DE3925646A1

DE3925646A1 - Erosion of material form surface workpieces by laser beam - comprising evapn etc. fusion of some of material followed by gas jet removal

Info

Publication number: DE3925646A1
Application number: DE3925646A
Authority: DE
Inventors: Ruediger Dr Ing Rohte; Hans-Peter Dipl Ing Jachertz; Ralf Dipl Ing Louis
Original assignee: DOERRIES SCHARMANN GmbH
Current assignee: DOERRIES SCHARMANN GmbH
Priority date: 1989-08-03
Filing date: 1989-08-03
Publication date: 1991-02-07
Also published as: FI903552A0; SE9002483L; SE9002483D0

Abstract

During the erosion of material from the surface of workpieces by a laser beam to suit a given contour, specially in the mfr. of grooved dandy rolls for paper machines, the laser beam evaporates or fuses some of the material. This material is removed from the range of the contour by a gas jet. The latter is applied pref. during the pauses between the active pulses of the laser beam. ADVANTAGE - This represents a method of producing such a roller surface in one simple operational stage.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Formabtragen von Werkstoff an einer Werkstückober fläche entsprechend einer vorgegebenen Kontur mittels Laser strahlen, insbesondere zur Herstellung von gerillten Walzen für Papiermaschinen; die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auch auf eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Ver fahrens.The present invention relates to a method for removing material from a workpiece area according to a predetermined contour using a laser blast, especially for the production of grooved rollers for paper machines; the invention relates to this also on a device for performing this Ver driving.

Die Anwendung von Laserstrahlen zur Materialbearbeitung ist lange bekannt. Schweißen, Schneiden und Bohren gehören heute zum Aktionsfeld des Lasers; darüberhinaus sind auch bereits Anwendungen bekannt geworden zur Härtung und Veredelung von metallischen Oberflächen.The use of laser beams for material processing is known for a long time. Welding, cutting and drilling belong today to the field of action of the laser; furthermore are already Applications have become known for the hardening and finishing of metallic surfaces.

Bei allem wird von den hervorragenden und gleichbleibenden Eigenschaften des Lasers Gebrauch gemacht, nämlich davon, daß mit einem Laserstrahl eine gezielte und damit geringe Wärme einbringung in ein Werkstück möglich ist. Damit lassen sich Werkstücke in hervorragender Weise verzugsarm bearbeiten.In everything is from the excellent and consistent Properties of the laser made use of, namely that targeted and therefore low heat with a laser beam insertion into a workpiece is possible. So that can be Work on workpieces with excellent warpage.

Die bekannten Laserschneider gehen stets davon aus, daß das vom Laserstrahl verdampfte oder aufgeschmolzene oder auch anderweitig ablösbare Werkstoffvolumen in Richtung des Laser strahls aus den bearbeiteten Werkstücken austreten kann, und zwar nach unten. The known laser cutters always assume that the evaporated or melted by the laser beam or also otherwise removable material volume in the direction of the laser can exit from the machined workpieces, and down.

Beim Laser-Schneiden entsteht jeweils eine offene Abflußmöglichkeit und das genannte Werkstoff volumen kann an der Austrittsstelle des Laserstrahls ab fließen.Laser cutting creates an open drain and the material mentioned volume can start at the exit point of the laser beam flow.

Aus dem DE-GM 87 01 354 ist eine Vorrichtung zur Einarbei tung von kegel- oder keilförmigen Segmenten in eine Werk stückoberfläche bekannt. Das zugrunde liegende Verfahren geht davon aus, daß die Seitenkonturen dieser Segmente mit dem Laserstrahl eingeschnitten und die ausgeschnittenen Segmente dann magnetisch entfernt werden.From DE-GM 87 01 354 is a device for familiarization processing of conical or wedge-shaped segments in a plant known piece surface. The underlying process assumes that the side contours of these segments with cut the laser beam and the cut ones Segments are then removed magnetically.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art anzu geben, mit dem eine formgebende Bearbeitung einer Werkstück oberfläche derart möglich ist, daß sich eine einstufige Be arbeitung der Werkstückoberfläche ergibt. Der vorliegenden Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens anzugeben.The object underlying the present invention consists in starting a method of the generic type with which a shaping machining of a workpiece surface is possible in such a way that a one-stage loading processing of the workpiece surface results. The present Another object of the invention is a device to specify to perform this procedure.

Die genannte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das vom Laser strahl beaufschlagte, d.h. verdampfte oder aufgeschmolzene Werkstoffvolumen mittels eines Gasstrahls aus dem Bereich der Kontur entfernt wird.The above object is achieved in that the laser beam acted on, i.e. evaporated or melted Volume of material by means of a gas jet from the area the contour is removed.

Dabei kann ein kontinuierlicher oder pulsierender Laser strahl benutzt werden, wobei im zweitgenannten Beispiel das Impuls-Pausen-Verhältnis so gewählt ist, daß das mit einem Einzelimpuls gelöste Werkstoffvolumen möglichst rückstands frei den Fugenbereich verlassen kann (Anspruch 2).This can be a continuous or pulsating laser beam are used, in the second example the Pulse-pause ratio is chosen so that with a Single pulse of released material volume as far as possible can freely leave the joint area (claim 2).

Grundsätzlich ist es möglich, den Laserstrahl so zu fokussieren, daß die einzuarbeitende Kontur in einem einzigen Arbeits schritt eingearbeitet wird, und zwar mit relativ geringer Relativgeschwindigkeit zwischen dem Werkstück und dem Laser strahl (Anspruch 3). Eine zweite Möglichkeit besteht darin, den Laserstrahl so zu fokussieren, daß die einzuarbeitende Kontur in einer Mehrzahl aufeinander folgender Arbeits schritte mit variabler Fokuslage und höherer Relativge schwindigkeit zwischen dem Werkstück und dem Laserstrahl eingearbeitet wird (Anspruch 4); diese Betriebsweise ist auch mit konstanter Fokuslage des Laserstrahls möglich (Anspruch 5).Basically, it is possible to focus the laser beam in such a way that the contour to be incorporated into a single work step is incorporated, and with relatively little Relative speed between the workpiece and the laser beam (claim 3). A second way is to focus the laser beam so that the one to be incorporated Contour in a plurality of successive work steps with variable focus and higher relative speed between the workpiece and the laser beam is incorporated (claim 4); this mode of operation is too possible with constant focus position of the laser beam (claim 5).

Die Vorrichtung zur Ausführung des gattungsgemäßen Ver fahrens geht von einer Übertragungsoptik für den Laserstrahl aus, über die dieser zum Auftreffpunkt auf der Werkstück- bzw. Konturenoberfläche gelenkt wird. Diese Vorrichtung ist dadurch charakterisiert, daß die Übertragungsoptik funktionell so mit einer Gasdüse gekoppelt ist, daß der Gasstrahl das vom Laserstrahl verdampfte oder erschmolzene Werkstoffvolumen aus dem Bereich der Kontur wegbläst.The device for executing the generic Ver driving is based on transmission optics for the laser beam from which it reaches the point of impact on the workpiece or Contour surface is steered. This device is thereby characterized that the transmission optics functionally so is coupled to a gas nozzle that the gas jet from the Laser beam evaporated or melted material volume blows away from the area of the contour.

Der Gasstrahl ist dabei je nachdem ob es sich um das Ein- Schritt-Verfahren (Tief-Abtragverfahren) oder das Mehr- Schritt-Verfahren (Pendel-Abtragverfahren) handelt, relativ zum Laserstrahl so ausgerichtet, daß das Werkstoffvolumen nach oben ausgetragen wird, und zwar im einen Fall (Tief-Ab tragverfahren gemäß Anspruch 7, 8) derart, daß der Fugenwerk stoff überwiegend senkrecht nach oben austritt und im anderen Fall (Pendel-Abtragverfahren gemäß Anspruch 9, 10) derart,daß der Gasstrahl steil auf die Fuge bzw. Rille trifft und der Fugenwerkstoff die Rille nach oben vorwärts und rückwärts in Rillenrichtung verläßt.The gas jet depends on whether it is the Step process (deep removal process) or the additional Step process (pendulum removal process) acts, relative aligned to the laser beam so that the material volume is carried upwards, in one case (low-down support method according to claim 7, 8) such that the joint fabric predominantly emerges vertically upwards and in the other Case (pendulum removal method according to claim 9, 10) such that the gas jet hits the joint or groove steeply and the Groove material upwards and backwards in the groove Groove direction leaves.

Die Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt inThe details of the invention are described below with reference to the Drawing explained in more detail. This shows in

Fig. 1 die Prinzipdarstellung der Vorrichtung zum Form abtragen von Werkstoff, Fig. 1 shows the basic diagram of the apparatus for molding material by removal of material,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Prinzipdarstellung der Vorrichtung nach Fig. 1 in zwei Schnittdar stellungen, wobei die Vorrichtung zur Ausführung des Pendel-Abtragverfahrens eingestellt ist; Fig. 2 shows an enlarged section of the schematic diagram of the device according to Fig. 1 in two sectional views, the device for carrying out the pendulum removal method being set;

Fig. 3 zeigt den Ausschnitt nach Fig. 2 zur Darstellung des Tief-Abtragverfahrens. FIG. 3 shows the detail according to FIG. 2 to illustrate the deep removal process.

Gemäß Fig. 1 wird ein von einem (nicht dargestellten) Lasergene rator emittierter Laserstrahl 1 einer in einem Tubus inte grierten geometrischen Übertragungsoptik 2 zugeführt. Der Laserstrahl 1 wird an einem Reflektor 3 umgelenkt und einem Hohlspiegel 4, vorzugsweise einem Parabolspiegel, zugeführt. Hier wird der Laserstrahl 1 abermals umgelenkt und nach außerhalb des Tubus übertragen. Der Hohlspiegel 4 ist so konzipiert, daß der (quasi als Rundstrahl in die Übertragungsoptik 2 eintretende) Laserstrahl 1 im Abstand der Brennweite f des Hohlspiegels 4 von der optischen Achse der Über tragungsoptik 2 fokussiert wird.Referring to FIG. 1, a laser beam emitted Gene rator 1 of an inte grated in a tube geometric transfer optic 2 (not shown) of a is supplied. The laser beam 1 is deflected at a reflector 3 and fed to a concave mirror 4, preferably a parabolic mirror. Here the laser beam 1 is redirected again and transmitted to the outside of the tube. The concave mirror 4 is designed so that the laser beam 1 (entering the optical transmission system 2 as a kind of omnidirectional beam ) is focused at a distance of the focal length f of the concave mirror 4 from the optical axis of the optical transmission system 2 .

Parallel zur optischen Achse der Übertragungsoptik 2 ist ein Werkstück 6 angeordnet, in das Konturen vorgegebener Breite und Tiefe, insbesondere Rillen eingearbeitet werden sollen. Diesbezüglich ist als spezieller Anwendungsfall an die Herstellung von gerillten Walzen gedacht, wie sie in Verbindung mit Papiermaschinen als Drainagewalzen, Ent wässerungswalzen, Vortrockenwalzen oder dergleichen einge setzt werden. Das in Fig. 1 dargestellte Werkstück 6 ist somit als Walze zu verstehen, in die mit dem Laserstrahl 1 eine Rille (10 in Fig. 2) eingearbeitet werden soll. Diese Rillen haben dabei etwa eine Tiefe von 5 mm und eine Breite von 0,5 mm; die Rillenflanken sollten möglichst parallel zueinander sein.A workpiece 6 is arranged parallel to the optical axis of the transmission optics 2 , into which contours of predetermined width and depth, in particular grooves, are to be incorporated. In this regard, is intended as a special application to the production of grooved rollers, as used in connection with paper machines as drainage rollers, dewatering rollers, predrying rollers or the like. The workpiece 6 shown in FIG. 1 is thus to be understood as a roller into which a groove ( 10 in FIG. 2) is to be incorporated with the laser beam 1 . These grooves have a depth of about 5 mm and a width of 0.5 mm; the groove flanks should be as parallel as possible to each other.

Je nach Auslegung der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung wird das Werkstück 6 relativ zur Übertragungsoptik 2 oder diese relativ zum Werkstück 6 bewegt und zwar je nach dem, ob die Kontur in einem oder in mehreren Arbeitsschritten eingearbeitet werden soll mit der entsprechenden Relativ- Vorschubgeschwindigkeit v.Depending on the design of the device shown in Fig. 1, the workpiece 6 is moved relative to the transmission optics 2 or this relative to the workpiece 6 , depending on whether the contour is to be machined in one or more steps with the corresponding relative feed speed v .

In erfindungsgemäßer Weiterbildung der insoweit im Rahmen der Fertigungstechnik bekannten Vorrichtung zur Materialbe arbeitung mittels eines Laserstrahls an sich ist dieser Vor richtung eine Gasstrahl-Düse 5 zugeordnet, und zwar so, daß ihre Achse und die Achse des Laserstrahls 1 in einer Ebene liegen, die etwa senkrecht zur Werkstückoberfläche 6′ liegt. Die Achse des Laserstrahls 1 selbst liegt dabei etwa senkrecht zur Werkstückoberfläche 6′ . Die vom Laserstrahl 1 und vom Gasstrahl 5′ gebildete Ebene ist dabei senkrecht d.h. symmetrisch zur einzuarbeitenden Kontur orientiert.In a further development according to the invention of the device for material processing by means of a laser beam known in the context of manufacturing technology, this device is assigned a gas jet nozzle 5 in such a way that its axis and the axis of the laser beam 1 lie in a plane which is approximately perpendicular to the workpiece surface 6 ' . The axis of the laser beam 1 itself is approximately perpendicular to the workpiece surface 6 '. The plane formed by laser beam 1 and gas jet 5 ' is oriented perpendicularly, ie symmetrically to the contour to be incorporated.

Die Arbeitsweise der insoweit beschriebenen Vorrichtung ist so, daß der Brennpunkt des mit geeigneter Brennweite fokussierten Laserstrahls 1, d.h. die Fokuslage (Δf) des Brennpunkts relativ zur Werkstückoberfläche 6′, so eingestellt wird, daßThe operation of the device described so far is such that the focal point of the laser beam 1 focused with a suitable focal length, ie the focus position (Δf) of the focal point relative to the workpiece surface 6 ', is set such that

a) the interaction between laser beam 1 and workpiece 6 takes place on a surface which approximately corresponds to the product of the width and depth of the contour or groove to be incorporated, or
b) the interaction between laser beam 1 and workpiece 6 takes place predominantly in the joint base on an area corresponding to the cross section of the focused laser beam.

Der erstgenannte Fall entspricht dem o.g. Ein-Schritt-Ver fahren, das im folgenden als Tief-Abtragverfahren bezeichnet wird. Dieses Verfahren erfordert eine auf die Schnittiefe optimierte Fokussierung des Laserstrahls 1 und eine kon stante Fokuslage (Δ f = const.).The former case corresponds to the above-mentioned one-step process, which is referred to below as the deep removal process. This method requires a focusing of the laser beam 1 that is optimized for the depth of cut and a constant focus position (Δ f = const.).

Der zweite Fall entspricht dem o.g. Mehr-Schritt-Verfahren, das im folgenden als Pendel-Abtragverfahren bezeichnet wird. Dieses Verfahren erfordert eine optimierte Tiefenschärfe. Hier kann die Fokuslage konstant bleiben oder entsprechend dem schrittweise tieferen Eindringen nachgeführt werden.The second case corresponds to the above. Multi-step process, hereinafter referred to as the pendulum removal process. This process requires an optimized depth of field. Here the focus position can remain constant or accordingly the gradual deeper penetration are tracked.

Wie erwähnt kann sowohl mit einem sogenannten kontinuierlichen Laser oder einem sogenannten gepulsten Laser gearbeitet werden. Die wesentliche Problematik liegt darin, daß der vom Laser strahl beaufschlagte und vom übrigen Werkstück bzw. Werkstoff gelöste Fugenwerkstoff aus der schmalen, schlanken und am Grund geschlossenen Fuge/Rille sicher entfernt wird, und zwar ohne daß diese gelösten Werkstoffvolumina wieder erstarren und an den Flankenwänden hängen bleiben. Dies wird letztlich dadurch erreicht, daß das vom Laserstrahl beaufschlagte Werk stoffvolumen von Gasstrahl 5′ quasi mit der Entstehung weg geblasen wird. Bei Verwendung eines gepulsten Lasers wird dabei das Impuls-Pausen-Verhältnis so gewählt, daß der Werkstückoberfläche mit jedem Impuls gerade so viel Energie zugeführt wird, daß das verdampfte oder geschmolzene Werk stoffvolumen genügend klein ist, um sicher aus dem Fugen bereich entfernt werden zu können.As mentioned, both a so-called continuous laser or a so-called pulsed laser can be used. The main problem lies in the fact that the joint material acted upon by the laser beam and detached from the rest of the workpiece or material is safely removed from the narrow, slim joint and groove which is closed at the bottom, and without these detached material volumes solidifying again and on the flank walls get stuck. This is ultimately achieved by the fact that the material volume of the gas jet 5 'acted upon by the laser beam is blown away with the formation. When using a pulsed laser, the pulse-pause ratio is chosen so that just as much energy is supplied to the workpiece surface with each pulse that the evaporated or melted material volume is small enough to be safely removed from the joint area .

Diese Arbeitsweise soll im folgenden nochmals anhand von Fig. 2 und Fig. 3 erläutert werden.This operation will again below with reference to Fig. 2 and will be explained. 3 Fig.

Fig. 2/3 zeigt eine Schnittdarstellung in der Ebene der ein zuarbeitenden Fuge oder Rille 10, sowie in einer hierzu senkrechten Ebene parallel zur Richtung des Laserstrahls 1. Dieser Laserstrahl 1 ist so fokussiert, daß eine Rille 10 mit der Spalttiefe S entsteht. Fig. 2/3 shows a sectional view in the plane of a groundwork end joint or groove 10, and in a plane perpendicular thereto parallel to the direction of the laser beam 1. This laser beam 1 is focused so that a groove 10 with the gap depth S is formed.

Der beim Laserstrahl-Pendelabtragen (Fig. 2) oder beim Laser strahl-Tiefabtragen (Fig. 3) mit dem Werkstoff des Werkstücks 6 in Wechselwirkung tretende Laserstrahl 1 verdampft oder ver flüssigt ein bestimmtes Werkstoffvolumen, das von dem aus der Düse 5 austretende Gasstrahl 5′ aus der Rille 10 ausgeblasen wird. Je nach Arbeitsverfahren, d.h. je nachdem ob nach dem o.g. Tief- oder Pendel-Abtragverfahren gearbeitet wird, ist die Zuordnung der Richtung des Gasstrahls 5′ relativ zu der des Laserstrahls 1 entsprechend variabel gewählt.The laser beam 1 interacting with the material of the workpiece 6 during laser beam pendulum removal ( FIG. 2) or during laser beam deep removal ( FIG. 3) evaporates or ver liquefies a certain volume of material that exits from the nozzle 5 gas jet 5 ' Is blown out of the groove 10 . Depending on the working process, ie depending on whether the abovementioned deep or pendulum removal process is used, the assignment of the direction of the gas jet 5 'relative to that of the laser beam 1 is chosen to be correspondingly variable.

Beim Tief-Abtragverfahren wird der Gasstrahl 5′ unter einem relativ großen Winkel β von etwa 20-70° zum Auftreffpunkt des Laserstrahls 1 ausgerichtet. Somit trifft der in die schon eingearbeitete Rille 10 eintretende Gasstrahl 5′ so an der Abtragsfront auf, daß er überwiegend nach oben umge lenkt wird. Das abgetragene Werkstoffvolumen w kann somit die Rille 10 auf kürzestem Weg verlassen (vgl. Fig. 3).In the deep ablation process, the gas jet 5 'is aligned at a relatively large angle β of approximately 20-70 ° to the point of incidence of the laser beam 1 . Thus, the gas jet 5 'entering the already incorporated groove 10 ' strikes the removal front in such a way that it is predominantly deflected upwards. The removed material volume w can thus leave the groove 10 by the shortest route (cf. FIG. 3).

Beim Pendel-Abtragverfahren wird der Gasstrahl 5′ so steil wie möglich, etwa unter 0° bis 30° der Auftreffstelle des Laserstrahls 1 zugeführt. Das abgetragene Werkstoffvolumen w kann dabei zu beiden Seiten des Laserstrahls 1 an der Rille 10 ausgeblasen werden. In the pendulum removal process, the gas jet 5 'is fed as steeply as possible, approximately below 0 ° to 30 °, of the point of impact of the laser beam 1 . The removed material volume w can be blown out on both sides of the laser beam 1 at the groove 10 .

Im Hinblick auf das Pendel-Abtragverfahren soll noch ange merkt werden, daß die Fokuslage des Laserstrahls 1 der Mehrzahl der aufeinander folgenden Arbeitsschritte ent sprechend variabel, d.h. der jeweiligen Spalttiefe ent sprechend nachgeführt werden kann; die Fokuslage kann beim Pendel-Abtragverfahren jedoch auch konstant ge halten werden.With regard to the pendulum ablation process, it should be noted that the focus position of the laser beam 1 of the majority of the successive work steps accordingly variable, that is, the respective gap depth can be adjusted accordingly; the focus position can also be kept constant with the pendulum removal method.

Mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren und der Vor richtung zur Ausführung dieses Verfahrens wird im Rahmen der Fertigungstechnik, d.h. der Materialbearbeitung, der Lasertechnik ein neues Anwendungsgebiet erschlossen.With the method described above and the pre Direction to carry out this procedure is within the framework manufacturing technology, i.e. the material processing, the Laser technology opened up a new area of application.

Claims

1. A method for removing material from a workpiece surface in accordance with a predetermined contour by means of laser beams, in particular for the production of grooved rollers for paper machines, characterized in that the volume acted upon by the laser beam, ie vaporized or melted material, is removed from the region of the contour by means of a gas jet becomes.

2. The method according to claim 1, characterized in that
that a pulsed laser beam is used, and
that the evaporated or melted material volume is removed in the pulse pauses of the laser beam.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in
that the laser beam is focused according to the geometric depth of the contour to be removed, and
that the contour is removed in a single work step (deep removal process).

4. The method according to claim 1 or 2, characterized, that the laser beam of optimized depths sharpness is focused accordingly, and that the contour is working in a plurality paced sequentially with variable focus location is removed (pendulum removal method).

5. The method according to claim 1 or 2, characterized, that the laser beam of optimized depths sharpness is focused accordingly, and that the contour in a plurality of work steps removed in succession with a constant focus position (pendulum removal method).

6. Device for performing the method according to one of claims 1 to 5, wherein the laser beam passes over at least one Reflector and a concave mirror, preferably a parabolic mirror, having transmission optics to the point of impact on the workpiece or Contour surface is steered, characterized, that the transmission optics functionally so a gas nozzle is coupled that the gas jet the vaporized or opened by the laser beam melted material volume from the area of Blows away contour.

7. device, to carry out the method according to claim 6, characterized, that the direction of the gas jet relative to the jet axis of the laser beam is aligned so that the material volume on the removed contour is carried out approximately upwards.

8. The device according to claim 7, characterized, that the angle between the direction of the gas jet and the beam axis of the laser beam about 20..70 ° is.

9. The device according to claim 6, to carry out the method according to claim 4 or 5, characterized, that the direction of the gas jet relative to Beam axis of the laser beam is aligned so that the gas jet is as steep as possible where the laser beam meets.

10. The device according to claim 9, characterized, that the angle between the direction of the gas jet and the beam axis of the laser beam about 0 to 30 ° is.