DE3939577C2

DE3939577C2 -

Info

Publication number: DE3939577C2
Application number: DE3939577A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. 5100 Aachen De Behler
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1989-11-30
Filing date: 1989-11-30
Publication date: 1992-05-27
Also published as: DE3939577A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to a device with the Features of the preamble of claim 1.

Bei der Materialbearbeitung mit Laserstrahlung ist es in vielen Anwendungsfällen erforderlich, den Laserstrahl relativ zum Werkstück zu bewegen. Besonders häufig tritt der Fall auf, daß der Laserstrahl quer zu einer Förderrichtung des Werkstücks mit einer Geschwindigkeit bewegt werden muß, die sehr groß im Vergleich zur Fördergeschwindigkeit des Werkstücks ist. Da die Fördergeschwindigkeit im Sinne einer großen Produktivität so groß wie möglich sein soll, ist es nötig, daß auch die Ablenk geschwindigkeit des Laserstrahls den hohen Fördergeschwindig keiten angepaßt ist. Die herkömmlichen Vorrichtungen zum Ablen ken eines Laserstrahls weisen jedoch gravierende Nachteile auf. When processing materials with laser radiation, it is in many applications required, the laser beam relatively to move to the workpiece. The case occurs particularly often that the laser beam is transverse to a conveying direction of the workpiece must be moved at a speed that is very large in the Comparison to the conveying speed of the workpiece. Since the Conveying speed in the sense of great productivity should be as large as possible, it is necessary that the distraction speed of the laser beam the high conveying speed speed is adjusted. The conventional devices for deflection However, a laser beam has serious disadvantages.

Aus der US 47 97 532 ist eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt. Der bekannte Spiegel ist als plane Kreisscheibe ausgebildet und auf einem Rotor angeordnet, dessen Rotationsachse mit der Spiegelvertikalen einen Winkel einschließt. Bei einer Rotation dieses Spiegels werden kreisförmige Strahlablenkungen erzeugt. Die in dieser Druckschrift angegebenen Umdrehungszahlen betragen einige zehn je Minute. Der Spiegeldurchmesser entspricht etwa dem Strahldurchmesser, so daß der Spiegel bei höheren Strahlintensitäten thermisch hoch belastet wird, was seine Einsatzmöglichkeiten beschränkt. Eine translatorische Strahlablenkung ist mit dieser bekannten Vorrichtung nicht möglich.From US 47 97 532 is a device with the features the preamble of claim 1 known. The known Mirror is designed as a flat circular disc and on one Rotor arranged, its axis of rotation with the mirror vertical encloses an angle. When this mirror rotates circular beam deflections are generated. The one in this The number of revolutions specified in the publication is some ten a minute. The mirror diameter corresponds approximately to that Beam diameter so that the mirror at higher beam intensities is subjected to high thermal loads, which is its possible uses limited. A translational beam deflection is included this known device is not possible.

Aus der GB 20 91 440 A ist ein rotierend angetriebener Spiegel bekannt, mit dem der Bilderzeugung dienendes Licht zeilenweise abgelenkt wird. Der Spiegel besitzt im Abstand von der Rotationsachse eine ringförmige strahlablenkende Fläche, die in bezug auf die Rotationsachse derart wechselnde Neigung hat, daß der Strahl entsprechend geschwenkt wird. Eine translatorische Strahlablenkung ist mit dem bekannten Spiegel nicht möglich.From GB 20 91 440 A is a rotating driven Mirror known, with the light used for image formation line by line is distracted. The mirror is spaced from the Rotation axis is an annular beam deflecting surface that is in has such a changing inclination with respect to the axis of rotation that the beam is swiveled accordingly. A translational one Beam deflection is not possible with the known mirror.

Aus der DE 38 24 127 A1 ist eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung der Oberfläche eines Substrates bekannt, bei der ein Laserstrahl mit einem drehangetriebenen Polygonspiegel verwendet wird, der auf seiner Umfangsfläche eine Vielzahl strahlablenkender Spiegelflächen hat, die bei stehendem Laserstrahl und rotierendem Polygonspiegel nacheinander angestrahlt werden und den Laserstrahl schwenkend ablenken. Ein derartiger Polygonspiegel hat eine relativ große Masse und einen erheblichen Raumbedarf. Infolgedessen liegt die Schwenk- bzw. Ablenkfrequenz weit unter einem kHz und damit unter demjenigen Bereich des Bearbeitens mit einem Elektronenstrahl, wobei aufgrund der trägheitslosen Ablenkung des Elektronenstrahls Ablenkungsfrequenzen bis zu einem kHz praktikabel sind.DE 38 24 127 A1 describes a device for heat treatment known the surface of a substrate, in which a Laser beam used with a rotating polygon mirror that has a large number of beam deflecting elements on its circumferential surface Has mirror surfaces that with a standing laser beam and rotating polygon mirror are successively illuminated and deflect the laser beam. Such a polygon mirror has a relatively large mass and considerable Space requirements. As a result, the panning or deflection frequency lies far below one kHz and thus below that range of processing with an electron beam, due to the inertial deflection of the electron beam deflection frequencies up to one kHz are practical.

Aus der EP 01 10 231 A2 ist eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mit einem Laserstrahl bekannt, bei dem zwei fokussierende Spiegel im Winkel zu ihrer Rotationsachse angeordnet sind, um die sie rotieren, um auf dem Werkstück vorbestimmte Bahnen zu beschreiben. Die kreiselartigen Spiegelbewegungen ergeben entsprechend große Lagerbelastungen, so daß die bekannte Vorrichtung nur für vergleichsweise geringe Schwenk- bzw. Ablenkungsfrequenzen geeignet ist.EP 01 10 231 A2 describes a device for processing known of workpieces with a laser beam, in which two focusing mirrors arranged at an angle to their axis of rotation are around which they rotate to predetermined on the workpiece To describe tracks. The gyro-like mirror movements result in correspondingly large bearing loads, so that the known device only for comparatively low swivel or deflection frequencies is suitable.

Die bekannten Vorrichtungen sind daher auf solche Bearbeitungsverfahren beschränkt, bei denen die vorgenannten Nachteile nicht erheblich sind. Das sind insbesondere Verfahren der Materialbearbeitung mit geringem Leistungsbedarf.The known devices are therefore based on such processing methods limited, where the aforementioned disadvantages are not significant. These are, in particular, material processing methods with low power requirements.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 so zu verbessern, daß sie auch für vergleichsweise große Ablenkfrequenzen eingesetzt werden kann, wobei die Strahlungsbelastung der strahlablenkenden Fläche groß sein kann und auch eine translatorische Strahlablenkung möglich ist.In contrast, the invention is based on the object Device with the features of the preamble of the claim 1 to be improved so that it can also be used for comparatively large ones Deflection frequencies can be used, the radiation exposure the beam deflecting surface can be large and also translational beam deflection is possible.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This task is characterized by the characteristics of the Claim 1 solved.

Die Ausbildung der strahlablenkenden Spiegelfläche als Schrauben-Wendelfläche und deren zur Rotationsachse gleichach sige Anordnung ermöglichen den Einsatz einer im wesentlichen zur Rotationsachse senkrechten Stirnseite des Spiegels für die Strahlablenkung. Der Durchmesser dieser Stirnseite kann auf den Durchmesser des Strahls abgestimmt werden, so daß der Spiegel vergleichsweise kleine Radialabmessungen hat. Daraus ergibt sich ein geringes Gewicht des Spiegels. Die Rotation kann dementsprechend mit großen Umdrehungszahlen erfolgen, so daß die Ablenkfrequenz entsprechend groß sein kann.The formation of the beam-deflecting mirror surface as Screw helix surface and their coaxial with the axis of rotation arrangement allow the use of an essentially face of the mirror perpendicular to the axis of rotation for the Beam deflection. The diameter of this face can be on the Diameter of the beam can be matched so that the mirror has comparatively small radial dimensions. It follows a light weight of the mirror. The rotation can accordingly done with large revolutions, so that the Deflection frequency can be correspondingly large.

Da die Schrauben-Wendelfläche als Regelschraubenfläche eine vergleichsweise einfache räumliche Geometrie hat, bei der senkrecht zur Rotationsachse verlaufende Radialstrahlen dasselbe Axialniveau haben und bei der die Wendelfläche eben ausgebildet und mit konstanter Neigung bzw. Steigung angeordnet ist, kann der Spiegel durch herkömmliche Techniken mit vergleichsweise geringem Aufwand hergestellt werden.Since the helical screw surface as a regular screw surface is one has comparatively simple spatial geometry in which Radial rays perpendicular to the axis of rotation do the same Have axial level and at which the helical surface is flat and is arranged with a constant inclination or slope, the mirror can be compared using conventional techniques can be produced with little effort.

Der Spiegel ist ein einstückiger Metallspiegel. Dieser kann in einfacher Weise mit herkömmlichen Bearbeitungsverfahren präzise hergestellt werden. Es ist thermisch hoch belastbar und kann erforderlichenfalls auf einfache Weise gekühlt werden, auch wenn das Kühlmittel abgedichtet werden muß, weil die Dichtungsflächen des Spiegels exakt bearbeitet werden können und letzterer mit einwandfreiem Rundlauf auch bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten betrieben werden kann.The mirror is a one-piece metal mirror. This can be done easily with conventional machining processes be manufactured precisely. It is thermally resilient and can be easily cooled if necessary, even if the coolant has to be sealed because of the sealing surfaces of the mirror can be edited precisely and the latter with perfect concentricity even at high rotation speeds can be operated.

Der Spiegel ist kreisscheiben- oder torusähnlich ausgebildet. In beiden Fällen ist die radiale Erstreckung des Spiegels so gering wie möglich, und dementsprechend auch dessen Masse. Eine torusähnliche Ausbildung des Spiegels, als eine Ausbildung mit massefreier Mitte, wird als besonderes Mittel zur Verringerung der Masse des Spiegels dann gewählt, wenn der Laserstrahl in einigem Abstand von der Rotationsachse auf die Spiegelfläche treffen soll. Das ist beispielsweise dann der Fall, wenn die mittlere Bahnlänge des Laserstrahls auf der Wendelfläche möglichst groß sein soll, z. B. um bei gegebenem Steigungswinkel der Wendelfläche einen möglichst großen axialen Höhenversatz zu erreichen, der für eine möglichst große Ablenkstrecke des Laserstrahls benötigt wird. Das kann aber auch aus fertigungstechnischen Gründen nötig sein, um die bei der Herstellung des Spiegels im Bereich der Rotationsachse gegebenen Schwierigkeiten zu vermeiden, oder um den Spiegel in einfacher Weise montieren zu können. Im Sinne einer Minimierung der Spiegelmasse hat der Spiegel bei kreisscheibenähnlicher Ausbildung einen etwas größeren als doppelt strahlstarken Außendurchmesser. Der exakte Außendurchmesser hängt davon ab, wie weit der Laserstrahl vom Außenumfangsbereich und vom Rotationsachsenbereich des Spiegels entfernt sein muß.The mirror is designed like a circular disc or torus. In both cases the radial extent of the mirror as small as possible, and accordingly its mass. A torus-like formation of the mirror, as an education with mass-free center, is used as a special means of reduction the mass of the mirror chosen when the laser beam at some distance from the axis of rotation on the mirror surface should meet. This is the case, for example, when the mean path length of the laser beam on the helical surface should be as large as possible, e.g. B. at a given pitch angle the greatest possible axial height offset of the spiral surface to achieve the greatest possible deflection distance of the laser beam is needed. But this can also be done from a manufacturing perspective Reasons to be necessary in the manufacture given the mirror in the area of the axis of rotation To avoid difficulties or to turn the mirror in easier Way to assemble. In the sense of minimizing the mirror mass the mirror has a circular disc-like design a slightly larger than double jet outer diameter. The exact outside diameter depends on how far the Laser beam from the outer peripheral area and from the rotation axis area the mirror must be removed.

Die Wendelfläche ist ihrer geometrischen Natur nach um die Schraubendrehachse und damit um die Rotationsachse des Spiegels herum angeordnet. Damit der Strahl, nachdem er von allen zur Strahlablenkung vorgesehenen Stellen der Wendelfläche reflek tiert wurde, erneut in derselben Richtung abgelenkt werden kann, ist die Vorrichtung so ausgebildet, daß sich an das axial am weitesten vorspringende Ende der Wendelfläche eine axial rückspringende Stufe anschließt. Die Stufe reduziert die axiale Erstreckung der Spiegelfläche und führt zu einem erneuten Über streichen der Wendelfläche durch den Laserstrahl zwischen zwei durch die Stufe festgelegten axialen Niveaus.The geometrical nature of the spiral surface is around that Screw axis of rotation and thus around the axis of rotation of the mirror arranged around. So that the beam, after being passed by everyone Beam deflection provided points of the helical surface reflect was distracted again in the same direction can, the device is designed so that the axially most protruding end of the helical surface is an axial returning stage follows. The step reduces the axial Extension of the mirror surface and leads to a new over sweep the helical surface through the laser beam between two axial levels determined by the step.

Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung so ausgebildet, daß die axial rückspringende Stufe eine Rücksprungfläche aufweist, deren Ebene zu der Rotationsachse des Spiegels allenfalls etwas geneigt ist. Eine derartige Stufe ermöglicht den augenblicklichen Übergang der Reflexion des Laserstrahls oder eines Teils des Laserstrahls von einem höheren auf ein tieferes axiales Niveau, insbesondere auch bei sehr kleinen Einfallwinkeln, bei denen also der einfallende Laserstrahl und die Rotationsachse nur einen sehr spitzen Winkel einschließen. Wenn die Neigung der Rücksprungfläche Null ist, liegt die Rotationsachse also in dieser Ebene. Die Neigung der Rücksprungfläche kann so sein, daß sie dem einfallenden Laserstrahl fast parallel ist, sie kann aber auch entgegengesetzt so sein, daß die Rücksprungfläche eine Neigung im entgegengesetzten Sinn hat, also im Sinne einer Verkleinerung des spitzen Winkels zwischen der Rücksprungfläche und der Wendelfläche. Darüber hinaus haben diese Ausbildungen der Stufe den Vorteil, technisch einfach herstellbar zu sein.The device is advantageously designed such that the axially recessed step has a recess surface, their plane to the axis of rotation of the mirror at best somewhat is inclined. Such a stage enables the instantaneous Transition of the reflection of the laser beam or a part the laser beam from a higher to a lower axial level, especially with very small angles of incidence, at which means the incident laser beam and the axis of rotation include only a very acute angle. If the inclination the return surface is zero, the axis of rotation is in this level. The slope of the recess surface can be that it is almost parallel to the incident laser beam, she can also be opposite so that the return surface has an inclination in the opposite sense, that is, in the sense a reduction in the acute angle between the recess surface and the spiral surface. They also have this Training the level the advantage, technically easy to manufacture to be.

Vorteilhafterweise erstreckt sich die Wendelfläche einmal vollständig um die Rotationsachse des Spiegels herum. Dadurch ergibt sich für einen bestimmten Steigungswinkel der Wendelfläche ein größtmöglicher axialer Höhengewinn der Stufe und damit eine dementsprechend große Auslenkung bzw. ein entsprechend großer Versatz zwischen den Extrempositionen der reflektierten Strahlen an den axial am weitesten und am wenigsten weit vor springenden Enden der Wendelflächen.The helical surface advantageously extends once completely around the axis of rotation of the mirror. Thereby results for a certain pitch angle of the helical surface the greatest possible axial height gain of the step and thus a correspondingly large deflection or accordingly large offset between the extreme positions of the reflected Beams axially farthest and least forward bouncing ends of the helical surfaces.

Wenn mehrere Wendelflächen um die Rotationsachse des Spie gels herum angeordnet sind, ergibt sich eine während einer Ro tation des Spiegels erfolgende mehrfache Ablenkung des Laser strahls, also eine entsprechend höhere Ablenkungsfrequenz für eine bestimmte Drehzahl des Spiegels. Für eine bestimmte Fre quenz kann also die Rotationsgeschwindigkeit des Spiegels ent sprechend gesenkt werden. If several spiral surfaces around the axis of rotation of the game gels are arranged around, one arises during a ro tation of the mirror, multiple deflection of the laser beam, i.e. a correspondingly higher deflection frequency for a certain speed of the mirror. For a certain fre quenz the rotation speed of the mirror can ent be lowered speaking.

Sofern sich mehrere Wendelflächen direkt aneinanderreihen, steht den einzelnen Wendelflächen die jeweils größtmögliche Flächenlänge zur Verfügung und infolgedessen für einen vorgege benen Steigungswinkel der größtmögliche axiale Niveauunter schied zwischen den Enden der Wendelfläche.If there are several helix surfaces directly next to each other, stands the largest possible for the individual spiral surfaces Area length available and therefore for a given the highest possible axial level cut between the ends of the spiral surface.

Um zu erreichen, daß die Ablenkung des Laserstrahls stets in derselben Richtung erfolgt, sind mehrere Wendelflächen säge zahnähnlich aneinandergereiht. Bei gleichen Steigungswinkeln und denselben axialen Ausgangsniveaus der Wendelflächen wird der Laserstrahl zwischen zwei maximal voneinander entfernten Stellen jeweils in derselben Richtung abgelenkt.To ensure that the deflection of the laser beam always in the same direction, several spiral surfaces are sawed lined up tooth-like. At the same pitch angle and the same axial starting level of the helical surfaces the laser beam between two maximum distance from each other Make each distracted in the same direction.

Für gewisse Anwendungsfälle kann es vorteilhaft sein, daß in Umlaufrichtung einer Wendelfläche eine in bezug auf die Ro tationsachse steigungslose Spiegelfläche angeordnet ist. Die steigungslose Spiegelfläche sorgt dafür, daß der Laserstrahl während des Verweilens auf ihr nicht verlagert wird. Es ist also je nach Anordnung dieser steigungslosen Spiegelfläche auf dem höchsten oder tiefsten axialen Niveau der Wendelfläche mög lich, den Laserstrahl zu Beginn oder zum Ende seiner Ablenk strecke für einen Bruchteil der Dauer einer Umdrehung bewe gungslos verharren zu lassen, also ohne eine Ablenkungsbewegung. Das Verharrenlassen des Laserstrahls an einer beliebigen Stelle seiner Ablenkbahn kann erreicht werden, indem die steigungslose Spiegelfläche entsprechend im Verlauf der vom Laserstrahl bestrichenen Wendelfläche angeordnet wird.For certain applications it can be advantageous that in the direction of rotation of a helical surface with respect to the Ro tationsachse slope-less mirror surface is arranged. The slope-less mirror surface ensures that the laser beam is not relocated to it while lingering. So it is depending on the arrangement of this inclined mirror surface the highest or lowest axial level of the helical surface possible Lich, the laser beam at the beginning or end of its deflection range for a fraction of the duration of a revolution to let it stop without a distraction. Letting the laser beam stay on any one The point of its deflection path can be reached by using the gradient Mirror surface corresponding to that of the laser beam coated spiral surface is arranged.

In Weiterbildung der Erfindung wird die Vorrichtung mit einer der Rotationsbewegung des Spiegels überlagerten Taumelbewegung angewendet. Die Taumelbewegung ermöglicht eine Vergrößerung der Ablenkstrecke. Dabei wird die durch die Wendelfläche bedingte translatorische Ablenkung des Laserstrahls mit einer durch die infolge der Taumelbewegung gegebenen Verschwenkung des Laserstrahls kombiniert, wodurch auch der Bahnverlauf des abgelenkten Laserstrahls beeinflußt werden kann. Beispielsweise kann der Laserstrahl kreisförmig geführt werden, um den Bearbeitungs- bzw. Erwärmungsbereich des Werkstücks zu vergrößern. In a development of the invention, the device with a wobble movement superimposed on the rotational movement of the mirror applied. The wobble allows for enlargement the deflection path. This is due to the spiral area conditional translational deflection of the laser beam with a by the pivoting given by the wobble of the laser beam combined, which also the path of the deflected laser beam can be influenced. For example the laser beam can be guided in a circle in order to or to increase the heating area of the workpiece.

Wenn dafür gesorgt werden soll, daß der Strahlfleck auf dem Werkstück bei zum Strahl vertikaler Werkstückfläche stets gleich groß bleibt, muß die Vorrichtung so ausgebildet werden, daß die Taumelbewegung eine durch das Zentrum der Strahlauf trefffläche verlaufende Taumelachse aufweist. If you want to make sure that the beam spot is on the workpiece with the workpiece surface vertical to the beam remains the same size, the device must be designed so that the wobble one through the center of the beam has a wobble axis running.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestell ten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:The invention is illustrated by means of in the drawing th exemplary embodiments explained. It shows:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Spiegels, der einen Laserstrahl reflektiert, Fig. 1 is a perspective view of a mirror according to the invention, which reflects a laser beam,

Fig. 2, 3 der Fig. 1 entsprechende Darstellungen unterschiedlich ausgebildeter Spiegel, Fig. 2, 3 of Fig. 1 are corresponding views of differently designed mirrors,

Fig. 4a eine Seitenansicht eines dem Spiegel der Fig. 1 ähnlichen Spiegels, FIG. 4a is a side view of the mirror of FIG. 1 similar mirror,

Fig. 4b eine Abwicklung des Spiegels der Fig. 4a, FIG. 4b is a developed view of the mirror of FIG. 4a,

Fig. 4c eine Aufsicht des Spiegels 4a in Richtung C, und Fig. 4c is a plan view of the mirror 4 a in the direction C, and

Fig. 4d eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Strahlablenkung im Bereich einer Stufe eines Spiegels. Fig. 4d is a schematic diagram for explaining the beam deflection in the range of one stage of a mirror.

Der in den Figuren dargestellte Spiegel 11 ist im wesent lichen eine Scheibe mit kreisförmigem Außendurchmesser 2r. Die Außenumfangsfläche 19 der Scheibe ist parallel zur Rotations achse 13 des Spiegels 11 und hat dieser Rotationsachse 13 par allele Mantellinien. Die eine, untere Scheibenfläche 20 des Spiegels 11 ist senkrecht zur Rotationsachse 13 angeordnet und plan ausgebildet. Die der unteren Scheibenfläche 20 gegenüber liegende obere Scheibenfläche, die eine der Strahlablenkung dienende Spiegelfläche ist, hat die Gestalt einer Schrauben- Wendelfläche 12, ist also eine Regelschraubenfläche, deren auf einem Radialstrahl liegenden Punkte alle dasselbe in Bezug auf die Rotationsachse 13 axiale Niveau haben.The mirror 11 shown in the figures is in wesent union a disc with a circular outer diameter 2 r. The outer peripheral surface 19 of the disc is parallel to the axis of rotation 13 of the mirror 11 and has this axis of rotation 13 par allelic surface lines. The one, lower disk surface 20 of the mirror 11 is arranged perpendicular to the axis of rotation 13 and is planar. The upper disc surface opposite the lower disc surface 20 , which is a mirror surface serving to deflect the beam, has the shape of a helical spiral surface 12 , that is to say is a regular helical surface, the points of which on a radial beam all have the same axial level with respect to the axis of rotation 13 .

Die Wendelfläche 12 ist gemäß Fig. 4a, 4b eine völlig ebene bzw. plane Fläche, die gemäß Fig. 4c kreisscheibenförmig oder gemäß Fig. 1 bis 3 an einem torusähnlichen Körper um die Rotationsachse 13 des Spiegels 11 herum angeordnet ist, und zwar unter einem Steigungswinkel α. Die Fig. 4a bis 4c lassen er kennen, daß sich die Wendelfläche 12 einmal vollständig um die Rotationsachse 13 des Spiegels 11 herum erstreckt. Sie soll gemäß Fig. 4c einen mittleren Radius r_m haben, so daß sich gemäß der in Fig. 4b dargestellten Abwicklung des Spiegels der Fig. 4a eine Gesamtlänge der Wendelfläche 12 von 2πr_m ergibt. Für diese mittlere Länge der Wendelfläche 12 ergibt sich gemäß Fig. 4b bei einem bestimmten Steigungswinkel α der Höhengewinn h der Wendelfläche 12.The helical surface 12 is shown in FIG. 4a, 1 4b a completely flat or planar surface, which according to FIG. 4c of a circular disc or of FIG. To 3 in a torus-like body around the rotational axis 13 of the mirror 11 is disposed around, under a Pitch angle α. He can FIGS. 4a to 4c know that the helical surface 12 extends once completely around the axis of rotation 13 of the mirror 11 around. According to FIG. 4c, it should have an average radius r _m , so that, according to the development of the mirror of FIG. 4a shown in FIG. 4b, the overall length of the helical surface 12 is 2πr _m . For this average length of the helical surface 12, Fig. 4b, the height gain results in accordance with a certain pitch angle α h of the helical surface 12.

Gemäß den Fig. 1 bis 3 und 4a ist an den Enden der Wendel fläche 12 je eine Stufe 14 angeordnet. Diese Stufe 14 bildet den körperlichen Übergang von dem axial am weitesten vorsprin genden Ende 12′ der Wendelfläche 12 zu dem anschließenden, am weitesten zurückspringenden Ende 12′′ der Wendelfläche 12. Diese Stufe 14 ist in den Darstellungen der Zeichnung jeweils so steil wie möglich, besitzt also eine Rücksprungfläche 14′, die in einer Ebene liegt, in der zugleich auch die Rotations achse 13 des Spiegels 11 angeordnet ist. Eine derartige Anord nung ist jedoch nicht zwingend. Es ist auch möglich, die Fläche 14′ derart geneigt anzuordnen, daß sie weniger senkrecht ist, nämlich im Extremfall gleich der Neigung des auf die Wendel fläche 12 auftreffenden Laserstrahls 10. Das ergibt sich aus Fig. 4d, aus der ersichtlich ist, daß der auftreffende Laser strahl 10 den Bereich der Wendelfläche zwischen der dargestell ten Rücksprungfläche 14′ und dem Auftreffpunkt A nicht bestreicht, so daß die Fläche 14′ auch wie gestrichelt dar gestellt oder ähnlich verlaufen könnte, falls dies erforderlich sein sollte.Referring to FIGS. 1 to 3 and 4a of the coil is arranged per surface 12 a step 14 at the ends. This stage 14 forms the physical transition from the axially most projecting end 12 'of the helical surface 12 to the subsequent, most recessed end 12 ''of the helical surface 12 . This stage 14 is in the representations of the drawing as steep as possible, so has a return surface 14 ', which lies in a plane in which the axis of rotation 13 of the mirror 11 is also arranged. However, such an arrangement is not mandatory. It is also possible to arrange the surface 14 is inclined 'such that it is less perpendicular, namely, in the extreme case equal to the inclination of the surface to the filament 12 incident laser beam 10 degrees. This results from Fig. 4d, from which it can be seen that the incident laser beam 10 does not cover the area of the helical surface between the illustrated return surface 14 'and the point of impact A, so that the surface 14 ' is also shown in dashed lines or similar could go wrong if necessary.

Anhand von Fig. 4d läßt sich die Ablenkung des Laserstrahls 10 erläutern. Es wird davon ausgegangen, daß der Laserstrahl 10 mit der Senkrechten 21 auf die Wendelfläche 12 einen Einfalls winkel β einschließt. Vom oberen, d. h. axial am weitesten vor springenden Ende 12′ des Spiegels 11 erfolgt daher eine Refle xion des Laserstrahls als reflektierter Strahl 10′. Vom unte ren, d. h. axial am weitesten rückspringenden Ende 12′ der Wen delfläche 12 erfolgt die Reflexion eines Strahls 10′′ unter dem Winkel 2β. Da der Strahl 10 steht und der Spiegel 11 sich in der Umlauf- bzw. Drehrichtung 15 dreht, wird der Laserstrahl 10 von Bereichen der Wendelfläche 12 reflektiert, die zunehmend axial vorspringend angeordnet sind, beispielsweise von der Stelle A′. Demgemäß ergibt sich eine Translation des reflektierten Strahls 10 ⁿ, was aus Fig. 4d ersichtlich ist, wenn die Auftreffstelle A′ parallel zu einer gedachten Grundlinie 22 auf den einfallenden Strahl 10 projiziert wird, weil die Auftreffstelle A′ wegen des rotierenden Spiegels 11 an dieser Stelle betrachtet werden muß. Die Translation des reflektierten Laserstrahls 10 ⁿ erfolgt also im Bereich zwischen den Grenzstrahlen 10′′ und 10′ von ersterem zu letzterem. Die Größe dieser Translation ist mit a bezeich net. Sie berechnet sich aus den in Fig. 4d angegebenen Größen gemäß der Beziehung:The deflection of the laser beam 10 can be explained with reference to FIG. 4d. It is assumed that the laser beam 10 includes an angle of incidence β with the vertical 21 on the helical surface 12 . From the upper, ie axially farthest before bouncing end 12 'of the mirror 11 there is therefore a reflection of the laser beam as a reflected beam 10 '. From the bottom Ren, ie axially the most recessed end 12 'of Wen delfläche 12 , the reflection of a beam 10 ''takes place at the angle 2 β. Since the beam 10 is stationary and the mirror 11 rotates in the direction of rotation or rotation 15 , the laser beam 10 is reflected from areas of the helical surface 12 which are increasingly axially projecting, for example from the point A '. Accordingly, there is a translation of the reflected beam 10 ⁿ , which can be seen from Fig. 4d, when the impact point A 'is projected parallel to an imaginary base line 22 onto the incident beam 10 because the impact point A' because of the rotating mirror 11 thereon Place must be considered. ^N translation of the reflected laser beam 10 is thus in the region between the limiting rays 10 '' and 10 'of the former to the latter. The size of this translation is denoted by a. It is calculated from the quantities given in FIG. 4d according to the relationship:

Als Beispiel ergibt sich für einen Spiegel mit h = 20 mm und α = 6,3° bei einem Winkel von β = 20° eine Translationsgröße a = 12,3 mm.An example for a mirror with h = 20 mm and α = 6.3 ° at an angle of β = 20 ° a translation quantity a = 12.3 mm.

In Fig. 1, 4a ist dargestellt, daß sich die Wendelfläche 12 einmal vollständig um die Rotationsachse 13 des Spiegels 11 herum erstreckt. Es ist aber auch möglich, mehrere Wendel flächen 12 vorzusehen, die um die Rotationsachse 13 des Spie gels 11 herum angeordnet sind, vgl. Fig. 2, 3. In diesen Fällen belegen die Wendelflächen 12 nur einen Teil einer mittleren Um fangslänge. So sind in Fig. 2 drei Wendelflächen 12 hintereinan der so angeordnet, daß jede Wendelfläche 12 der Fig. 2 nur ein Drittel der Länge der Wendelfläche 12 der Fig. 1 hat. Eine Be sonderheit des Spiegels 11 der Fig. 12 ist des weiteren, daß die drei Wendelflächen sägezahnartig angeordnet sind und sich di rekt aneinanderreihen, und zwar immer mit einer Rücksprung fläche 14′ zwischen zwei benachbarten Wendelflächen, die also in Umlaufrichtung stets dieselbe Steigung bei gleichem Steigungswinkel α haben. Es ist natürlich möglich, den Stei gungswinkel α der Wendelflächen 12 unterschiedlich zu gestalten, so daß sich unterschiedliche Translationen des reflektierten Strahls 10 ⁿ ergeben. Es ist auch möglich, die einzelnen Wendel flächen, beispielsweise zwei oder vier Wendelflächen 12, ohne Rücksprungfläche mit entgegengesetzten Steigungen aneinanderzu reihen, so daß sich der reflektierte Strahl 10 ⁿ im Sinne von Fig. 4d nicht immer nur vom Grenzstrahl 10′′ zum Grenzstrahl 10′ verlagert, sondern zwischen diesen Grenzstrahlen 10′, 10′′ hin- und hergeht. In Fig. 1, 4a is shown that the helical surface 12 extends once completely around the axis of rotation 13 of the mirror 11 around. However, it is also possible to provide a plurality of helical surfaces 12 which are arranged around the axis of rotation 13 of the mirror 11 , cf. Fig. 2, 3. In these cases, the helical surfaces 12 occupy only part of an average order length. Thus, in Fig. 2 three helical surfaces 12 are arranged one behind the other such that each helical surface 12 of Fig. 2 has only one third of the length of the helical surface 12 of Fig. 1. A special feature of the mirror 11 of FIG. 12 is further that the three helical surfaces are arranged sawtooth-like and line up di rectly, always with a recess surface 14 'between two adjacent helical surfaces, so that in the direction of rotation always the same slope at the same Have angle of inclination α. It is of course possible to design the pitch angle α of the helical surfaces 12 differently, so that different translations of the reflected beam 10 ⁿ result. It is also possible to line up the individual spiral surfaces, for example two or four spiral surfaces 12 , without a return surface with opposite slopes, so that the reflected beam 10 ⁿ in the sense of FIG. 4d is not always only from the boundary beam 10 '' to the boundary beam 10 'Relocated, but goes back and forth between these limit rays 10 ', 10 ''.

In Fig. 3 ist dargestellt, daß die Wendelflächen 12 nicht unmittelbar aneinandergereiht sind, wie in Fig. 2, sondern daß in Umlaufrichtung zwischen zwei Wendelflächen 12 jeweils eine steigungslose Spiegelfläche 16 vorhanden ist. Wird also der Spiegel 11 in Umlaufrichtung 15 bei stehendem Strahl 10 ge dreht, so gelangt die Strahlauftrefffläche 17 des Laserstrahls 10 aus dem Bereich einer Wendelfläche 12 in den Bereich der steigungslosen Spiegelfläche 16, in der also α = 0 ist. Für eine Haltezeit, die sich aus der in Umlaufrichtung 15 gesehen mittleren Länge l und der auf diese mittlere Länge bezogenen Rotationsgeschwindigkeit ω bestimmt, kann der Laserstrahl 10 kurzzeitig ortsfest auf dem Werkstück positioniert werden. Wer den anstelle der Spiegelfläche 16 anders geformte Spiegel flächen verwendet, so ergeben sich entsprechend andere Bewe gungsabläufe, auch andere Bewegungsbahnen des Laserstrahls, beispielsweise Bahnen mit kontinuierlichen oder diskontinuier lichen ebenen Figuren.In Fig. 3 it is shown that the helical surfaces 12 are not lined up directly as in Fig. 2, but that in the direction of rotation between two helical surfaces 12 there is in each case an incline-free mirror surface 16 . So if the mirror 11 rotates in the direction of rotation 15 when the beam 10 is stationary, the beam incident surface 17 of the laser beam 10 passes from the region of a helical surface 12 into the region of the inclined mirror surface 16 , in which α = 0. For a holding time, which is determined from the mean length l seen in the direction of rotation 15 and the rotational speed ω related to this mean length, the laser beam 10 can be positioned stationary on the workpiece for a short time. Who uses the mirror surfaces 16 instead of the mirror surface, so there are different movement sequences, also other trajectories of the laser beam, for example paths with continuous or discontinuous planar figures.

Eine noch größere Vielfalt im Bewegungsablauf des Strahls auf der Werkstückoberfläche und bezüglich der durch den Laser strahl beschriebenen Bahnen ergibt sich, wenn der Rotationsbe wegung des Spiegels 11 eine Taumelbewegung überlagert wird. Die Strahlen 10 ⁿ werden dann nicht nur translatorisch bewegt, son dern auch geschwenkt, und zwar nicht notwendigerweise nur in der Darstellungsebene der Fig. 4d, sondern auch mit senkrechten Komponenten dazu. Wenn dabei erreicht werden soll, daß der Strahlfleck des Laserstrahls auf dem Werkstück bei senkrecht zum Strahl angeordneter Werkstückfläche stets gleich groß blei ben soll, muß die Taumelachse 18 gemäß Fig. 4c durch das Zentrum der Strahlauftrefffläche 17 auf die Wendelfläche 12 verlaufen, damit die Strahllänge zwischen der Strahlauftrefffläche 17 und der Bearbeitungsstelle des Werkstücks ungeachtet der axialen Beeinflussung durch die Wendelfläche 12 gleich groß bleibt. Die Taumelbewegung kann beispielsweise so eingerichtet werden, daß sie nur der Kompensation des axialen Höhenversatzes durch die Wendelfläche 12 dient.An even greater variety in the motion sequence of the beam on the workpiece surface and with respect to the paths described by the laser beam results when the rotational movement of the mirror 11 is superimposed on a wobble movement. The beams 10 ⁿ are then not only moved translationally, but also pivoted, and not necessarily only in the representation plane of FIG. 4d, but also with perpendicular components to it. If it is to be achieved that the beam spot of the laser beam on the workpiece should always remain the same size with the workpiece surface arranged perpendicular to the beam, the wobble axis 18 according to FIG. 4c must extend through the center of the beam contact surface 17 onto the helical surface 12 so that the beam length between the beam impact surface 17 and the machining point of the workpiece remains the same regardless of the axial influence by the helical surface 12 . The wobble movement can be set up, for example, so that it only serves to compensate for the axial height offset by the helical surface 12 .

In Fig. 4c ist die Strahlauftrefffläche 17 kreisförmig mit einem Radius r_s. Der Radius r_s ist in Abstimmung auf den Radius r des Spiegels 11 so gewählt und die Strahlauftrefffläche 17 ist auf der Wendelfläche 12 so angeordnet, daß sie sowohl Ab stand von der Außenumfangsfläche 19 hat, als auch von der Rota tionsachse 13. Der Spiegel 11 hat infolgedessen einen Außendurchmesser 2r, der etwas mehr als doppelt strahlstark ist. Der Abstand der Strahlauftrefffläche 17 zum Außenumfang 19 und zur Rotationsachse 13 bildet jeweils einen Sicherheitsbe reich, damit Herstellungs- und Einstellungstoleranzen nicht zu Beeinträchtigungen der Strahlauftrefffläche 17 führen können, was beispielsweise dann der Fall sein könnte, wenn der Laser strahl 10 sich und damit die Strahlauftrefffläche 17 über den Spiegelrand hinaus verlagert. In den Fig. 1 bis 3 ist darge stellt, daß der Bereich des Spiegels 11 um die Rotationsachse 13 herum ausgespart ist, so daß eine Bohrung 23 vorhanden ist, die beispielsweise dazu benutzt werden kann, um den Spiegel 11 mit Hilfe eines Innengewindes dieser Bohrung 23 auf einer dreh angetriebenen Rotationswelle zu befestigen.In Fig. 4c the beam contact surface 17 is circular with a radius r _s . The radius r _s is selected in coordination with the radius r of the mirror 11 and the beam contact surface 17 is arranged on the helical surface 12 so that it was both from the outer peripheral surface 19 , and from the rotation axis 13th As a result, the mirror 11 has an outer diameter 2 r which is slightly more than twice as powerful. The distance of the beam impact surface 17 to the outer circumference 19 and to the axis of rotation 13 each forms a safety area so that manufacturing and setting tolerances cannot lead to impairments of the beam impact surface 17 , which could be the case, for example, if the laser beam 10 itself and thus the beam impact surface 17 moved beyond the edge of the mirror. In Figs. 1 to 3 is Darge provides that the area of the mirror is recessed around the rotation axis 13 around 11, so that a bore is provided 23 which may be used, for example, to the mirror 11 by means of an internal thread of this bore 23 to be mounted on a rotationally driven rotary shaft.

Erfindungsgemäße Spiegel bzw. Ablenkvorrichtungen müssen dynamisch ausgewuchtet sein, um mit großen Drehzahlen angetrie ben werden zu können. Sie ermöglichen dann hohe Drehzahlen, also hohe Ablenkfrequenzen, und verzerrungsfreie Ablenkungen des Laserstrahls. Derartige Vorrichtungen können insbesondere im Hochleistungsbereich verwendet werden, also beispielsweise bei großen Energiedichten, weil der Spiegel 13 aufgrund seiner scheibenförmigen Gestalt im Vergleich zu Polygonspiegeln gut kühlbar ist. Vor allem aber kann die erfindungsgemäße Vorrich tung bei großen Strahldurchmessern eingesetzt werden, bei denen die bekannten Polygonspiegel besonders voluminös und damit für hohe Ablenkfrequenzen ungeeignet wären.Mirrors or deflection devices according to the invention must be dynamically balanced in order to be driven at high speeds. They then enable high speeds, i.e. high deflection frequencies, and distortion-free deflections of the laser beam. Devices of this type can be used in particular in the high-performance range, that is to say, for example, in the case of high energy densities, because the mirror 13, due to its disk-like shape, can be cooled well in comparison to polygon mirrors. Above all, however, the device according to the invention can be used for large beam diameters in which the known polygon mirrors are particularly voluminous and would therefore be unsuitable for high deflection frequencies.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind beispielsweise beim Schweißen anwendbar, um Beschichtungen in der Nähe des eigentlichen Schweißbereichs durch Verdampfung zu entfernen, oder um die Umgebung des eigentlichen Schweißbereichs zu erwär men, was insbesondere bei rißempfindlichen Werkstoffen von Be deutung ist, oder um die Schmelzbadbewegung insbesondere bei hoher Prozeßgeschwindigkeit günstig zu beeinflussen, z. B. im Sinne einer Vermeidung von Eruptionen, oder auch, um die beim Schweißen entstehende Dampfkapillare zu vergrößern, damit das Ausgasen der Schmelze begünstigt und dampfbedingte Eruptionen der Schmelze ausgeschlossen werden. Beim Veredeln kann die er findungsgemäße Vorrichtung eingesetzt werden, um eine Verbrei terung der Veredelungsspuren zu erreichen, oder um eine homoge nere Erwärmung des zu veredelnden Werkstückbereichs zu erzie len.The devices according to the invention are, for example applicable when welding to coatings near the remove the actual welding area by evaporation, or to heat the area around the actual welding area men, which is particularly true for crack-sensitive materials from Be interpretation, or in particular the melt pool movement to influence high process speed favorably, e.g. B. in Meaning of avoiding eruptions, or also to avoid the Welding resulting steam capillary to enlarge Gassing of the melt favors and steam-related eruptions the melt can be excluded. He can do the finishing The device according to the invention can be used to make a spread to achieve the finishing traces, or to achieve a homogeneous to bring about more heating of the workpiece area to be refined len.

Claims

1. A device for processing workpieces with a laser beam, with a rotatingly driven mirror, which is designed as a disc, one end of the disc is a beam-deflecting surface with which the laser beam can be deflected repeatedly, characterized in that the mirror ( 11 ) is a one-piece Is a metal mirror, the beam deflecting surface of which is a screw helix surface ( 12 ) with a screw axis of rotation lying in the axis of rotation ( 13 ) of the mirror ( 11 ), and that a circular disk-like mirror ( 11 ) is a slightly larger than double-beam and a toroidal mirror ( 11 ) has an outer diameter ( 2 _r ) that is matched to the beam diameter, taking into account its torus recess.

2. Device according to claim 1, characterized in that an axially recessed step ( 14 ) adjoins the axially most projecting end ( 12 ') of the helical surface ( 12 ).

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the axially recessed step ( 14 ) has a recess surface ( 14 '), the plane of which is at most somewhat inclined to the axis of rotation ( 13 ) of the mirror ( 11 ).

4. The device according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the helical surface ( 12 ) once extends completely around the axis of rotation ( 13 ) of the mirror ( 11 ).

5. The device according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that a plurality of helical surfaces ( 12 ) around the axis of rotation ( 13 ) of the mirror ( 11 ) are arranged.

6. The device according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that a plurality of helical surfaces ( 12 ) are lined up directly.

7. The device according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that a plurality of helical surfaces ( 12 ) are strung together like a sawtooth.

8. The device according to one or more of claims 1 to 7, characterized in that in order to the direction of rotation ( 15 ) of a helical surface ( 12 ) with respect to the axis of rotation ( 13 ) gradient-free mirror surface ( 16 ) is arranged.

9. The device according to one or more of claims 1 to 8, applied with a wobbling movement superimposed on the rotational movement of the mirror ( 11 ).

10. The device according to claim 9, characterized in that the wobble movement has a wobble axis ( 18 ) extending through the center of the beam contact surface ( 17 ).