowie der Energieverteilung an aktuell sich ändernde Prozeßparameter ist mit einer solchen voreingestellten Spiegelgeometrie nicht realisierbar. Die dafür notwendige flexible lokale Verformung der einzelnen Spiegelflächen-Bereiche erfolgt dagegen zweck­ mäßigerweise durch dahinter angeordnete Piezo-Stellglieder, die eine stabile und reproduzierbare Auslenkung über einen Steuerkreis der Art erfahren, wie er in der GB-OS 21 78 619 näher beschrieben ist; worauf hier zur Vermeidung von Wiederholungen voll-inhaltlich Bezug genommen wird. Zur Kompensation von mechanischen und elektri­ schen Drifterscheinungen, einschließlich der Auswirkungen von Umge­ bungstemperaturschwankungen, wird zweckmäßigerweise ein mechanisch-elek­ trischer Abgleich eingesetzt, wie er in der eigenen älteren DE 37 40 515 A1vom 30.11.87 "Justiereinrichtung für deformierbaren Spiegel" näher beschrieben ist. Wenn die Erzeugung eines definierten Strahlfleckes auf der Werkstück-Oberfläche nach Maßgabe einer de­ finierten Vorgabe sichergestellt werden soll, wird zweckmäßigerweise ein Bildaufnehmer zur Istwertgewinnung für einen geschlossenen Regel­ kreis eingesetzt. Die einzelnen Teilbereiche des Brennfleckes, ent­ sprechend den einzelnen Querschnittsbereichen des verformten Laser­ strahles, sind dabei gemäß dem MDA-Prinzip durch den Stellhüben hochfrequent überlagerte Modulationsauslenkungen individualisiert. Um elektrische und mechanische Stör-Kopplungen zu vermeiden und hohe Amplituden sowohl für die Modulation wie auch für die Verfor­ mungs-Stellhübe zu ermöglichen, ist es entgegen den Verhältnissen nach GB-OS 21 62 713 allerdings zweckmäßig, nicht einen einzigen Spiegel sowohl für die Modulation wie auch für die Stellgrößen-Ver­ formung einzusetzen, sondern hierfür getrennte Spiegel mit verform­ baren Spiegelflächen aufzubauen. Deren Wirkungen werden dann dadurch einander überlagert, daß der Laser-Strahlengang nacheinander über sowohl den Modulations-Spiegel wie auch den Stell-Spiegel umgelenkt wird.

Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.

In nachstehender Beschreibung wird anhand der einzigen Figur der Zeichnung ein unter Beschränkung auf das Wesentliche stark abstrahiert skizziertes be­ vorzugtes Realisierungsbeispiels des erfindungsgemäßen Oberflächen-Behandlungslaser in Halbportal-Bauweise angegeben.

Die zeichnerisch skizzierte Bestrahlungs-Einrichtung 11 zur Behandlung der Oberfläche 12 eines Werkstückes 13 weist mehrere Umlenk-Spie­ gel 14 im Strahlengang 15 zwischen Laserquelle 16 und Werkstück 13 auf. Wenigstens einer der Umlenk-Spiegel 14 ist mit Stellgliedern 17 (vorzugsweise in der Bauform von Piezo-Aktuatoren) für eine lo­ kale Veränderung der Topographie seiner Spiegelfläche 18 ausgestat­ tet, um über eine lokale Phasenverschiebung, also Verzerrung von Teilbereichen der Wellenfront des Laserstrahles 19 eine bestimmte Wellenfront und dadurch eine vorgegebene Fokussierung sowie Geometrie und Intensitätsverteilung des Strahlfleckes 20 auf der Werkstück-Ober­ fläche 12 hervorzurufen. Dafür werden die Längen der einzelnen Stell­ glieder 17 über ein Steuergerät 21 nach Maßgabe der Vorgabe aus einem Sollwertgeber 22 eingestellt bzw. über der Zeit variiert. Wenn ein Istwertgeber 23 zur Aufnahme des momentanen Strahlfleckes 20 auf der Werkstück-Oberfläche 12 vorgesehen ist, etwa ausgebildet als Infrarot-Bildaufnehmer, dann kann durch die Istwert-Rückführung 24 ein geschlossener Strahlfleck-Regelkreis hinsichtlich der Vorgaben aus dem Sollwertgeber 22 ausgebildet werden. Letzterer kann über eine Führungsgröße 25 gesteuert werden, die eine Stelleinrichtung 26 zur örtlichen und zeitlichen Verlagerung des Werkstückes 13 relativ zum Bearbeitungs-Strahlkopf 27 liefert.

Zur Funktion des geschlossenen Regelkreises über die Rückführung 24 müssen die einzelnen, individuell beeinflußbaren Querschnitts­ bereiche des Strahles 19, nämlich in ihrer Zuordnung zu den indivi­ duellen Stellgliedern 17, individualisiert sein, um den über seine Querschnittsfläche definiert verformten Strahl 19′ zu erzielen. Die Kennung der einzelnen Strahlausschnitte, entsprechend den einzel­ nen Teilzonen der Spiegelfläche 14, erfolgt über individuelle relativ hochfrequente Schwingungs-Modulationen, denen die dagegen nieder­ frequent sich verändernden Stellhübe der einzelnen Stellglieder 17 überlagert sind. Allerdings sind die beispielsweise mit Piezo-Ak­ tuatoren realisierbaren Hübe relativ beschränkt; und die über die Spiegelfläche 18 erfolgende mechanische Koppelung zwischen den einzelnen Stellgliedern 17 kann zu Schwingungsmischprodukten führen, die eine stabile Arbeitsweise des Regelkreises beeinträchtigen. Deshalb kann es zweckmäßig sein, nicht in einem einzigen der vorhandenen Umlenk­ spiegel 14 die Kennungs-Modulation und den Stellhub im jeweiligen Spiegelbereich mittels eines einzigen Stellgliedes 17 im Wege einer elektrischen Signalüberlagerung zu realisieren, sondern eine opti­ sche Überlagerung dergestalt vorzunehmen, daß in einem Umlenkspiegel 14.1 nur die Stell-Verformung der Oberfläche 18.1 hervorgerufen wird, und in einem anderen Umlenkspiegel 14.2 im selben Verlauf des Strahlenganges 15 die Kennungs-Modulation der einander benach­ barten Teilflächen der Spiegelfläche 18.2, wie in der Zeichnung berücksichtigt. Die Stellglieder 17.2 im Modulationsspiegel 14.2 sind an einen Modulationsfrequenzgeber 28 angeschlossen und dadurch nicht mehr mechanisch oder elektrisch gekoppelt mit der Ansteuerung der Verformungs-Stellglieder 17.1, die vom Steuergerät 21 individuell erfolgt.

Die Modulations- und Stellspiegel 14.2, 14.2 werden zweckmäßigerweise im Bereich der beiden Stirnenden 29 einer mit ihrem frei vorkragenden Ende den Strahlkopf 27 haltenden Traverse 30 angeordnet, so daß sie leicht zugänglich sind für Kühlmittelströme (in der Zeichnung nicht berücksichtigt). Die Traverse 30 wird von einem Tragrohr 31 gehaltert, das wie die Hochenergie-Laserquelle 26 stationär angeordnet und von dieser innen koaxial mit dem Laserstrahl 19 gespeist ist. Um den Strahlkopf 27 nach Maßgabe der Bearbeitungsanforderungen relativ zu den Bewegungskoordinaten des zu behandelnden Werkstückes 13 einstellen zu können, ist die Traverse 30 (wie in der Zeichnung durch die Doppelpfeile angedeutet) längs des Tragrohres 31 verschieb­ bar und um dieses herum verschwenkbar angeordnet und außerdem mit einer teleskopartigen Schub-Dreh-Führung 32 ausgestattet, um den Abstand und die Abstrahlrichtung des Strahlkopfes 27 relativ zum Tragrohr 31 verändern zu können. Die Geometrie des Strahlenganges 15 wird dadurch nicht beeinflußt, weil die Umlenk-Spiegel 14 in der Mittelachse des Strahlenganges 15 bei Eintritt und Austritt aus der Traverse 30, also in den Kreuzungspunkten der Achsen der Rohre und damit des umgelenkten Strahlengangs 15, fixiert sind. Wenn noch eine Verschwenkung des Strahlkopfes 27 aus der Parallelebene zum Tragrohr 31 heraus erforderlich ist, dann ist lediglich ein zusätzlicher abgewinkelter Verlauf der Traverse 30 (quer zur Dar­ stell-Ebene der Zeichnung) mit weiteren Umlenkspiegeln in den weiteren Umlenkpunkten des Strahlenganges 15 erforderlich.

Claims (5)

1. Laserwerkstückbearbeitungs-Einrichtung (11), insbesondere für die Laserstrahl-Oberflächenbehandlung, mit Vorrichtungen zur Beeinflussung des wirksamen Strahlfleckes (20) auf dem Werkstück (13) mittels wenigstens eines Umlenk-Spiegels (14) im Strahlengang (15) zwischen Laserquelle (16) und Werkstück (13), der Stellglieder (17) für die lokal einstellbare Topographie seiner Spiegelfläche (18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stelleinrichtung (26) für eine Bewegung des Werkstückes (13) relativ zu einem Strahlenaustritts-Kopf (27) vorgesehen ist, von der eine Führungsgröße (25) an einen Sollwertgeber (22) für ein Strahlformungs-Steuergerät (21) geliefert wird, das die Stellglieder (17) für eine lokal variierbare Topographie der Spiegelfläche (18) nach Maßgabe einer vorgegebenen Geometrie des vom verformten Strahl (19′) hervorgerufenen Strahlfleckes (20) ansteuert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Querschnittsbereiche des verformten Strahles (19′) eine höherfrequent überlagerte Kennungsmodulation aus einem Modulationsfrequenzgeber (28) aufweisen.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche in ihrer Spiegelflächen-Topographie einstellbare Umlenk-Spiegel (14.1, 14.2) hintereinander im Strahlengang (15) zwischen Laserquellen (16) und Werkstück (13) vorgesehen sind.

4. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für den Strahlengang (15) eine hohle Traverse (30) vorgesehen ist, die an ihren Stirnenden (29) mit Umlenk- Spiegeln (14) ausgestattet ist und die relativ bewegbar zu der stationär angeordneten Strahlenquelle (16) sowie zu der ebenfalls stationären Stelleinrichtung (26) für eine Bewegung des Werkstückes (13) angeordnet ist, wobei die Umlenk-Spiegel (14) stets in der Längsachse des umgelenkten Strahlenganges (15) verbleiben.

5. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich mit einem Bildaufnehmer-Istwertgeber (23) für eine Regelkreisrückführung (24) an das Steuergerät (21) nach Maßgabe des momentanen Strahlfleckes (20) auf dem Werkstück (13) ausgestattet ist.