DE4316829A1 - Verfahren zur Materialbearbeitung mit Diodenstrahlung - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Material­ bearbeitung mit Diodenstrahlung, insbesondere Laserdiodenstrah­ lung, bei dem Werkstücke geschweißt, geschnitten, gebohrt, ge­ lötet und wärmebehandelt werden, jeweils unter Berücksichtigung der Werkstoffe der Werkstücke.

Stand der Technik

Es ist allgemein bekannt, Materialbearbeitung mit Laser­ strahlung durchzuführen. Die Laserstrahlung wird von CO2-, Eximer-, oder Nd-YAG-Lasern erzeugt, mit denen die erforderli­ chen Intensitäten von mehr als 10³ Watt/cm ohne weiteres er­ reicht werden können. Nachteilig ist jedoch der geringe Wir­ kungsgrad von <10% und die auf durchschnittlich ca. 10 000 Stun­ den begrenzte Lebensdauer der Lasersysteme. Des weiteren ist die hohe thermische und mechanische Empfindlichkeit der Laser und deren damit verbundene arbeits- und kostenintensive Wartung nachteilig. Kühlleistung, Netzteilleistung und Raum für den Aufbau der Lasersysteme sind vergleichsweise groß.

Das Strahlprofil des Laserstrahls ist durch den Resonator des Lasers vorbestimmt. Es kann mit Fokussieroptiken, Zylinder­ spiegeln, Parabolspiegeln, Facettenspiegeln und Integratoren verändert werden. Die Veränderung ist jedoch zeit- und kosten­ aufwendig. Eine Veränderung des Strahlprofils während der Mate­ rialbearbeitung und insbesondere unter Berücksichtigung des je­ weiligen Bearbeitungsergebnisses ist derzeit nicht möglich.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Materialbearbeitung mit Diodenstrahlung, insbesondere La­ serdiodenstrahlung, so zu verbessern, daß eine Anpassung des Strahlprofils während der Materialbearbeitung problemlos mög­ lich ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die von einer Viel­ zahl von Dioden emittierte Strahlung mit einem vorbestimmten Strahlprofil auf den Bearbeitungsbereich des Werkstücks gerich­ tet wird, und daß eine Veränderung der Intensitätsverteilung im Strahlprofil durch Steuerung der Diodenausgangsleistung er­ folgt.

Für die Erfindung ist zunächst von Bedeutung, daß zur Ma­ terialbearbeitung Diodenstrahlung eingesetzt wird, die von ei­ ner Vielzahl von Dioden herrührt. Die Strahlungsanteile der zur Bearbeitung eingesetzten Gesamtstrahlung können beeinflußt wer­ den, indem die Dioden oder mehrere Dioden umfassende Diodenein­ heiten angesteuert werden. Die Ansteuerung beeinflußt die Di­ odenausgangsleistung und damit die Intensität der Strahlung und auch deren Verteilung auf dem Werkstück. Die Ansteuerung kann in sehr kurzer Zeit erfolgen, beispielsweise in weniger als ei­ ner Millisekunde. Infolgedessen kann die Veränderung der Inten­ sitätsverteilung im Strahlprofil während des Verfahrens bzw. on-line erfolgen. Hierdurch ist im Vergleich zu den herkömmli­ chen Lasern eine wichtige weitere Möglichkeit eröffnet, nämlich die Anpassung des Strahlprofils bzw. der Intensitätsverteilung auf dem Werkstück entsprechend den Anforderungen des Bearbei­ tungsprozesses.

Das vorbeschriebene Verfahren ist insbesondere für Laser­ dioden bestimmt, die sich gegenüber anderen lichtemittierenden Dioden durch die Emission von Laserstrahlung auszeichnen. Das Verfahren ist jedoch auch vorteilhaft einsetzbar, wenn die Ei­ genschaften der Laserstrahlung für die Materialbearbeitung nicht benötigt werden. Auch derartige Dioden bzw. Diodeneinhei­ ten können unabhängig voneinander in ihrer Ausgangsleistung verändert werden, so daß sich eine entsprechende Änderung des Strahlprofils bzw. der Intensitätsverteilung der Strahlung auf dem Werkstück ergibt.

Eine Steuerung der Diodenausgangsleistung während des Ver­ fahrens zur Materialbearbeitung ist vorteilhaft, wenn ein be­ stimmtes Verfahrensprofil vorgegeben ist, beispielsweise die Wärmebestrahlung eines transportierten Werkstücks mit unter­ schiedlichen Strahlbreiten. In einem solchen Fall kann das Strahlprofil dem Verfahrensprofil entsprechend schablonenmäßig gesteuert werden. Eine Rückmeldung des Bearbeitungsergebnisses ist dann nicht erforderlich. Es wird aber auch eine Vielzahl von Verfahren zur Materialbearbeitung mit Diodenstrahlung ge­ ben, bei dem die Beeinflussung des Strahlprofils davon abhängt, wie sich die Bearbeitung auf dem Werkstück entwickelt. Ferner kann es notwendig sein, z. B. wegen nicht erfaßter Geometrie des Werkstücks, daß das Strahlprofil bzw. der Strahlfleck auf dem Werkstück überwacht wird. Eine solche Überwachung kann zur Re­ gelung des Verfahrens herangezogen werden. Dieses wird daher vorteilhafterweise so durchgeführt, daß die durch das Strahl­ profil bewirkte Temperaturverteilung des Bearbeitungsbereichs während der Bestrahlung überwacht wird, und daß die Veränderung der Intensitätsverteilung entsprechend dem Überwachungsergebnis erfolgt. Das Überwachungsergebnis ist beispielsweise ein zwei­ dimensionales Wärmebild der Werkstückoberfläche. Dieses kann durch Abscannen der Oberfläche des Werkstücks und Auswertung mit einem schnellen Pyrometer erfolgen, oder beispielsweise durch die Aufnahme des Bearbeitungsbereichs mit einem Detek­ torarray. Die Regelung kann real-time erfolgen.

Das Verfahren wird zweckmäßigerweise so durchgeführt, daß die Vielzahl von Dioden zu mindestens einer Einheit zusammenge­ baut ist und die Steuerung der Diodenausgangsleistung dioden­ einheitenweise erfolgt. Dieses Verfahren ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Vielzahl der Dioden zur Erreichung einer hohen Leistungsdichte verwendet werden. Die einheitenweise Steuerung der Diodenausgangsleistung ermöglicht es dann, mit vergleichsweise geringerem Steuerungs- bzw. Regelaufwand aus zu­ kommen.

Das Verfahren wird so durchgeführt, daß die Diodeneinhei­ ten mit optischen Kopplungsmitteln an Strahlführungsmittel an­ geschlossen werden, von denen aus die Diodenstrahlung auf die Bearbeitungsstelle fokussiert wird. Die Ausbildung der opti­ schen Kopplungsmittel im Einzelnen richtet sich nach der Aus­ bildung und Anordnung der Dioden. Diese sind wegen ihrer im Vergleich zu Lasern größeren Abstrahlwinkel mit Kollimatorlin­ sen versehen, die Mikrolinsen für jede einzelne Laserdiode sein können, oder die für mehrere Laserdioden bestimmte zylindrische Kollimatorlinsen sein können. Die Ausbildung der Kopplungsmit­ tel hängt auch von der Anordnung der einzelnen Laserdioden in einem Laserdiodenbarren und/oder in einem Laserdiodenwafer ab, sowie von der Ausbildung der Kühleinrichtung für die Dioden. Insoweit und auch bezüglich der Ausbildung der Strahlführungs­ mittel wird im Einzelnen auf die deutsche Patentanmeldung P 42 34 342.9 hingewiesen, deren Offenbarungsinhalt im Zusam­ menhang mit der hier vorliegenden Beschreibung Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. Das gilt insbesondere auch bezüg­ lich der dort beschriebenen Fokussierungsmittel.

Die Diodenstrahlung wird dadurch von den Dioden zum Werk­ stück übertragen, daß als Strahlführungsmittel Lichtleitfasern verwendet werden, die einzeln oder gruppenweise den Diodenein­ heiten zugeordnet werden. Durch die Zuordnung der Lichtleitfa­ sern zu den Dioden bzw. zu den Diodeneinheiten einerseits und durch die Anordnung der Lichtleitfasern vor dem Werkstück kann das Strahlprofil bestimmt werden. Eine Verteilung der Licht­ leitfasern über eine größere Fläche führt zu einer entsprechend großflächigen Bestrahlung des Werkstücks, was insbesondere da­ mit verbunden werden kann, daß die Enden der Lichtleitfasern die Fokussierungsmittel bilden. Die Lichtleitfasern können aber werkstückseitig auch so in Bezug auf z. B. eine Sammellinse an­ geordnet sein, daß mit dieser eine Fokussierung der Dioden­ strahlen auf einen gemeinsamen Punkt als Bearbeitungsbereich erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren wird also nicht nur bei flächenmäßiger Verteilung des Strahlprofils im Bearbeitungsbe­ reich vorteilhaft eingesetzt, sondern auch bei dessen Konzen­ tration auf einen kleinen Fleck, z. B. beim keyhole-Schweißen.

Für das Verfahren ist es vorteilhaft, wenn das Strahlpro­ fil mit einem Detektor ermittelt und das Meßergebnis des Detek­ tors einer zentralen Steuereinheit zur Steuerung der Diodenaus­ gangsleistung zugeleitet wird. Der Detektor kann in seiner räumlichen Ausbildung dem jeweiligen Strahlprofil angepaßt sein, so daß sein Einsatzort frei wählbar ist, wobei das Meßer­ gebnis des Detektors von einer an einer anderen Stelle befind­ lichen zentralen Steuereinheit verwertet wird.

Der Detektor kann aber auch unabhängig von der räumlichen Ausbildung des Strahlprofils ausgebildet werden, indem ein im Strahlengang der Diodenstrahlung angeordneter teildurchlässiger Spiegel einen Bruchteil der der Bearbeitungsstelle zugeleiteten und/oder der von letzterer reflektierten Diodenstrahlung für den Detektor auskoppelt. In diesem Fall stört der teildurchläs­ sige Spiegel in der Bahn der Diodenstrahlung nur wenig, vor al­ lem, weil die von ihm ausgekoppelte Leistung gering ist. Ande­ rerseits vermag er die räumliche Verteilung der Strahlungsan­ teile der gesamten Diodenstrahlung geometrisch genau auszukop­ peln, so daß er ein entsprechendes präzises Abbild des Strahl­ profils liefert. Entsprechend genau ermittelt er von der Bear­ beitungsstelle reflektierte Diodenstrahlung.

Eine Überwachung des Bearbeitungsbereichs des Werkstücks kann aber auch dadurch erfolgen, daß ein teildurchlässiger Spiegel vom Bearbeitungsbereich herrührende Wärme- und/oder Plasmastrahlung aus dem Strahlengang der Diodenstrahlung aus­ koppelt und einer Detektoreinheit für die Steuerung der Dioden­ ausgangsleistung über einen für die Diodenstrahlung undurchläs­ sigen Filter zuleitet. Der teildurchlässige Spiegel koppelt Wärme- und/oder Plasmastrahlung aus dem Strahlengang der Di­ odenstrahlung aus und der Filter verhindert, daß zugleich aus­ gekoppelte reflektierte Diodenstrahlung das Meßergebnis ver­ fälscht.

Von Vorteil ist es, wenn die Temperaturverteilung des Be­ arbeitungsbereichs in zeitlich kurzen Abständen vollständig er­ mittelt und/oder vorbestimmte Bereichsorte vorbestimmten Di­ odeneinheiten zugeordnet werden. Die in zeitlich kurzen Abstän­ den erfolgende Ermittlung der Temperaturverteilung ermöglicht eine entsprechend kurzzeitige Einflußnahme auf die Diodenaus­ gangsleistung und damit auf das Strahlprofil. Die Zuordnung vorbestimmter Bereichsorte zu vorbestimmten Diodeneinheiten er­ möglicht ein vereinfachtes Zuordnungsverfahren durch Schwer­ punktbildung, was sich ebenfalls im Sinne einer Beschleunigung von Einstellungen, Anpassungen und Regelungen auswirkt. Für diese Ermittlungen kann eine Auswerteeinheit eingesetzt werden, die beispielsweise im Bereich einer zentralen Steuereinheit an­ geordnet ist.

Eine solche Auswerteeinheit kann auch dann eingesetzt wer­ den, wenn das Verfahren so durchgeführt wird, daß bei der Er­ mittlung der Temperaturverteilung des Bearbeitungsbereichs auf der Bearbeitungsstelle erfolgende Überlappungen der von den Di­ odeneinheiten herrührenden Diodenstrahlungsanteile für eine ge­ richtete Zuordnung zwischen den Strahlungsanteilen und den Di­ odeneinheiten herangezogen werden. Die Auswerteeinheit erkennt Überlappungen, erkennt die diese Überlappungen erzeugenden Di­ odenstrahlungsanteile bzw. die diese Anteile erzeugenden Dioden oder Diodeneinheiten und ermöglicht dadurch die Steuerung der Ausgangsleistung der verantwortlichen Dioden oder Diodeneinhei­ ten.

Das Verfahren kann des weiteren so durchgeführt werden, daß der das Strahlprofil ermittelnde oder von der Bearbeitungs­ stelle reflektierte Diodenstrahlung erfassende Detektor unmit­ telbar in Strahlungsrichtung hinter den Diodeneinheiten und/oder die von der Bearbeitungsstelle emittierte Wärme­ und/oder Plasmastrahlung erfassende Detektoreinheit in Emissi­ onsrichtung unmittelbar hinter einer Fokussiereinheit angeord­ net wird. Auf diese Weise werden zweckmäßig gruppierte Bauein­ heiten erreicht und Beeinflussungen der Meßergebnisse weitge­ hend vermieden.

Die Diodenstrahlung kann vorteilhafterweise mit einem Fa­ serbündel von Lichtleitfasern von einer Diodeneinheit zum Bear­ beitungsbereich transportiert werden. Vorteilhaft ist, daß ein Lichtleitfaserbündel nur zu einem Teil der Führung der Dioden­ strahlung zum Bearbeitungsbereich dient und zum anderen Teil für die Weiterleitung der von dem Bearbeitungsbereich emittier­ ten Wärme- und/oder Plasmastrahlung herangezogen wird. Es er­ gibt sich eine dementsprechend einfache Möglichkeit der Detek­ tion des Wärmebildes bzw. der Temperaturverteilung im Bearbei­ tungsbereich des Werkstücks durch Lichtleitfasern, welche die Diodenlaserstrahlung nicht zum Werkstück übertragen, dafür aber in umgekehrter Richtung die Werkstückoberfläche auf einer ent­ sprechenden Sensoreinheit abbilden, wobei also das Abbild der Werkstückoberfläche durch die Fokussieroptik hindurch ermittelt wird.

Um irgendwelche Beeinflussungen der die Diodenstrahlung zum Bearbeitungsbereich leitenden Lichtleitfasern durch der Ab­ bildung des Bearbeitungsbereichs des Werkstücks dienende Licht­ leitfasern zu vermeiden, wird das Verfahren so durchgeführt, daß der andere Teil des Lichtfaserbündels außen an dessen einem Teil angeordnet wird.

Vorteilhaft ist die Verwendung von Diodenstrahlung beim Umwandlungshärten metallener Werkstückbereiche oder beim loka­ len Schmelzen mit einem vorbestimmten Temperaturprofil, unab­ hängig von lokalen Besonderheiten. In beiden Bearbeitungsfällen wird mit der Diodenstrahlung ein vorbestimmtes Temperaturprofil erzeugt, das unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit des Bearbeitungsbereichs, unabhängig von der lokalen Absorption der Strahlung sowie unabhängig von der Werkstückgeommetrie konstant gehalten bzw. gezielt geändert werden kann, in dem die Dioden­ ausgangsleistung gesteuert wird.

Diodenstrahlung kann auch beim Umformen und Biegen eines Werkstücks eingesetzt werden, wobei die Temperaturverteilung des Bearbeitungsbereichs und dessen jeweilige durch die Bear­ beitung bestimmte Geometrie der Steuerung der Diodenausgangs­ leistung dienen. Das Umformen und Biegen des Werkstücks erfolgt also unter Berücksichtigung des Verformungsvorgangs, wobei ent­ sprechend mehr oder weniger Leistung zum Verformen eingesetzt wird, indem die Diodenausgangsleistung gesteuert wird.

Die Verwendung von Diodenstrahlung beim lokalen Erwärmen zur Änderung der Gefügestruktur, zur Verringerung von Eigen­ spannungen, oder beim Schneiden von Werkstücken, insbesondere beim abbrandstabilisierten Laserstrahlbrennschneiden, jeweils unter Steuerung des Strahlprofils, wird jeweils durchgeführt, indem das Strahlprofil bzw. die Intensitätsverteilung der Di­ odenstrahlung gesteuert wird, wobei auf die Rekristallisie­ rungseigenschaften, die Eigenspannungsbildung bzw. die Sauer­ stoffreaktion Rücksicht genommen werden kann. Insbesondere kön­ nen beim Konturschneiden von kleinen Radien, Kanten oder Ecken Überreaktionen verursacht durch einen Wärmestau in Spitzen und auf der Innenseite von Rundungen vermieden werden.

Beim Schweißen von Werkstücken zum lokalen Vor- und Nach­ wärmen in der Nähe der Schweißstelle, insbesondere unter Steue­ rung des Strahlprofils kann vorteilhafterweise Diodenstrahlung verwendet werden. Das Vorwärmen findet in der Regel nur wenige Millimeter vor der Schweißstelle statt und ermöglicht eine Ver­ ringerung der einzukoppelnden Energie. Die Steuerung der Di­ odenausgangsleistung kann aber auch dazu benutzt werden, daß die Diodenstahlung den gesamten zu regelnden Energieanteil beim Schweißen übernimmt, so daß der Hauptschweißstrahl ungesteuert bleiben kann, zumindest aber mit erheblich verringertem Steue­ rungsaufwand auskommt. Beim Nachwärmen kann die entstandene noch heiße Oberflächenraupe durch erneutes Anschmelzen bzw. langsameres Erstarren geglättet werden, wodurch Einbrandkerben oder Nahtüberhöhungen auszugleichen sind. Bei noch schmelzflüs­ siger Fügezone kann die Bildung von Schmelzbadinstabilitäten vermieden werden.

Diodenstrahlung kann vorteilhafterweise auch eingesetzt werden, um Verunreinigungen oder Beschichtungen von Werkstücken lokal zu verdampfen, beispielsweise Zink, Lack, Wachs, Kunst­ stoffe usw.

Diodenstrahlung kann auch verwendet werden, um ein Schmelzbad beim Schweißen lokal zu erwärmen, insbesondere im Bereich der Rückseite einer Dampfkapillaren. Oberflächenspan­ nungen, welche aufgrund von Temperaturgradienten im Schmelzbad hervorgerufen werden, werden abgebaut, so daß die Schmelzebewe­ gungen gleichmäßiger erfolgen und die Ausbildung von Humping­ tropfen vermieden wird. Die Verwendung von Diodenstrahlen zu­ sätzlich zur Laserstrahlung beim Schweißen ermöglicht durch die einfache Steuerung der Diodenausgangsleistung eine vorteilhafte Einflußnahme im Sinne einer Verbesserung des Schweißergebnis­ ses.

Vorteilhaft ist weiterhin die Verwendung von Diodenstrah­ lung beim lokalen Erwärmen eines Werkstücks zur Unterstützung der spanabhebenden Werkstückbearbeitung. Die Erwärmung dient insbesondere zum Unterstützen beim Drehen oder Fräsen, um hö­ here Standzeiten des Schneidwerkzeugs zu ermöglichen und das Bearbeitungsergebnis zu verbessern.

Die Steuerung der Intensitätsverteilung von Diodenstrah­ lung kann auch beim Löten von Werkstücken mit Steuerung der Di­ odenausgangsleistung zum Anschmelzen des Lotes und einer über­ hitzungsfreien Erwärmung der Werkstücke verwendet werden, wo­ durch die Benetzung der zu verbindenden Teile ohne lokale Überhitzung und ohne Spritzerbildung durch Flußmittel erreicht wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestell­ ten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine blockschaltbildartige schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Materialbearbeitung mit Diodenstrahlung, und

Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung mit abgeänderten Komponenten.

Wege zum Verfahren gemäß der Erfindung

In Fig. 1 ist eine Diodeneinheit 12 dargestellt, die in physikalischer Ausführung aus einer Vielzahl einzelner Dioden oder aus einer Mehrzahl von Diodeneinheiten als Baugruppen be­ steht, die ihrerseits eine Vielzahl von Dioden aufweisen. Das ergibt sich insbesondere aus dem dargestellten Block 22 von Netzgeräten 1, 2 . . . u, die für jeweils eine Diodeneinheit be­ stimmt und dementsprechend mit 12 verschaltet sind.

Von der Diodeneinheit 12 gelangt emittierte Strahlung dem Strahlengang 18 entsprechend mit Strahlführungsmitteln 13 zu einem Werkstück 11, wobei eine Fokussiereinheit 23 zwischenge­ schaltet ist, welche die Diodenstrahlung auf eine Bearbeitungs­ stelle 14 des Bearbeitungsbereichs 10 des Werkstücks 11 fokus­ siert. Die Strahlführungsmittel 13 sind beispielsweise Licht­ leitfasern 15 in Gestalt eines Faserbündels 20. Von diesen Lichtleitfasern 15 nimmt die Fokussiereinheit 23 die Dioden­ strahlung auf, beispielsweise mit einer Sammellinse.

Zwischen der Diodeneinheit 12 und den Strahlführungsmit­ teln 13 ist ein Detektor 16 vorhanden, der das Strahlprofil der Diodenstrahlung ermittelt. Hierzu besitzt der Detektor 16 einen teildurchlässigen Spiegel 16′, der einen geringen Bruchteil 24 der Diodenstrahlung auskoppelt. Dabei ist aus der schematischen Darstellung ersichtlich, daß die von den Diodeneinheiten her­ rührenden Diodenstrahlungsanteile 25 ortsgetreu ausgekuppelt werden und so eine Bestimmung der flächenmäßigen Verteilung der Diodenstrahlungsanteile 25 bzw. eine Bestimmung des Strahlpro­ fils gestatten. Des weiteren wird mit dem teildurchlässigen Spiegel 16′ Diodenstrahlung ausgekoppelt, die vom Werkstück 11 reflektiert wird. Dieser Anteil der reflektierten Diodenstrah­ lung gelangt vom Werkstück 11 über die Strahlführungsmittel 13 zu dem teildurchlässigen Spiegel 16′ des Detektors 16. Die von der Bearbeitungsstelle bzw. aus dem Bearbeitungsbereich 10 re­ flektierte Diodenstrahlung 25 wird entsprechend ihrer örtlichen Verteilung ermittelt, so daß ein entsprechendes zweidimensiona­ les Reflektionsbild des Bearbeitungsstelle bzw. des Bearbei­ tungsbereichs 10 entsteht. Der Detektor 16 ist seinen beiden Detektionsergebnissen entsprechend jeweils mit einer zentralen Steuereinheit 17 verbunden, in der das Meßergebnis ausgewertet wird. Entsprechend der Auswertung steuert die Steuereinheit 17 die Netzgeräte des Blocks 22 und damit die Ausgangsleistung der Dioden bzw. der Diodeneinheiten 12. Da die Detektion der Di­ odenstrahlung in zeitlich kurzen Abständen durchgeführt werden kann, ist eine entsprechend kurzzeitige bzw. on-line erfolgende Steuerung der Diodenausgangsleistung möglich.

In Fig. 2 ist der Aufbau der Vorrichtung dahingehend modi­ fiziert, daß anstelle eines Detektors eine Detektoreinheit 19 eingesetzt wird, die aus dem Bearbeitungsbereich 10 emittierte Wärme- und/oder Plasmastrahlung erfaßt. Die Einheit 19 ist mit der Fokussiereinheit 23 über einen Teil 21 des Faserbündels 15 gekoppelt, wobei dieser Teil 21 außen an dem anderen Teil des Lichtleitfaserbündels 20 angeordnet ist, der ausschließlich zur Führung des Diodenstrahlung zum Bearbeitungsbereich 10 dient.

Mit der Detektoreinheit 19, die in Emissionsrichtung un­ mittelbar hinter der Fokussiereinheit 23 angeordnet sein kann, wird ein Wärmebild der Bearbeitungsstelle 14 bzw. des Bearbei­ tungsbereichs 10 ermittelt, welches beispielsweise durch die Anzahl und Zuordnung der Lichtleitfasern des Bündelteils 21 zu jeweils unterschiedlichen Stellen des Bearbeitungsbereichs 10 eine ortsaufgelöste Überwachung ermöglicht. Durch Kopplung der Detektoreinheit 19 an die zentrale Steuereinheit 17 wird das ermittelte Wärmebild ausgewertet und zur Ansteuerung der ein­ zelnen Diodeneinheiten benutzt, so daß die Strahlungsverteilung so beeinflußt wird, daß das Werkstück in geeigneter Weise bear­ beitet werden kann.

Claims (21)

1. Verfahren zur Materialbearbeitung mit Diodenstrahlung, insbesondere Laserdiodenstrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die von einer Vielzahl von Dioden emittierte Strahlung mit einem vorbestimmten Strahlprofil auf den Bearbeitungs­ bereich (10) des Werkstücks (11) gerichtet wird, und daß eine Veränderung der Intensitätsverteilung im Strahlprofil durch Steuerung der Diodenausgangsleistung erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das Strahlprofil bewirkte Temperaturverteilung des Bearbeitungsbereichs (10) während der Bestrahlung über­ wacht wird, und daß die Veränderung der Intensitätsvertei­ lung entsprechend dem Überwachungsergebnis erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Dioden zu mindestens einer Einheit (12) zusammengebaut ist und die Steuerung der Diodenaus­ gangsleistung diodeneinheitenweise erfolgt.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diodeneinheiten (12) mit optischen Kopplungsmitteln an Strahlführungsmittel (13) angeschlossen werden, von denen aus die Diodenstrahlung auf die Bearbeitungsstelle (14) fokussiert wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlführungsmittel (13) Lichtleitfasern (15) verwendet werden, die einzeln oder gruppenweise den Diodeneinheiten (12) zugeordnet werden.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlprofil mit einem Detektor (16) einer zentralen Steuereinheit (17) zur Steuerung der Diodenausgangsleistung zugeleitet wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Strahlengang (18) der Diodenstrahlung angeordneter teildurchlässiger Spiegel (16′) einen Bruchteil der der Bearbeitungsstelle zugelei­ teten und/oder der von letzterer reflektierten Dioden­ strahlung (25) für den Detektor (16) auskoppelt.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein teildurchlässiger Spiegel vom Bearbeitungsbereich (10) herrührende Wärme- und/oder Plasmastrahlung aus dem Strahlengang der Diodenstrahlung auskoppelt und einer Detektoreinheit (19) für die Steue­ rung der Diodenausgangsleistung über einen für die Dioden­ strahlung undurchlässigen Filter zuleitet.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturverteilung des Bearbeitungsbereichs (10) in zeitlich kurzen Abständen vollständig ermittelt und/oder vorbestimmte Bereichsorte vorbestimmten Diodeneinheiten zugeordnet werden.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ermittlung der Tempe­ raturverteilung des Bearbeitungsbereichs (10) auf der Be­ arbeitungsstelle (14) erfolgende Überlappungen der von den Diodeneinheiten herrührenden Diodenstrahlungsanteile (25) für eine gerichtete Zuordnung zwischen den Strahlungsan­ teilen und den Diodeneinheiten herangezogen werden.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der das Strahlprofil ermit­ telnde oder von der Bearbeitungsstelle (14) reflektierte Diodenstrahlung erfassende Detektor unmittelbar in Strah­ lungsrichtung hinter den Diodeneinheiten und/oder die von der Bearbeitungsstelle (14) emittierte Wärme- und/oder Plasmastrahlung erfassende Detektoreinheit in Emissions­ richtung unmittelbar hinter einer Fokussiereinheit ange­ ordnet wird.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtleitfaserbündel (20) nur zu einem Teil der Führung der Diodenstrahlung zum Be­ arbeitungsbereich (10) dient und zum anderen Teil (21) für die Weiterleitung der von dem Bearbeitungsbereich (10) emittierten Wärme- und/oder Plasmastrahlung herangezogen wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Teil (21) des Lichtfaserbündels (20) außen an dessen einem Teil angeordnet wird.

14. Die Verwendung von Diodenstrahlung, insbesondere nach ei­ nem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, beim Umwand­ lungshärten metallener Werkstückbereiche oder beim lokalen Schmelzen mit einem vorbestimmten Temperaturprofil, unab­ hängig von lokalen Besonderheiten.

15. Die Verwendung von Diodenstrahlung, insbesondere nach ei­ nem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, beim Umformen und Biegen eines Werkstücks, wobei die Temperaturvertei­ lung des Bearbeitungsbereichs und dessen jeweilige durch die Bearbeitung bestimmte Geometrie der Steuerung der Di­ odenausgangsleistung dienen.

16. Die Verwendung von Diodenstrahlung, insbesondere nach ei­ nem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, beim lokalen Er­ wärmen zur Änderung der Gefügestruktur, zur Verringerung von Eigenspannungen, ober beim Schneiden von Werkstücken, insbesondere beim abbrandstabilisierten Laserstrahlbrenn­ schneiden, jeweils unter Steuerung des Strahlprofils.

17. Die Verwendung von Diodenstrahlung, insbesondere nach ei­ nem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, beim Schweißen von Werkstücken zum lokalen Vor- und Nachwärmen in der Nä­ he der Schweißstelle, insbesondere unter Steuerung des Strahlprofils.

18. Die Verwendung von Diodenstrahlung, insbesondere nach ei­ nem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, beim lokalen Verdampfen von Verunreinigungen oder Beschichtungen von Werkstücken.

19. Die Verwendung von Diodenstrahlung, insbesondere nach ei­ nem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, zum lokalen Er­ wärmen eines Schmelzbades beim Schweißen, insbesondere im Bereich der Rückseite einer Dampfkapillaren.

20. Die Verwendung von Diodenstrahlung, insbesondere nach ei­ nem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19, beim lokalen Er­ wärmen eines Werkstücks zur Unterstützung der spanabheben­ den Werkstückbearbeitung.

21. Die Verwendung von Diodenstrahlung, insbesondere nach ei­ nem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20, beim Löten von Werkstücken mit Steuerung der Diodenausgangsleistung zum Anschmelzen des Lots und einer überhitzungsfreien Erwär­ mung der Werkstücke.