DE4108419C2 - Einrichtung zur Beeinflussung der Divergenz eines Laserstrahles - Google Patents

Description

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

Eine solche Einrichtung ist aus der JP 60-102 290 A (gemäß "Pat abstr. of Japan, 1985, Vol. 1991, No. 252, Sec. M-420) bekannt. Dort wird eine verwölbbare konvexe Spiegelfläche rückwärtig von elektrisch aufheizbarem Kühlwasser und bestrahlungsseitig durch den Laserstrahl aus einer Strahlqquelle beaufschlagt, der seinerseits zu weiterer Erwärmung des Kühlwassers hinter der Spiegelfläche führt. Mit Erwärmung des Kühlwassers erhöht sich der statische Druck auf die Spiegelfläche, was letztlich zu einer gezielten Verformung der Spiegeloberfläche nutzbar ist. Der Laserstrahl ist dort über einen sphärischen und danach einen zylindrischen Hohlspiegel auf ein Werkstück gelenkt, auf dem der Strahlquerschnitt dadurch strichförmig abgebildet wird. Zur Beeinflussung der Strichlänge wird z. B. die elektrische Kühlwasser-Heizung abgeschaltet, um durch Reduzieren des rückwärtigen Überdruckes den Krümmungsradius der Spiegelfläche und damit die Strahldivergenz hinter diesem adaptiven Spiegel zu verringern.

In der Praxis der Laserstrahl-Werkstückbearbeitung finden allerdings häufig Strahlquellen Einsatz, die nicht wie bei jenem Stande der Technik einen "parallelen", sondern einen zunächst konvergierenden und nach einer Strahltaille im weiteren Verlauf deshalb dann divergierenden Strahl liefern. Der Abstand der Taille vom Auskoppelfenster der Strahlquelle und damit die Konvergenz des austretenden Strahles können zeitabhängig schwanken, weil das Betriebsverhalten einer Laserquelle selbst bei stabilem Resonator nur eingeschränkt stationät ist. Auch andere thermische und mechanische Einflüsse führen dazu, daß im Verlaufe der Bearbeitungszeitspanne die unrsprünglich optimierte vorgegebenen strahlengeometrischen Verhältnisse nicht konstant beibehalten bleiben. Vor allem aber führt eine Veränderung der wirksamen Strahlweglänge (zwischen der Strahlquelle und dem Bearbeitungskopf) aufgrund der Strahldivergenz zu einer Veränderung der strahlengeometrischen Verhältnisse von der Abbildungsoptik und deshalb zu einer für das Bearbeitungsergebnis in der Regel abträglichen Beeinflussung der Parameter des am Werkstück wirksamen Fokusfleckes. Das kann nachteilige Folgen für die Bearbeitungsqualität am Werkstück haben - insbesondere bei Schneid- und Schweißvorgängen, aber auch bei den anderen Laserverfahren, wie z. B. das Härten und Umschmelzen von Oberflächen. Eine solche Veränderung des Strahlenweges tritt insbesondere auf, wenn der die Fokussierroptik enthaltende Bearbeitungskopf mittels einer teleskopierenden Portalkonstruktion bewegt wird. Eine Kompensation dieser störenden Einflüsse auf die Fokusparameter wäre zwar grundsätzlich durch konstruktiven Eingriff in den Strahlenweg möglich, was aber recht aufwendig und regelungstechnisch (wegen der Überlagerung vielfältiger Totzeit- Einflüsse) sehr problematisch wäre. Möglicherweise zur Beeinflussung der Fokusparameter sind aber auch dann von Interesse, wenn der Strahlenweg von der Quelle zur Abbildungsoptik im Bearbeitungskopf bewegt wird, wie es etwa in der DE 39 07 758 A1 für ein besonderes Realisierungsbeispiel näher beschrieben ist.

Dagegen handelt es sich nicht um eine Beeinflussung der Fokusparameter in vorstehend aufgezeigtem Sinne, sondern um eine Beeinflussung der Energieverteilung auf dem vom Laserstrahl erfaßten Werkstück, wenn gemäß der DE 39 16 264 A1 die Wellenfront des Strahles über gegeneinander versetzte Spiegelteilflächen verändert wird, wofür segmentierte oder monolithische Spiegelflächen mit einer Vielzahl dahinter angeordneter Aktuatoren einsetzbar sind (vgl. Abbildung 3 im Beitrag von F. Merkle "Aktive und adaptive Optik in der Astronomie" in: "Phys. Bl.", 1988, Bd 44, H. 12, S. 439-446). Für eine Regelung der wirksamen Wellenfront sind die den einzelnen Aktuatoren zugeordneten Strahl-Teilquerschnitte beispielsweise frequenzmoduliert, wofür ein weiterer einstellbarer Spiegel mit entsprechend vielen Aktuatoren im Strahlenweg angeordnet sein kann, beispielsweise als weiterer Umlenkspiegel einer Portalkonstruktion zur Halterung eines Bearbeitungskopfes, wie er etwa dargestellt ist in Opto-Elektronik Magazin, Band 6 Nr. 2 (1990), Seiten 150ff, "Neues externes Strahlführungssystem für das Schneiden und Schweißen mit CO₂-Lasern", insbesondere Bild 7 und Bild 8 auf Seite 153.

Ein von einer Hochenergie-Laserstrahlquelle mit instabilem Resonator abgegebener Strahl mit ringförmigem Querschnitt wird zweckmäßigerweise vor Einspeisen in ein mit dem Bearbeitungskopf ausgestattetes bewegliches Spiegelsystem, über eine Art Doppel- Vaxicon gemäß DE 36 13 088 C2 in einen energetisch konzentrierteren Arbeitsstrahl mit annähernder Gaußverteilung seines Intensitätsquerschnittsprofiles überführt.

Bei vorliegender Erfindung dagegen geht es um das technische Problem, das aufgrund einer im Nahfeld der Laserstrahlquelle vorhandenen Strahl-Taillierung die Ausleuchtung der Abbildungsoptik und damit die Fokusparameter auf dem Werkstück mit der Strahlweglänge zur Abbildungsoptik stark schwanken. Deshalb soll die Einrichtung gattungegemäßer Art derart ausgelegt werden, daß sich mit - hinsichtlich des apparativen Aufbaues und seiner stabilen Arbeitsweise - relativ einfachen Mitteln eine schnelle und reproduzierbare Beeinflussung vor allen des Durchmessers des Fokusfleckes für die Werkstückbearbeitung realisieren läßt.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die gattungsgemäße Einrichtung auch nach dem Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 ausgelegt ist.

Nach dieser Lösung führt bei möglichst quellennah angeordnetem Umlenk­ spiegel eine kleine Spiegelfläche schon bei minimalem Hub des Aktua­ tors für deren Ausbeulung zu einer großen Strahlaufweitung auf der Abbildungsoptik am ausgangsseitigen Ende des Spiegelsystems, um so den Fokusfleck-Durchmesser konstant halten bzw. Bearbeitungs­ parameter flexibel an die Bearbeitungsaufgabe anpassen zu können. Eine Beeinträchtigung der Bewegungscharakteristik des Spiegelsystems durch das Gewicht des adaptiven Umlenkspiegels und durch seine An­ schlüsse für die elektrische Ansteuerung und für Zufuhr und Abfuhr eines Kühlmediums tritt nicht auf. So eröffnet der technologisch problemlos erstellbare und betreibbare einkanalige adaptive Spiegel über seine Brennweitenänderung und damit Veränderung der Kenngrößen des fokussierten Laserstrahles auch eine Parameteranpassung an die aktuelle Bearbeitungsaufgabe. Dieser zusätzliche Parameter für eine Prozeßführung kann bei der Bearbeitung unterschiedlicher Materialien (wie Werkstoffverbunde und Verbundwerkstoffe), wechselnder Werkstück­ dicken und komplizierter Werkstückgeometrien vorteilhaft ausgenutzt werden.

Steuerungstechnisch eindeutige Verhältnisse bei einfachem Aufbau und großer Dynamik ergeben sich, wenn diese adaptive Spiegelfläche durch rückwärtigen Angriff eines elektromechanischen Aktuators, vorzugsweise eines Piezostellgliedes, verformt wird, wie etwa in der DE 35 02 024 A1 (dort auch hinsichtlich mechanischer Justagemög­ lichkeiten) näher beschrieben; wobei in vorliegendem Falle entgegen der dortigen Darstellung ein einkanaliger Aufbau genügt, also die Anordnung eines einzigen Aktuators im Zentrum hinter einer frontseitig die Spiegelfläche aufweisenden Metallplatte.

Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen. In nachstehender Beschreibung ist anhand einer Zeichnung, die unter Beschränkung auf das Wesentliche stark abstrahiert und nicht maßstabs­ gerecht ist ein bevorzugtes Realisierungsbeispiel der erfin­ dungsgemäßen Lösung angegeben. Es zeigt:

Fig. 1 die strahlengeometrischen Gegebenheiten hinter der Laser­ quelle in symbolischer Vereinfachung,

Fig. 2 den typischen Strahlengang vor einem über eine Gelenkoptik gespeisten Bearbeitungskopf für eine Hochenergielaser-Werk­ stückbearbeitungseinrichtung in einer Prinzipdarstellung und

Fig. 3 den gemäß Fig. 1 oder Fig. 2 im Strahlengang gelegenen einkanaligen adaptiven Spiegel zur Brennpunktsteuerung im Axial-Längsschnitt.

Die in der Zeichnung angedeutete CO₂-Laserstrahl-Quelle 15 erzeugt einen Strahl 12, dessen Kenngrößen (Identitätsverteilung über den Strahlquerschnitt, Strahldurchmesser, Wellenfront) sich mit der Entfernung L12 vom Resonator-Auskoppelfenster der Quelle 15 verän­ dern. Insbesondere weist der Laserstrahl 12 in der Praxis im Nahfeld vor dem Resonator eine Taille mit minimalem Durchmesser auf, von wo aus er divergierend ins Fernfeld weiterläuft. Diese Strahlgeome­ trie ist für Strahlquellen 15 mit stabilem Resonator eine Funktion der Einschaltzeit, da das Resonator-Auskoppelfenster zunächst beim Zünden des Lasers noch Raumtemperatur aufweist und sich erst auf die Betriebstemperatur erwärmt, indem darin Laserleistung absorbiert wird. Durch diese thermische Belastung kommt es zu einer Deformation des Fensters, die von Einfluß auf die Fokussierung des Strahles 12 ist. Erst nach einer gewissen Betriebszeit in der Größenordnung einiger Sekunden stellt sich dann das thermische Gleichgewicht zwi­ schen der durch Absorption bedingten Erwärmung des Auskoppelfensters und der über die Kühlung bewirkten Wärmeabfuhr ein. Bei einer Fokussierung des Laserstrahls über eine Abbildungsoptik 19 (in Fig. 1 als Sammel­ linse skizziert, in der Praxis wegen besserer Kühlmöglichkeiten jedoch gemäß Fig. 2 häufiger auch als Hohlspiegel realisiert) hängt das Abbildungsergebnis auch von den vorstehend erwähnten Strahl­ kenngrößen ab. Infolge der Divergenz des Laserstrahls 12 im Fern­ feld ändert sich dort der Strahlradius r0 mit dem Abstand L12 von der Quelle 15. Der Radius rF im Fokusfleck 21 ist dem Strahlradius r0 in der Fokussieroptik 19 umgekehrt proportional und für die Bear­ beitungsaufgabe im Interesse der örtlich eng begrenzten maximalen Energiekonzentration möglichst klein und vor allem definiert sowie in der Regel konstant anzustreben. Denn bei einer Einrichtung 11 für die Lasermaterialbearbeitung an Werkstücken ist es aus Gründen der Handhabungstechnik und der präzisen Reproduzierbarkeit bestimmter Bearbeitungsvorgänge üblich, einerseits die Strahlquelle 15 und andererseits das Werkstück 20 ortsfest zu belassen, während der Laserstrahl 12 über bewegte Spiegelsysteme 13 mit Gelenk- und Te­ leskopachsen ihrer Optiken relativ zum Werkstück 20 verfahren wird. Teleskopachsen ermöglichen dabei eine gezielte Beeinflussung der wirksamen Strahlweglänge L12 von der Quelle 15 zur Abbildungsoptik 19 des Bearbeitungskopfes 17 und damit im divergierenden Strahl 12 zu variierenden Fokussierbedingungen, da wie aufgezeigt dann der wirksame Radius r0 auf der Fokussieroptik 19 ändert. Jedoch läßt sich dieser Radius r0 gezielt beeinflussen, wenn im Strahlengang ein Spiegel 14′ mit variabler Krümmung seiner sphärischen Spiegel­ fläche 22 angeordnet wird, etwa durch Ansteuerung eines Aktuators 23 im Zentrum hinter der dünnwandigen Spiegelfläche 22. Die so gezielt beeinflußbaren Abbildungseigenschaften können auch dafür ausgenutzt werden, den infolge der thermischen Belastung des Auskoppelfensters der Quelle 15 auftretenden Divergenzänderung des Laserstrahls 12 korrigierend entgegenzuwirken. Dadurch ist gewährleistet, daß die maßgeblichen Parameter des fokussierten Laserstrahls 12 auf und somit auch hinter der Abbildungsoptik 19 unabhängig werden von der Betriebszeit der Quelle und insbesondere konstant gehalten werden können.

Die Werkstück-Bearbeitungseinrichtung 11 nach Fig. 2 weist für die Führung des Hochenergielaser-Strahles 12 eine Strahlführung mit bewegbaren Spiegelsystemen 13 auf, deren Teleskopachsen die Konstanz der Parameter des fokussierten Laserstrahles 12 beeinflussen können. Zur Vereinfachung der Darstellung sind nur einige Umlenkspiegel 14 in der Zeichnung berücksichtigt. Die Gelenkoptik 13 wird aus der Hochenergielaserstrahl-Quelle 15 über eine, bezüglich jener stationäre, Portalkonstruktion 16 gespeist. Gegenüberliegend endet die Strahlführung in einem um mehrere orthogonale Achsen verschwenk­ baren Bearbeitungskopf 17, wie er etwa in der RKW-Dokumentation Nr. 1031 (1988) "Lasertechnologie in mittelständischen Unternehmen" auf Seite 33 detaillierter dargestellt ist. Vor dessen Strahlenausgang 18 ist im Bearbeitungskopf 17 anstelle der planaren Umlenkspiegel 14 ein parabolischer Fokussierspiegel 19 angeordnet, der den einfal­ lenden Laserstrahl 12 außerhalb des Bearbeitungskopfes 17 am oder im zu bearbeitenden Werkstück 20 fokussiert. Der Strahlquerschnitt und damit die Strahlenergie im Fokusfleck 21 hängen gemäß den be­ kannten strahlengeometrischen Gesetzmäßigkeiten von der Querschnitts­ fläche des auf die Fokussieroptik (Hohlspiegel) 19 fallenden Strahles 12 ab. Insbesondere liefert ein großer Strahlquerschnitt einen kleinen Fokusfleck 21, weil dessen Radius rF dem Kehrwert des Strahlradius r0 in der Fokussieroptik 19 proportional ist. Eine Veränderung der Weglänge L12 längs der Strahlführung des nicht parallelen Strahles 12 beeinflußt also den Fokusdurchmesser rF und damit die Energiekon­ zentration auf dem Werkstück 20.

Um die Strahlengeometrie vor der Fokussieroptik 19 im Sinne der gewünschten Wirkung am Werkstück 20 variieren bzw. optimieren, oder aber die Ausleuchtung der Abbildungsoptik 19 konstant halten zu können, kann einer der Umlenkspiegel als sogenannter adaptiver Spiegel 14′ ausgebildet sein. Dessen mehr oder weniger stark konvex auskrümm­ bare Spiegelfläche 22 (in der Zeichnung übertrieben dargestellt) führt zu einem gegenüber dem Einfallsstrahl leicht aufgeweiteten reflektierten Strahl 12 und damit zu der wünschenswerten Anpassung des in der Fokussieroptik 19 wirksamen Strahlenradius r0.

Diese Variation des Krümmungsradius der Spiegelfläche 22 kann durch einen einzigen, zentral orthogonal zum verwölbbaren Membranspiegel angeordneten Aktuator 23 aus beispielsweise piezoelektrischen Elemen­ ten bewirkt werden. Dessen Hub wird über eine Steuerschaltung 24, wie sie etwa in der GB 21 62 713 A (dort für eine Mehrzahl indivi­ duell ansteuerbarer Aktuatoren) näher beschrieben ist, mittels eines Stellgliedes 25 beeinflußt, beispielsweise über einen geschlossenen Regelkreis oder mittels eines offenen Steuerkreises zur Anpassung der Geometrie des Brennfleckes 21 an eine technologische Vorgabe und insbesondere für konstante Fokusparameter an der gerade wirksamen Strahlweglänge L12 bis zur Fokussieroptik 19. Dafür kann eine Anpaß­ steuerung die aktuellen Verstellbewegungen von in der Strahlführung gelegenen Teleskopteilen direkt zum Konstanthalten der Fokusparame­ ter verarbeiten. Bei Anpassung der Strahlparameter an die konkrete Bearbeitungsaufgabe bzw. zur Korrektur einer quellenbedingten Strahl­ divergenz kann aber auch die Ansteuerung des einkanaligen Korrektur­ spiegels 14′ als zusätzlich zu programmierende "Achse" im Zuge einer NC-Maschinensteuerung berücksichtigt werden. Andererseits kann es auch zweckmäßig sein, innerhalb der Steuerschaltung 24, vorzugsweise im Zusammenwirken mit einem Positionssensor 26 (Fig. 3) zum Messen der tatsächlichen momentanen Auslenkung des Zentrums der Spiegelfläche 22 aus einer vorgegebenen Referenzlage, einen unterlagerten Positions­ regelkreis vorzusehen, und z. B. Driftfehler aufgrund betriebsbeding­ ter Veränderungen in der Wechselwirkung zwischen Spiegelfläche 22 und Aktuator 23 zu erfassen und im Zuge der Ansteuerung über das Stellglied 25 gleich mit auszugleichen. Bezüglich schaltungstechni­ scher Einzelheiten einer solchen Positionserfassung bzw. einer elek­ trischen Spiegelflächen-Kalibrierung wird auf die GB 21 78 619 A bzw. auf die DE 37 40 515 A1 vollinhaltlich Bezug genommen.

Der adaptive Umlenkspiegel 14′ kann mit einer zusammengesetzten Spiegelfläche 22 gemäß DE 38 09 921 A1 oder gemäß GB 21 70 323 A als massive dünne Platte bzw. als reflektierend beschichteter Ver­ bundwerkstoffkörper ausgebildet sein.

Zweckmäßigerweise ist der adaptive Umlenkspiegel 14′ im Strahlengang der Gelenkoptik 13 möglichst weit vor dem Bearbeitungskopf 17 und damit möglichst dicht hinter dem Auskoppelfenster des Laser-Resona­ tors (Quelle 15) und z. B. anstelle des ersten der Umlenkspiegel 14 in oder vor dem Spiegelsystem 13 angeordnet. Das kinetische Verhal­ ten des Bearbeitungskopfes 17 ist dann nicht durch die Zusatzmasse des adaptiven Spiegels 14′ beeinträchtigt. Wenn der adaptive Umlenk­ spiegel 14′ möglichst weit vom Bearbeitungskopf 17 entfernt im Strah­ lengang angeordnet ist, führen die strahlengeometrischen Verhältnisse durch den langen Strahlenweg L12 bei gleichem Aussteuerhub des Aktua­ tors 23, also bei gleicher Krümmung der Spiegelfläche 22, zu, wie wünschenswert, einem desto größeren Querschnitt r0 des reflektierten Strahles 12 in der Fokussieroptik 19. Optimal ist die stationäre Anordnung des adaptiven Umlenkspiegels 14′ auch deshalb, weil sich dann keine bewegungsabhängigen Probleme in der Verkabelung zum Aktua­ tor 23 ergeben und besonders einfache Verhältnisse für die Speisung mit Kühlmittel 27 im Falle eines im Innern oder dahinter zu kühlenden adaptiven Spiegels 14′ einstellen. Andererseits ist entgegen der Prinzipdarstellung der Fig. 2 in der Praxis ein Strahleinfallswinkel gegen das Lot auf den Mittelpunkt des Spiegels 14′ anzustreben, der entsprechend Fig. 1 möglichst klein und jedenfalls kleiner als 45° ist; was zwar in der Regel einen zusätzlichen Umlenkspiegel 14′′ für einen parallel versetzt weiterführenden Strahl 12 bedingt, aber den Vorteil erbringt, unerwünschte Effekte in der Fokusabbildung, wie insbesondere Astigmatismus und Richtungsänderungen hinter dem variablen Konvexspiegel 14′ zu minimieren. Ein besonders kleiner Strahleinfallswinkel läßt sich bei kleinem Spiegeldurchmesser rea­ lisieren, und dieser ist bei einem langen Strahlenweg L12 zwischen dem Korrekturspiegel 14′ und der Abbildungsoptik 19 realisierbar, weil dann (wie oben dargelegt) schon kleine Aktuatorhübe zu großen Strahlquerschnittseinflüssen in der Ebene der Fokussieroptik 19 führen.

Claims (5)

1. Einrichtung (11) zum Beeinflussen eines Laserstrahles (12) für die Werkstübearbeitung mittels eines in einem Spiegelsystem spitzwinklig bestrahlten Spiegels (14′) mit zur Änderung der Strahlgeometrie verwölbbarer Spiegelfläche (22),
dadurch gekennzeichnet, daß ein adaptiver Spiegel (14′) mit kugelkappenähnlich auswölbbarer Spiegelfläche (22) in einem divergierend ins Fernfeld laufenden Strahl (12) nach dessen Taille und möglichst dicht hinter der Laserstrahlquelle (15), dabei zugleich möglichst weit von einer fokussierenden Abbildungsoptik (19) des über variable Strahlweglänge (L12) im Fernfeld gelegenen Bearbeitungskopfes (17) entfernt, angeordnet ist und, zur schnellen Beeinflussung der Strahl-Fokusparameter auf dem Werkstück (20) mittels variabler Ausleuchtung der Abbildungsoptik (19) nach Maßgabe der bei ihr wirksamen Strahldivergenz, einen im Zentrum hinter seiner Spiegelfläche (22) angeordneten und über eine Steuerschaltung (24) betreibbaren elektromechanischen Aktuator (23) aufweist, der die aktuelle Strahlweglänge (L12) von der Laserstrahlquelle (15) zur Abbildungsoptik (19) beeinflussende Verstellbewegungen des Spiegelsystems mit verarbeitet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der adaptive Spiegel (14′) ein ebenfalls bezüglich des Einfallslotes spitzwinklig bestrahlter weiterer Umlenkspiegel (14′′) nachgeordnet ist, der den Laserstrahl (12) parallel zur ursprünglichen Strahlrichtung reflektiert.

3. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der adaptive Spiegel (14′) mit einem Sensor (26) als Istwertgeber eines Positionsregelkreises ausgestattet ist.

4. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (23) über eine Steuerschaltung (24) betreibbar ist, die Informationen über die aktuelle Geometrie des Fokusfleckes (21) verarbeitet.

5. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (23) über eine Steuerschaltung (24) betreibbar ist, die eine zusätzliche Achsinformation einer NC-Werkzeugmaschinensteuerung verarbeitet.