DE4217705A1 - Verfahren und Einrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines Hochenergie-Laserstrahles sowie Verwendungen dieser Einrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 4 sowie deren Verwendungen für neuartige Laserstrahl-Bearbeitungsvorgänge.

Die gattungsgemäßen Maßnahmen sind Gegenstand der eigenen älteren Anmel­ dung P 41 08 419.5 vom 15. März 1991. Dort ist in möglichst großem Abstand von einer fliegenden Bearbeitungsoptik, dem sogenannten Fokussierkopf, und damit möglichst dicht hinter der Strahlquelle ein sphärischer Spiegel mit einstellbarer Krümmung seiner kugelkappenähnlichen mittle­ ren Spiegelfläche vorgesehen, um durch gesteuerte Veränderung der Strahldivergenz trotz betriebszeitabhängiger Verlagerung der Strahl­ taille vor der Strahlquelle und trotz unterschiedlich langer Strahl­ wege bis zur Fokussieroptik eine möglichst konstant große Ausleuchtung der Fokussieroptik und dadurch eine konstante optimale Fokusfleck­ geometrie auch dann zu erzielen, wenn sich beispielsweise längs langer Schneidstrecken die Strahlweglänge stark ändert.

Vorliegender Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, weitere Optimierungs- und Anpassungsmöglichkeiten der Laserstrahl-Bearbeiung im Hinblick auf die Materialien und die Stärken der zu bearbeitenden Werkstücke zu eröffnen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß die gattungsbildenden Maßnahmen nach dem jeweiligen Kennzei­ chnungsteil des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 4 weitergebildet sind und diese Einrichtung insbesondere nach Anspruch 10 oder 11 verwendet wird.

Mit dieser Anordnung eines deformierbaren sphärischen Spiegels mög­ lichst dicht vor der Fokussieroptik (möglichst sogar integriert in den Bearbeitungskopf unter Ersatz eines sonst dort vorgesehenen Umlenkspiegels) kann wegen minimaler Strahlweglänge zur Fokussieroptik trotz großer Divergenzänderung deren Ausleuchtung und damit die Strahlkaustik praktisch konstant gehalten und zugleich die wirksame Lage des Fokus vor der Fokussierkopf-Düse in weiten Grenzen einge­ stellt werden. Eine solche variable Fokusverschiebung stellt eine vorteilhafte Ergänzung für Arbeitskopf-Düsen dar, die der prozeß­ unterstützenden Arbeitsgaszufuhr an der Wechselwirkungsstelle dienen und einen möglichst großen Arbeitsabstand zum Düsenausgang bei gleich­ zeitig großem Arbeitsbereich und großem Durchmesser des Düsenausgangs für den Laserstrahl aufweisen, wie im Falle von z. B. Zweistrahl- Lavaldüsen. Wegen der einstellbaren Fokuslage können sich Abstands­ regelungen zwischen Arbeitskopf und Werkstück künftig erübrigen. Aus gleichem Grund kann ein Wechsel von Düsen oder von Fokussier­ optiken in Abhängigkeit von verschiedenen Bearbeitungsaufgaben weit­ gehend entfallen, da eine Anpassung an die aktuelle Bearbeitungs­ aufgabe schon durch die Fokuslage möglich wird. So kann nun mit demselben Bearbeitungskopf wahlweise getrennt oder geschweißt werden, da die Fokuslage je nach geforderter Einwirkungsart und Tiefe ver­ stellbar ist.

Besonders vorteilhaft ist die nach der Erfindung sich ergebende Möglichkeit einer periodischen Verschiebung der wirksamen Fokuslage durch variable Strahldivergenz unmittelbar vor der Fokussieroptik. Die daraus resultierende kontinuierliche Auf- und Abbewegung des wirksamen Brennfleckes, die dank des Piezoelektrischen-Aktuators im Zentrum hinter der verwölbbaren Spiegelfläche mit vergleichsweise hoher Frequenz realisierbar ist, erlaubt eine Materialbearbeitung auf der Stelle mit großer Tiefenschärfe und damit Schneid- oder Schweißvorgänge auch über sehr große Materialstärken. Durch Über­ lagerung von Fokuslagenshift und Vorschubbewegung lassen sich zeit­ lich veränderliche Mechanismen in der Strahl-Werkstoff-Wechselwirkung erzielen. Dies läßt sich u. a. zum Laserstrahlschneiden dicker Bleche ausnutzen. Eine periodische Verlagerung des Fokus bewirkt eine Art Sägewirkung. Die Anwendung der vertikalen Fokuspunktverlagerung beim Laserstrahlschweißen kann je nach zeitlichem Verlauf der Oszillations­ frequenz zu einer gezielten Beeinflussung der Schweißnahtgeometrie (z. B. Steppnähte) oder ihrer anderen Parameter (Einschweißtiefe, Schweißnahtbreite) ausgenützt werden.

Beim Bearbeiten konturierter bzw. profilierter Werkstückoberflächen ist ein Einhalten des für den Prozeß optimalen Abstand Düse-Blech und damit der Fokuslage bzgl. dem Werkstück aufgrund von Kollisions­ gefahr bzw. begrenzter Dynamik mechanischer Nachführachsen häufig nicht möglich. Durch Nachführen des Fokus mittels eines deformierbaren Spiegels läßt sich hierdurch dennoch ein gleichbleibendes Bearbeitungs­ ergebnis erzielen.

Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und, auch unter Berücksichtigung der Darlegungen in der Zusammenfas­ sung, aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche stark abstrahiert aber angenähert maßstabsgerecht skizzierten bevorzugten Realisierungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Lösung. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Axial-Längsschnitt durch einen kompakten Laser-Fokussier­ kopf mit adaptierter prozeßoptimierender Optik und

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung die Wirkung der Brennfleck-Ver­ schiebung vor dem Düsenaustritt des Fokussierkopfes nach Fig. 1.

Der in der Zeichnung skizzierte Fokussierkopf 11 wird mit einem Laserstrahl 12 beschickt, der vor seinem Austritt durch die Düse 13 eine, vorzugsweise reflektive, Fokussieroptik 14 mit vergleichs­ weise großer Brennweite f2 passiert. Der Fokus F liegt je nach dem zu vollziehenden Bearbeitungsvorgang an der oder dicht unter der, der Düse 13 zugewandten, Oberfläche 15 eines metallenen Werkstückes 16.

Im Strahlengang kurz vor der Fokussieroptik 14 und somit wie darge­ stellt möglichst noch innerhalb des Fokussierkopfes 11 ist eine variable Optik 17 mit sphärisch deformierbarer Spiegeloberfläche 18 in Form z. B. einer reflektierenden Metallplatte angeordnet, hinter deren Zentrum ein elektrisch ansteuerbarer Aktuator 19 ein­ gespannt ist, der vorzugsweise als vorgespannter Stapel aus piezo­ elektrischen Elementen erstellt ist. Die mittlere Brennweite f1 der kugelkappenförmig auswölbbaren Spiegeloberfläche 18 ist sehr groß im Vergleich zur festen Brennweite f2 der Fokussieroptik 14. Damit läßt sich die wirksame Lage des Fokus F . . . F′ in der Praxis um mehrere Millimeter in Abstrahlrichtung 20 verschieben. Der Fokushub dF ist also abhängig von der momentanen Brennweite f1 und damit vom Aktuatorhub h, der seinerseits eine Funktion der Steuerspannung u aus einer Spannungsquelle 21 ist.

Über die Steuerspannung u kann die Lage des Fokus F . . . F′ am oder im Werkstück 16 so eingestellt werden, daß mit derselben Einrichtung wahlweise verschiedene Bearbeitungsverfahren an unterschiedlichen Werkstoffen prozeßoptimiert durchführbar werden. So lassen sich z. B. mit derselben Einstellung ein Schneid- und ein Schweißvorgang auch an verschiedenen Materialien durchführen, so daß eine echte Prozeßoptimierung über die variable Optik 17 ermöglicht ist. Die axiale Fokusverlagerung paßt zugleich die Zufuhr eines prozeßun­ terstützenden Arbeitsgases an. Wenn die Spannungsquelle 21 eine periodisch schwankende Steuerspannung u liefert, dann wird der Fokus F . . . F′ kontinuierlich auf und ab bewegt. Damit kann beim Schweißen eine wünschenswerte Tiefenwirkung erzielt werden, während das Schneiden unter Vorschub des Werkstückes 16 relativ zur Düse 13 eine Art Sägeeffekt hervorruft, indem die Zonen des aufwärts und abwärts verschobenen Brennfleckes in aufeinanderfolgend be­ nachbarte Materialbereiche verlagert werden. Diese pulsierende Brennfleck-Lage führt dazu, daß das angeschmolzene Material nicht mehr am unteren Ende des Werkstückes 16 verklebt, sondern förm­ lich ausgeblasen wird, was eine durchgehend große Schnittbreite auch noch in sehr dicken Blechen erbringt. So ist es durch diesen Sägeeffekt möglich, Dickbleche in der Größenordnung von beispielsweise 20 mm mit einem 2-kW-Laser eindeutig zu trennen, was mit der her­ kömmlichen Konstanthaltung oder Nachführung des Brennflecks in der Nähe der Werkstück-Oberfläche 15 überhaupt nicht realisierbar ist.

Claims (11)

1. Verfahren zur Materialbearbeitung mittels eines Hochenergie- Laserstrahles, dessen Strahldivergenz vor seiner Fokussierung über einen deformierbaren Spiegel beeinflußbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufweitung der Strahldivergenz so dicht vor der Strahl­ fokussierung erfolgt, daß bei im wesentlichen konstantbleibender Strahlkaustik die axiale Fokuslage verändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine periodische Veränderung der Strahl­ divergenz.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Überlagerung von Vorschub- und Fokus­ lagebewegungen am oder im Werkstück.

4. Einrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines Hochenergie- Laserstrahles, die im Strahlengang vor ihrer Fokussieroptik (14) mit einer variablen Optik (17) zur Beeinflussung der Strahldiver­ genz ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Optik (17) eine auswölbbare Spiegeloberfläche (18) dicht vor der Fokussieroptik (14) aufweist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Optik (17) unter Ersatz eines Umlenkspiegels im Fokussierkopf (11) angeordnet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorgespannter piezoelektrischer Aktuator (19) im Zentrum hinter der Spiegeloberfläche (18) zur Einstellung der wirksamen Lage des Fokus (F,F′) aus einer Spannungsquelle (21) ansteuerbar ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine periodische Steuerspannung (u) für periodische Verlagerung des Fokus (F . . . F′).

8. Einrichtung nach einen der Ansprüche 4 bis 7, gekennzeichnet durch Anpassung des Fokussierkopfes (11) an eine Materialbearbeitungsaufgabe über Ansteuerung seiner variablen Optik (17).

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, gekennzeichnet durch ihren Einsatz zusammen mit einer Düse für prozeßunterstützende Gaszuführung an die Wechselwirkungsstelle der aktuellen Fokuslage.

10. Verwendung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9 zum Bearbeiten von Dickblech durch Überlagerung von Vorschub- und Füge-, Abtrag- oder Trennbewegungen aufgrund Relativbewe­ gung des Werkstückes quer zur Oszillationsbewegung des Fokus.

11. Verwendung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9 zum Erzielen eines gleichmäßigen Bearbeitungsergebnisses beim Bearbeiten auch konturierter bzw. profilierter Werkstückober­ flächen ohne Düsen-Nachführung bzw. Abstandsregelungen.