DE4401597A1

DE4401597A1 - Laserbearbeitungsvorrichtung mit Strahlmoden-Steuerung

Info

Publication number: DE4401597A1
Application number: DE4401597A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Nishida; Masato Matsubara; Akihiro Otani
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1993-01-21
Filing date: 1994-01-20
Publication date: 1994-08-25
Anticipated expiration: 2014-01-21
Also published as: DE4401597C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung des Bearbeitungswirkungsgrades und der Bearbeitungsgenauigkeit in einer Laserbearbeitungsvorrichtung, insbesondere in einer Laserschneidevorrichtung.

Bei der Laserbearbeitung, insbesondere beim Laserschneiden wird als eine Bedingung zur Erreichung einer Bearbeitung mit hoher Genauigkeit ein Strahl mit einer guten Fokussierungscharakteristik bzw. Fokussierungseigenschaften benötigt. Bis jetzt wurde als ein Strahl, der diese Bedingung erfüllt, ein Strahl mit dem TEM00-Mode verwendet, dessen Fokussierungseigenschaft theoretisch am höchsten ist. Je höher jedoch die Ordnung des Modes ist, desto höher ist andererseits die Ausgangsenergie, die erzielt werden kann, so daß Strahlmoden verwendet wurden, deren Ordnungen höher als die nullte Ordnung sind, beispielsweise der TEM01*-Mode. Die Konfigurationen dieser Strahlmoden sind beispielsweise in der Zeitschrift "Laser Processing Technology", herausgegeben von The Nikkan Kogyo Shimbun, Ltd., auf Seite 19 dargestellt und sind hier in Fig. 20 nochmals reproduziert.

Die Fig. 19 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel einer herkömmlichen Bearbeitungsvorrichtung zeigt. In der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Laseroszillator; 2 einen Laserstrahl; 3 einen Bearbeitungskopf, wie beispielsweise einen Schneidkopf; 4 eine Sammellinse; 5 einen X-Y-Tisch; 6 eine Steuereinrichtung; 7 einen reflektierenden Spiegel; 8 einen teilweise reflektierenden Spiegel (ein Fenster zur Auskopplung bzw. zum Herausholen des Strahls); 9 einen Ausgangsdetektionssensor; 10 eine Moden-Umschalteinheit; und 11 ein Werkstück.

Nachstehend wird der Betrieb der Vorrichtung beschrieben. Der von dem Oszillator 1 ausgesendete Laserstrahl 2 wird mittels des reflektierenden Spiegels 7 auf das Werkstück 11 hin und über dieses gerichtet und mittels der Sammellinse 4 auf dem Werkstück 11 fokussiert. Dabei wird gleichzeitig durch eine Öffnung an einem unteren Ende des Bearbeitungskopfes 3 zusammen mit dem Laserstrahl 2 gleichzeitig ein Bearbeitungs-Unterstützungsgas injiziert. Dabei werden zur Zeit der Bearbeitung die Positionsbeziehung zwischen dem Brennpunkt des Laserstrahls und dem Werkstück 11 (das heißt die Fokalposition), der Druck des Hilfs- bzw. Unterstützungsgases und die Düsenhöhe (der Abstand zwischen einem unteren Ende des Bearbeitungskopfes und dem Werkstück) wichtige Parameter. Zusätzlich sind in einer Speichereinheit der Steuereinrichtung 6 eine Vielzahl von Bearbeitungsbedingungen gespeichert, wie beispielsweise die Fokalposition bzw. Brennposition, der Druck des Bearbeitungsgases, die Düsenhöhe, der Laserausgang, die Form des Laseroszillationsausgangs (Dauerstrichbetrieb oder im Impuls-Betrieb), die Impulsfrequenz und der Impulstastzyklus bzw. das Impulstastverhältnis. Entsprechend zu dem Material des Werkstücks 11, der Plattendicke, der Bearbeitungs- (Schneide)-Geschwindigkeit und eines Bearbeitungs- (Schneide)-Profils werden optimale Bedingungen gewählt. Der Oszillator 1, der Bearbeitungskopf 3, der X-Y-Tisch 5 und dergleichen werden auf der Grundlage dieser Bedingungen gesteuert. Zusätzlich kann der Strahlmode des Laserstrahls 2 mittels der Mode-Umschalteinheit 10 geändert werden.

Falls bei der in der oben beschriebenen Weise aufgebauten Laserbearbeitungsvorrichtung bei einer Bearbeitung in dem TEM00-Mode, der eine gute Fokussierungseigenschaft gibt, der Ausgang bzw. die Ausgangsleistung erhöht wird, wird eine fehlerhafte Bearbeitung und eine instabile Bearbeitung beobachtet. Um ein Beispiel zu nennen, kann in einem Falle, bei dem mit einem niedrigen Ausgang zu Beginn der Bearbeitung ein Durchstoßen (was bewirkt, daß der Strahl das Werkstück durchdringt) bewirkt wird, und der Ausgang beim Abschluß des Durchstoßens erhöht wird, um das Schneiden des Werkstückes zu bewirken, eine zufriedenstellende Bearbeitung während des Durchstoßens und in einer frühen Periode des Schneidens erreicht werden, aber eine fehlerhafte Bearbeitung kann mit Fortschreiten der Schneideoperation allmählich auftreten.

Es wurde festgestellt, daß diese Erscheinung durch die Tatsache verursacht wird, daß die übertragenden optische Elemente (der teilweise reflektierende Spiegel 8 und die Sammellinse 4) einen Teil des Laserstrahls absorbieren und eine Temperaturerhöhung erfahren, so daß eine Verzerrung in ihren Konfigurationen und in der Verteilung des Brechungsindex auftritt, was die Verschlechterung der Strahlfokussierungseigenschaft und eine Änderung der Position des Brennpunktes zur Folge hat. Dieses Phänomen wird oft als thermische Spannung bzw. Thermospannung bezeichnet und tritt auf, wenn eine derartige Absorption in den übertragenden optischen Elementen vorhanden ist. Falls die Absorption der übertragenden optischen Elemente aufgrund der Anbringung von Verunreinigungen auf den Oberflächen der übertragenden optischen Elemente groß wird, wird zusätzlich die in den übertragenden optischen Elementen erzeugte Wärmemenge noch größer und die Verschlechterung der Strahlfokussierungseigenschaft aufgrund der thermischen Spannung wird noch ausgeprägter.

Deshalb ist bei der kontinuierlichen Bearbeitung (z. B. beim Schneiden) der Temperaturanstieg der übertragenden optischen Elemente gering und der Effekt einer thermischen Spannung ist während der frühen Periode der Bearbeitung gering. Jedoch steigt mit fortschreitender Bearbeitung die Temperatur der übertragenden optischen Elemente an und die Verschlechterung der Strahlfokussierungseigenschaften und die Bewegung der Position des Brennpunktes wird groß, wodurch eine fehlerhafte Bearbeitung (bzw. fehlerhaftes Schneiden) verursacht wird.

Als Ergebnis von Experimenten wurde festgestellt, daß der Betrag der oben beschriebenen Verschlechterung der Fokussierungseigenschaft und der Bewegungsbetrag der Brennposition in dem TEM00-Mode am ausgeprägtesten sind. Somit wurde ersichtlich, daß eine fehlerhafte Bearbeitung häufig deswegen auftrat, weil der TEM00-Mode in herkömmlicher Weise zur Bearbeitung (z. B. zum Schneiden) bei Bedingungen verwendet wurde, bei denen der TEM00-Mode möglich war, und zwar deshalb, da der TEM00-Mode theoretisch die höchsten Fokussierungseigenschaften ergibt.

Für derartige herkömmliche Laserbearbeitungsvorrichtungen waren zum Wählen der Strahlmoden nur grobe Kriterien verfügbar. Beispielsweise wurde ein Mode niedriger Ordnung, beispielsweise ein Monomode, der eine gute Fokussierungseigenschaft ergibt, hinsichtlich der Tatsache verwendet, daß ein Ausgang sichergestellt werden kann, während ein Mode höherer Ordnung, der leicht den Ausgang erhöhen kann, für Bearbeitungsvorgänge, die einen hohen Ausgang erfordern und für andere ähnliche Zwecke verwendet wurde. Somit bestand ein Nachteil darin, daß die am besten zur Bearbeitung (z. B. zum Schneiden) geeigneten Strahlmoden nicht notwendigerweise verwendet worden sind.

Die vorliegende Erfindung beseitigt diesen Nachteil und besitzt als Aufgabe, Parameter, wie beispielsweise (1) die Änderung der Fokussierungseigenschaften von jeweiligen Moden, (2) die Bewegung der Position des Brennpunktes in Bezug auf die Änderungen in der Wärmeabsorption der optischen Elemente und (3) den Laserausgang zu berücksichtigen und eine Auswahl eines immer am besten für eine Bearbeitung (z. B. ein Schneiden) geeigneten Strahlmodes auf der Grundlage dieser Parameter zu ermöglichen.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung (z. B. eine Laserschneidevorrichtung) vorgesehen, mit einem Laseroszillator, einer Steuereinrichtung für den Laseroszillator, einer Einrichtung zum Erfassen eines Ausgangs des Laseroszillators und eine Einrichtung zum Ändern eines Strahlmodes eines von dem Laseroszillator abgegebenen Laserstrahls; wobei die Laserbearbeitungsvorrichtung umfaßt: eine Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen einer Moden-Umschaltung gemäß dem erfaßten Ausgang des Laseroszillators.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung vorgesehen mit einem Laseroszillator, einer Steuereinrichtung für den Laseroszillator, einer Einrichtung zum Erfassen eines Ausgangs des Laseroszillators und eine Einrichtung zum Ändern eines Strahlmodes eines von dem Laseroszillator abgegebenen Laserstrahls; wobei die Laserbearbeitungsvorrichtung umfaßt: eine Einrichtung zum Erfassen einer Absorption eines teilweise reflektierenden Spiegels des Oszillators; und eine Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen einer Moden-Umschaltung im Ansprechen auf die erfaßte Absorption des teilweise reflektierenden Spiegels.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung vorgesehen mit einem Laseroszillator, einer Steuereinrichtung für den Laseroszillator, einer Einrichtung zum Erfassen eines Ausgangs des Laseroszillators, eine Einrichtung zum Ändern eines Strahlmodes eines von dem Laseroszillator abgegebenen Laserstrahls, und einem fokussierenden optischen Element zur Fokussierung des Laserstrahls, wobei die Laserbearbeitungsvorrichtung umfaßt: eine Einrichtung zum Erfassen einer Absorption des fokussierenden optischen Elements; und eine Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung einer Moden-Umschaltung entsprechend der erfaßten Absorption des fokussierenden optischen Elements.

Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung vorgesehen mit einem Laseroszillator, einer Steuereinrichtung für den Laseroszillator, einer Einrichtung zum Erfassen eines Ausgangs des Laseroszillators und einer Einrichtung zum Ändern eines Strahlmodes eines von dem Laseroszillator ausgegebenen Laserstrahls, wobei die Steuereinrichtung eine Strahlmoden-Steuereinheit zur Steuerung des Strahlmodes entsprechend des Ausgangs des Laseroszillators aufweist.

Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung vorgesehen mit einem Laseroszillator, einer Steuereinrichtung für den Laseroszillator, einer Einrichtung zum Erfassen eines Ausgangs des Laseroszillators und eine Einrichtung zum Andern eines Strahlmodes eines von dem Laseroszillator abgegebenen Laserstrahls, wobei der Oszillator eine Einrichtung zur Erfassung einer Absorption eines teilweise reflektierenden Spiegels des Oszillators aufweist und die Steuereinrichtung eine Strahlmoden-Steuereinheit zur Steuerung des Strahlmodes entsprechend der erfaßten Absorption des teilweise reflektierenden Spiegels aufweist.

Gemäß einem sechsten Aspekt der Erfindung ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung vorgesehen mit einem Laseroszillator, einer Steuereinrichtung für den Laseroszillator, einer Einrichtung zum Erfassen eines Ausgangs des Laseroszillators, einer Einrichtung zur Änderung eines Strahlmodes eines von dem Laseroszillator abgegebenen Laserstrahls und einem fokussierenden optischen Element zur Fokussierung des Laserstrahls, wobei das fokussierende optische Element eine Absorptions- Erfassungseinrichtung und die Steuereinrichtung eine Strahlmoden-Steuereinheit zur Steuerung des Strahlmodes entsprechend der von der Absorptionserfassungseinrichtung erfaßten Absorption aufweist.

Gemäß einem siebten Aspekt der Erfindung ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung vorgesehen mit einem Laseroszillator, einer Steuereinrichtung für den Laseroszillator, einer Einrichtung zum Erfassen eines Ausgangs des Laseroszillators und einer Einrichtung zum Andern eines Strahlmodes eines von dem Laseroszillator abgegebenen Laserstrahls, wobei der Oszillator eine Einrichtung zur Erfassung einer Absorption eines den Oszillator bildenden teilweise reflektierenden Spiegels und die Steuereinrichtung eine Strahlmoden-Steuereinheit zur Steuerung des Strahlmodes im Ansprechen auf die erfaßte Absorption des teilweise reflektierenden Spiegels und den erfaßten Ausgang des Laseroszillators aufweist.

Gemäß einem achten Aspekt der Erfindung ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung vorgesehen mit einem Laseroszillator, einer Steuereinrichtung für den Laseroszillator, einer Einrichtung zum Erfassen einem Ausgangs des Laseroszillators, einer Einrichtung zur Änderung eines ersten Strahlmodes eines von dem Laseroszillator abgegebenen Laserstrahls auf einen zweiten Strahlmode und einem fokussierenden optischen Element zur Fokussierung des Laserstrahls, wobei das fokussierende optische Element eine Absorptions-Erfassungseinrichtung und die Steuereinrichtung eine Strahlmoden-Steuereinheit zur Steuerung des Strahlmodes im Ansprechen auf die von der Absorptions-Erfassungseinrichtung erfaßte Absorption des fokussierenden optischen Elements und den von der Ausgangserfassungseinrichtung erfaßten Ausgang des Laseroszillators aufweist.

Gemäß einem neunten Aspekt der Erfindung ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung vorgesehen umfassend einen Laseroszillator, einen Bearbeitungstisch, eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Laseroszillators und des Bearbeitungstisches, eine Einrichtung zur Erfassung eines Ausgangs des Laseroszillators und eine Einrichtung zum Andern eines ersten Strahlmodes eines von dem Laseroszillator abgegebenen Laserstrahls auf einen zweiten Strahlmode, wobei die Steuereinrichtung eine Bearbeitungsbedingungs-Einstelleinheit aufweist, um für jede der ersten und zweiten Strahlmoden eine Bearbeitungsbedingung entsprechend einem Material, einer Plattendicke und einer Bearbeitungsgeschwindigkeit eines durch die Vorrichtung zu bearbeitenden Werkstückes einzustellen.

Gemäß einem zehnten Aspekt der Erfindung ist die Laserbearbeitungsvorrichtung nach dem achten Aspekt der Erfindung so angeordnet, daß die Steuereinrichtung eine Bearbeitungsbedingungs-Einstelleinheit aufweist, um eine Bearbeitungsbedingung für jeden der ersten und zweiten Strahlmoden einzustellen und die Bearbeitungsbedingungs- Einstelleinheit eine Einheit umfaßt, um wenigstens eine der folgenden Bedingungen einzustellen: eine Brennposition, einen Druck eines Bearbeitungsgases, eine Düsenhöhe, einen Laserausgang, eine Impulsfrequenz und einen Impuls- Tastzyklus.

Gemäß einem elften Aspekt der Erfindung ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung vorgesehen umfassend einen Laseroszillator, einen Bearbeitungstisch, eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Laseroszillators und des Bearbeitungstisches, eine Einrichtung zum Erfassen eines Ausgangs des Laseroszillators und eine Einrichtung zum Andern eines Strahlmodes eines von dem Laseroszillator abgegebenen Laserstrahls von einem ersten Strahlmode auf wenigstens einen zweiten Strahlmode, wobei die Steuereinrichtung eine Bearbeitungsbedingungs- Einstelleinheit aufweist, um für jeden der ersten und zweiten Strahlmoden eine Bearbeitungsbedingung entsprechend einem Material, einer Plattendicke und eines Bearbeitungsprofils eines durch die Vorrichtung zu bearbeitenden Werkstücks einzustellen.

Gemäß einem zwölften Aspekt der Erfindung ist die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß dem neunten Aspekt der Erfindung so angeordnet, daß die Steuereinrichtung eine Bearbeitungsbedingungs-Einstelleinheit aufweist, um eine Bearbeitungsbedingung für jede der ersten und zweiten Strahlmoden einzustellen, und die Bearbeitungsbedingungs- Einstelleinheit eine Einheit aufweist, um wenigstens eine der folgenden Bedingungen einzustellen: eine Bearbeitungsgeschwindigkeit, eine Brennposition, einen Bearbeitungsgasdruck, eine Düsenhöhe, einen Laserausgang, eine Impulsfrequenz und einen Impuls-Tastzyklus.

Betrieb

Die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ermöglicht die Wahl eines für einen Laserausgang geeigneten Strahlmodes.

Die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ermöglicht die Wahl eines für den Zustand des teilweise reflektierenden Spiegels geeigneten Strahlmodes.

Die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung erlaubt die Wahl eines für den Zustand des fokussierenden optischen Elements geeigneten Strahlmodes.

In der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung wählt die Steuereinrichtung einen für den Laserausgang geeigneten Strahlmode.

In der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung wählt die Steuereinrichtung einen für den Zustand des teilweise reflektierenden Spiegels geeigneten Strahlmode.

In der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß dem sechsten Aspekt der Erfindung wählt die Steuereinrichtung einen für den Zustand des fokussierenden optischen Elements geeigneten Strahlmode.

In der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß dem siebten Aspekt der Erfindung wählt die Steuereinrichtung einen für den Laserausgang und für den Zustand des teilweise reflektierenden Spiegels geeigneten Strahlmode.

In der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß dem achten Aspekt der Erfindung wählt die Steuereinrichtung einen für den Laserausgang und für den Zustand des fokussierenden optischen Elements geeigneten Strahlmode.

Die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß dem neunten Aspekt der Erfindung wählt für jede der Strahlmoden eine Bearbeitungsbedingung entsprechend dem Material, der Plattendicke und der Bearbeitungsgeschwindigkeit.

Die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß dem zehnten Aspekt der Erfindung ändert zumindest eine der folgenden Bedingungen, nämlich die Brennposition, den Bearbeitungsgasdruck, die Düsenhöhe, den Laserausgang, die Impulsfrequenz und den Impuls-Tastzyklus entsprechend einer Änderung in dem Strahlmode.

Die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß dem elften Aspekt der Erfindung wählt für jede der Strahlmoden eine Bearbeitungsbedingung entsprechend des Materials, der Plattendicke und eines Bearbeitungsprofils.

Die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einem zwölften Aspekt der Erfindung ändert wenigstens eine der folgenden Bedingungen, nämlich die Bearbeitungsgeschwindigkeit, die Brennposition, den Bearbeitungsgasdrucks, die Düsenhöhe, den Laserausgangs, die Impulsfrequenz und den Impuls-Tastzyklus entsprechend einer Änderung in dem Strahlmode.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Unteransprüchen. Im folgenden wird die Erfindung anhand ihrer vorteilhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer Laserbearbeitungsvorrichtung einer Ausführungsform gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung;

Fig. 2 ein Ausgangs-Kennliniendiagramm, das die Bereiche von stabilen Bearbeitungsbedingungen in der Laserbearbeitungsvorrichtung der Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung zeigt;

Fig. 3 ein Fokussierungs-Kennliniendiagramm, welches die theoretische Berechnung von Änderungen bei der Fokussierungseigenschaft in einem TEM00-Mode und einem TEM01*-Mode bei der Laserbearbeitungsvorrichtung der Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung zeigt;

Fig. 4 ein Kennliniendiagramm, welches die theoretische Berechnung von Änderungen der Brennposition in einem TEM00-Mode und einem TEM01*-Mode in der Laserbearbeitungsvorrichtung der Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung zeigt;

Fig. 5 ein schematisches Diagramm einer Laserbearbeitungsvorrichtung einer Ausführungsform gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung;

Fig. 6 ein schematisches Diagramm einer Laserbearbeitungsvorrichtung einer Ausführungsform gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung;

Fig. 7 ein schematisches Diagramm einer Laserbearbeitungsvorrichtung einer Ausführungsform gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung;

Fig. 8 ein Flußdiagramm für eine Moden-Umschaltung in der Ausführungsform gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung;

Fig. 9 ein schematisches Diagramm einer Laserbearbeitungsvorrichtung einer Ausführungsform gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung;

Fig. 10 ein schematisches Diagramm eines Absorptions- Meßinstrumentes der in Fig. 9 gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung;

Fig. 11 ein Diagramm einer Temperaturänderungskurve eines teilweise reflektierenden Spiegels oder einer Sammellinse;

Fig. 12 ein Flußdiagramm zum Auswählen von Bearbeitungsbedingungen in der Ausführungsform gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung;

Fig. 13 ein schematisches Diagramm einer Laserbearbeitungsvorrichtung einer Ausführungsform gemäß einem sechsten Aspekt der Erfindung;

Fig. 14 ein Flußdiagramm zum Auswählen der Bearbeitungsbedingungen in der Ausführungsform gemäß dem sechsten Aspekt der Erfindung;

Fig. 15 ein schematisches Diagramm einer Laserbearbeitungsvorrichtung einer Ausführungsform gemäß der neunten, zehnten und zwölften Aspekte der Erfindung;

Fig. 16 ein Flußdiagramm zum Auswählen der Bearbeitungsbedingungen in der Ausführungsform gemäß dem neunten, zehnten und zwölften Aspekt der Erfindung;

Fig. 17 ein schematisches Diagramm einer Laserbearbeitungsvorrichtung einer Ausführungsform gemäß einem elften Aspekt der Erfindung;

Fig. 18 ein Flußdiagramm zum Auswählen der Bearbeitungsbedingungen in der Ausführungsform gemäß dem elften Aspekt der Erfindung;

Fig. 19 ein Diagramm einer herkömmlichen Laserbearbeitungsvorrichtung; und

Fig. 20(a), 20(b), 20(c), 20(d), 20(f) und 20(i) Diagramme einer Energieverteilung in Lasermoden, die von einem Laseroszillator erhalten werden.

Erste Ausführungsform

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Da in der Zeichnung die Bezugszeichen 1 bis 11 die gleichen Teile wie diejenigen des herkömmlichen Beispiels aus Fig. 19 bezeichnen, wird eine Beschreibung davon hier weggelassen. Die Bezugszeichen 12d, 12e und 12g bezeichnen Kabel, die die jeweiligen Einheiten verbinden und ein Bezugszeichen 15a bezeichnet eine Bestimmungseinrichtung, um die Umschaltung bzw. Änderung des Modes auf der Grundlage eines Ausgangs eines Oszillators 1, sowie er von der Überwachungseinrichtung 9 erfaßt wird, zu bestimmen. Der Betrieb ist außerdem der gleiche wie in dem herkömmlichen Beispiel, bis auf die Tatsache, daß die Umschaltung des Modes auf der Grundlage des Ausgangs des Oszillators bestimmt wird.

Nachstehend wird eine Beschreibung der Beziehung zwischen dem Mode und dem Ausgang durchgeführt. Fig. 2 zeigt ein Beispiel von Ergebnissen eines Experiments, bei dem Bereiche, die eine stabile kontinuierliche Bearbeitung erlauben untersucht wurden, als die Schneidbearbeitung einer Weichstahlplatte unter Verwendung einer Laserbearbeitungsvorrichtung (einschließlich eines von Mitsubishi Electric Corporation hergestellten Laseroszillators LM3016F2) implementiert wurde. In dieser Zeichnungsfigur ist auf der Abszisse der Laserausgang aufgetragen, während auf der Ordinate die Bearbeitungsgeschwindigkeit aufgetragen ist. In diesem Experiment wurde eine Untersuchung einer 12 mm dicken Platte aus gewalztem Stahl durchgeführt und ein Laseroszillator mit einem maximalen Laserausgang von 1600 W wurde verwendet. Zusätzlich betrug der Übertragungsabstand von dem teilweise reflektierenden Spiegel 10 des Laseroszillators 1 zu der Sammellinse 4 ungefähr 3 bis 5 m; für das Bearbeitungs- Unterstützungsgas wurde Sauerstoff verwendet; die Brennweite der Sammellinse betrug 7,5 Inch; und die Durchlässigkeit des teilweise reflektierenden Spiegels 10 betrug 70%. Wenn ungefähr 1300 W des Laserausgangs als ein Grenzpegel gesetzt wird, wurde als ein Ergebnis dieses Experiments augenscheinlich, daß sich der TEM00-Mode zur Bearbeitung in einem Bereich unterhalb dieses Pegels eignet, während sich der TEM01*-Mode zur Bearbeitung in einem Bereich oberhalb dieses Pegels eignet. Dabei waren die Werte der Absorbierbarkeit des teilweise reflektierenden Spiegels und der Sammellinse jeweils 0,2%.

Die Tatsache, daß sich die Bereiche der Bearbeitungsstabilität somit gemäß des Strahlmodes unterscheiden, kann durch die Verschlechterung der Fokussierungseigenschaft und der Bewegung der Brennposition berücksichtigt werden, die durch die thermischen Spannungen verursacht werden. Fig. 3 zeigt Ergebnisse von theoretischen Berechnungen von Veränderungen der Fokussierungseigenschaft, die durch thermische Spannungen in dem teilweise reflektierenden Spiegel 10 verursacht werden, in Bezug auf Änderungen in dem Laserausgang. Mit dem Anstieg des Laserausgangs wurden die in dem teilweise reflektierenden Spiegel und in der Sammellinse erzeugten Wärmemengen groß und der Effekt der thermischen Spannungen wurde groß. In Fig. 3 wurde ein M²-Wert als der Betrag verwendet, der die Strahlfokussierungseigenschaft darstellt (bezüglich M², sh. SPIE-The International Society for Optical Engineering, Vol. 1414 "Laser Beam Diagnostics" (1991)). Wenn die Fokussierungseigenschaft des durch die thermische Spannung unbeeinträchtigten Strahls in dem TEM00- Mode, der theoretisch die höchste Fokussierungseigenschaft vorsieht, hinsichtlich dieses Wertes gleich 1 ist, dann werden die Fokussierungseigenschaften in anderen Moden durch relative Werte dargestellt. Je größer der Wert ist, desto schlechter ist die Strahlfokussierungseigenschaft.

Wenn ein Vergleich zwischen dem M²-Wert des TEM00-Modes und des M²-Wertes des TEM01*-Modes durchgeführt wird, ist aus Fig. 3 ersichtlich, daß der M²-Wert des TEM00-Modes in einem Bereich, in dem der Laserausgang kleiner als P01 ist, das heißt in einem Bereich mit niedrigem Ausgang, kleiner als der M²-Wert des TEM01*-Modes ist und seine Fokussierungseigenschaft besser ist; wenn der Laserausgang jedoch P01 übersteigt, wird der M²-Wert des TEM01*-Modes geringer, was bedeutet, daß die Fokussierungseigenschaft des TEM01*-Modes besser als die Fokussierungseigenschaft des TEM00-Modes ist. Somit verändert sich die Strahlfokussierungseigenschaft, wenn die Absorption aufgrund des Effekts von thermischen Spannungen in den übertragenden optischen Elementen ansteigt und das Phänomen einer Umkehrung der Fokussierungseigenschaft tritt zwischen den Moden auf. Deshalb wird in dem Bereich, in dem der Laserausgang größer als P01 ist, eine bessere Fokussierungseigenschaft erhalten, falls der TEM01*-Mode anstelle des TEM00-Modes gewählt wird.

Jedoch folgt daraus nicht unbedingt, daß der optimale Strahlmode gewählt werden kann, wenn eine Auswahl von dem TEM00-Mode und dem TEM01*-Mode mit dem als eine Grenze in Fig. 3 eingestellten Wert von P01 durchgeführt wird. Beispielsweise ist der Wert von 1300 W in Fig. 2 ein Wert, der kleiner als der Wert von P01 in Fig. 3 ist. Dies ist dem folgenden Faktor zuzurechnen: die Eigenschaften in Fig. 3 sind die Werte im stationären Zustand. Bei der tatsächlichen Bearbeitung sind die in dem teilweise reflektierenden Spiegel und der Sammellinse erzeugten Wärmebeträge zu Beginn der Bearbeitung gleich Null. Mit Fortschreiten der Bearbeitung (mit Ablauf der Zeit) wird der Laserstrahl absorbiert, die Temperatur steigt an und der Betrieb durchläuft einen Übergang in den stationären Zustand. Diese zum Übergang in den stationären Zustand erforderliche Zeit wird durch die Wärmekapazität des teilweise reflektierenden Spiegels und der Sammellinse bestimmt. Beim Bearbeitungsbeginn ist der M²-Wert jedes jeweiligen Modes der Wert, bei dem der Laserausgang 0 W ist. Mit fortschreitender Bearbeitung wird der M²-Wert des jeweiligen Modes der Wert, der zu einer Zeit existiert, wenn der Laserausgang während der Bearbeitung (z. B. während eines Schneidens) erhalten wird (ein Wert für den stationären Zustand). Falls der Änderungsbetrag des M²-Wertes von dem Bearbeitungsbeginn bis zum stationären Zustand klein ist, wird während der kontinuierlichen Bearbeitung eine bessere Bearbeitungsstabilität erzielt. In dieser Hinsicht ist der Änderungsbetrag des M²-Wertes des TEM00-Modes größer als der Änderungsbetrag des M²-Wertes des TEM01*-Modes. Bei der Bearbeitung in dem TEM00-Mode ist nämlich die Änderung der Verschlechterung der Fokussierungseigenschaft zwischen einer frühen Periode des Startens und der Periode nach einer kontinuierlichen Bearbeitung groß. Da die Bearbeitungsbedingungen, die während der frühen Periode der Bearbeitung optimal waren, nach einer kontinuierlichen Bearbeitung aufhören optimal zu sein, ergibt sich eine fehlerhafte Bearbeitung. Deshalb ist der in Fig. 2 gezeigte Wert von 1300 W kleiner als der in Fig. 3 gezeigte Wert von P01.

Zusätzlich zeigt Fig. 4 Ergebnisse einer theoretischen Berechnung der Änderung der Position des Brennpunktes des Laserstrahls in Bezug auf die Änderung in dem in Fig. 2 gezeigten Laserausgang des Laseroszillators 1. Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß sich der Betrag der Bewegung der Brennposition des Laserstrahls aufgrund des Effekts von thermischen Spannungen verändert, wenn sich der Laserausgang verändert. Außerdem ist der Änderungsbetrag der Brennposition in dem TEM00-Mode größer als der Änderungsbetrag der Brennposition in dem TEM01*-Mode, was ferner die Tatsache erklärt, daß der Wert von 1300 W in Fig. 2 kleiner wird als der Wert von P01. Dementsprechend muß in einem Fall, bei dem eine Bearbeitung durch geeignete Verwendung des TEM00-Modes und des TEM01*-Modes bewirkt wird, der Laserausgangswert, der als ein Kriterium zum Umschalten des Strahlmodes dient, allgemein durch Berücksichtigung sowohl der Änderungsrate des M²-Wertes als auch der Änderung der Brennposition zusätzlich zu dem Wert von P01 bestimmt werden, außer in dem Fall einer Bearbeitung, bei der nur der Absolutwert der Fokussierungseigenschaft vorherrschend ist.

Indem ein Vergleich zwischen einerseits dem Laserausgangswert zum Umschalten des Strahlmodes, so wie er in der oben beschriebenen Weise bestimmt wird, und andererseits einem Laserausgangswert, der von der Steuereinrichtung vorgegeben wird oder einem erfaßten Wert eines Ausgangsdetektorsensors des Laseroszillators durchgeführt wird, kann eine Bestimmung durch die Bestimmungseinrichtung durchgeführt werden, ob der TEM00- Mode und der TEM01*-Mode gewählt werden soll und das Ergebnis wird angezeigt.

Zweite Ausführungsform

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform gemäß eines zweiten Aspekts der Erfindung. In dieser Ausführungsform bezeichnet ein Bezugszeichen 3 einen Detektor zum Erfassen einer Energieabsorption eines teilweise reflektierenden Spiegels 8 und ein Bezugszeichen 15b bezeichnet eine Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung einer Moden- Umschaltung auf der Grundlage des erfaßten Wertes des Detektors 13. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, daß der erfaßte Wert einer Absorption des teilweise reflektierenden Spiegels überwacht wird. Da das Produkt des Laserausgangs und der Wert der Absorption des teilweise reflektierenden Spiegels die in dem teilweise reflektierenden Spiegel erzeugte Wärmemenge ist, wird die Bestimmung zur Durchführung einer Umschaltung zwischen dem TEM00-Mode und dem TEM01*-Mode durch die Bestimmungseinrichtung 15b durchgeführt, indem dieser Wert als ein Parameter verwendet wird und das Ergebnis wird angezeigt.

Dritte Ausführungsform

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung. In dieser Ausführungsform bezeichnet ein Bezugszeichen 14 einen Detektor zur Erfassung der Energieabsorption der Sammellinse 4 und ein Bezugszeichen 15c bezeichnet eine Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung einer Mode-Umschaltung auf der Grundlage des erfaßten Wertes des Detektors 14. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform darin, daß der erfaßte Wert der Absorption der Sammellinse überwacht wird. Da das Produkt des Laserausgangs und der Wert der Absorption der Sammellinse die in der Sammellinse erzeugte Wärmemenge ist, wird die Bestimmung zur Durchführung einer Umschaltung zwischen dem TEM00-Mode und dem TEM01*-Mode durch die Bestimmungseinrichtung 15c durchgeführt, indem dieser Wert als ein Parameter verwendet wird und das Ergebnis wird angezeigt.

Vierte Ausführungsform

Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung. In der Zeichnung bezeichnet ein Bezugszeichen 16 eine Oszillator-Steuereinheit zum Senden eines Ausgangsbefehls an den Oszillator und zum Holen eines erfaßten Ausgangssignals davon; 17 eine Strahlmoden- Steuereinheit, die in sich Moden-Umschaltungsdaten und eine Bestimmungseinrichtung aufweist und zum Ausgeben eines Umschaltbefehls an die Strahlmoden-Umschalteinheit 10 vorgesehen ist; 18 eine Bearbeitungskopf-Steuereinheit zum Steuern der Linsenposition des Bearbeitungskopfes und des Gasdrucks; 19 eine Tisch-Steuereinheit zum Steuern der Bewegung eines Bearbeitungstisches, auf dem das Werkstück angebracht ist; und 20 eine zentrale Verarbeitungseinheit zum Steuern der Übertragung und des Empfangens von Signalen zwischen diesen Steuereinheiten. Ein Bezugszeichen 6 bezeichnet eine Steuereinrichtung, die aus den vorher erwähnten Steuereinheiten aufgebaut ist.

Nachstehend wird eine Beschreibung des Betriebs durchgeführt. Der Laseroszillator 1 gibt beim Empfang eines Ausgangsbefehls von der Oszillator-Steuereinheit 16 einen Laserstrahl aus. Dieser Ausgang wird durch die Ausgangs- Erfassungs-Überwachungseinrichtung 9 erfaßt und an die Strahlmoden-Steuereinheit 17 übertragen. Die Strahlmoden- Steuereinheit 17 vergleicht den Laserausgangswert mit den Moden-Umschaltdaten, die in ihr selbst gesetzt worden sind, bestimmt, ob der Mode hinsichtlich des Laserausgangs geeignet ist oder nicht und gibt, wenn erforderlich, einen Umschaltbefehl an die Strahlmoden-Umschalteinheit 10 aus. Das Flußdiagramm für die Automatiksteuerung während des Ausgebens in dem TEM00-Mode ist in Fig. 8 dargestellt.

Fünfte Ausführungsform

Nachstehend wird eine Beschreibung einer Ausführungsform gemäß der fünften und siebten Aspekte der Erfindung durchgeführt. Obwohl eine stabile Bearbeitung allgemein gemäß der vierten Ausführungsform durchgeführt werden kann, ist ein Anstieg der Wärmeabsorption des teilweise reflektierenden Spiegels wegen der Anbringung von Schmutz daran und wegen anderer Gründe, wenn die Laserbearbeitungsvorrichtung über lange Zeitperioden verwendet wird, unvermeidbar. Die thermische Spannung in dem teilweise reflektierenden Spiegel, die die Verschlechterung in der Fokussierungseigenschaft verursacht, hängt von dem inneren kalorischen Wert W (des teilweise reflektierenden Spiegels) = P × β (P ist ein Laserausgang, β ist eine Absorption) ab. Falls die Absorption β beispielsweise wegen der Anbringung von Verunreinigung auf der Oberfläche des teilweise reflektierenden Spiegels zunimmt, wenn die Laserbearbeitungsvorrichtung über lange Zeitperioden hinweg verwendet wird, ändert sich der Laserausgangswert, der als ein Kriterium für eine Moden-Umschaltung dient, wie oben im Zusammenhang mit den ersten und vierten Ausführungsformen beschrieben worden ist, wesentlich in Richtung auf die Seite eines niedrigen Ausgangs. In dieser Ausführungsform wird ein Verfahren zum genaueren Auswählen eines am besten geeigneten Modes ausgegeben, wenn eine derartige Laserbearbeitungsvorrichtung über lange Zeitperioden hinweg verwendet wird.

Der Aufbau der Vorrichtung ist in Fig. 9 gezeigt. Diese Vorrichtung unterscheidet sich von der Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung dadurch, daß der Detektor 13 zum Erfassen des Absorptionswertes auf dem teilweise reflektierenden Spiegel 8 vorgesehen ist und daß dieser Absorptionsdetektor eine Einrichtung ist, in der, wie in Fig. 10 gezeigt ist, ein Thermoelement an einem Kantenabschnitt des teilweise reflektierenden Spiegels 10 oder der Sammellinse 4 angebracht ist und daß die Absorption mittels des Grades seiner/ihrer Temperaturerhöhung dT/dt erfaßt wird. Fig. 11 ist ein Diagramm, welches die Temperaturänderungscharakteristik des mit diesem Detektor ausgerüsteten teilweise reflektierenden Spiegels oder der Sammellinse darstellt, wenn der Laser ein- und ausgeschaltet wird. Hierbei bezeichnet dT ein Temperaturinkrement und dt stellt ein Zeitinkrement dar. Von der Temperaturänderung, wie beispielsweise die in Fig. 11 gezeigte, kann die Absorption α aus der folgenden Formel bestimmt werden:

α = [m × C{(dT/dt)T1 - (dT/dt)T2} + h × S(T1 - T2)]/Pi

wobei:
M: die Masse;
C: die spezifische Wärme;
h: der Wärmeübergangskoeffizient;
S: die Oberfläche; und
Pi: der Laserausgang
ist.

Im folgenden wird eine Beschreibung des Betriebs durchgeführt. Ein Laserausgang, der von der Steuereinrichtung an den Laseroszillator vorgesehen wird und der erfaßt Wert einer Absorption des teilweise reflektierenden Spiegels werden überwacht. Da das Produkt des Laserausgangs und der Wert der Absorption des teilweise reflektierenden Spiegels die in dem teilweise reflektierenden Spiegel erzeugte Wärmemenge ist, wird eine Umschaltung zwischen dem TEM00-Mode und dem TEM01*-Mode unter Verwendung dieses Wertes als ein Parameter durchgeführt. Das heißt, wenn der Laserausgang von 1300 W bei einer Absorption von 0,2% derjenige Laserausgang zur Bewirkung einer Umschaltung zwischen dem TEM00-Mode und dem TEM01*-Mode ist, und wenn dann die Absorption auf 0,3% ansteigt, dann kann der Laserausgang zur Durchführung einer Umschaltung zwischen dem TEM00-Mode und dem TEM01*-Mode zu 1300/0,3_*0,2 = 870 W bestimmt werden. Ein Flußdiagramm für eine Modenumschaltung in einem Fall, bei dem der Laserstrahl in dem TEM00-Mode ausgegeben wird, ist in Fig. 12 gezeigt. Ein optimaler Strahlmode kann gewählt werden, indem der TEM00-Mode bei einem Laserausgang kleiner als der so bestimmte Schwellwert des Laserausgangs, dessen Mode umgeschaltet werden soll, gewählt wird, und indem der TEM01*-Mode bei einem Laserausgang größer als dieser Wert gewählt wird. Durch Durchführung eines Vergleichs zwischen einem wie oben bestimmten Laserausgangswert zum Umschalten des Strahlmodes einerseits und einem von der Steuereinrichtung vorgegebenen Laserausgangswert oder eines erfaßten Wertes des Ausgangsdetektorsensors des Laseroszillators andererseits wird durch die Strahlmoden- Steuereinheit eine Bestimmung durchgeführt, ob der TEM00- Mode und der TEM01*-Mode ausgewählt werden soll, um so automatisch die Moden-Umschalteinheit des Laseroszillators automatisch zu steuern, wodurch eine Umschaltung bewirkt wird.

Sechste Ausführungsform

Im folgenden wird eine Beschreibung einer Ausführungsform gemäß der sechsten und achten Aspekte der Erfindung durchgeführt. Obwohl eine stabile Bearbeitung allgemein gemäß der vierten und fünften Ausführungsformen ausgeführt werden kann, ist ein Anstieg der Wärmeabsorption der Sammellinse aufgrund der Anbringung von Schmutz daran und wegen anderer Gründe unvermeidbar, wenn die Laserbearbeitungsvorrichtung über lange Zeitperioden hinweg verwendet wird. Die thermische Spannung in der Sammellinse, die die Verschlechterung in der Fokussiereigenschaft bewirkt, hängt von dem inneren kalorischen Wert W (der Sammellinse) = P × β (P ist ein Laserausgang und β ist eine Absorption) ab. Wenn somit die Absorption β beispielsweise wegen der Anbringung von Verunreinigungen auf der Oberfläche der Sammellinse ansteigt, wenn die Laserbearbeitungsvorrichtung über lange Zeitperioden hinweg verwendet wird, ändert sich der Wert des Laserausgangs, der als ein Kriterium zum Zeitpunkt einer Modenumschaltung dient, was im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, wesentlich in Richtung der Seite mit niedrigem Ausgang. In dieser Ausführungsform wird eine Beschreibung eines Verfahrens zum genaueren Auswählen eines am besten geeigneten Modes ausgegeben, wenn eine derartige Laserbearbeitungsvorrichtung über lange Zeitperioden hinweg verwendet wird.

Der Aufbau der Vorrichtung ist in Fig. 13 dargestellt. Diese Vorrichtung unterscheidet sich von der Vorrichtung gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung, aber ist mit dieser identisch, mit der Ausnahme, daß der Detektor 14 zum Erfassen des Absorptionswertes auf der Sammellinse 4 vorgesehen ist. Nachstehend wird eine Beschreibung des Betriebs durchgeführt. Ein von der Steuereinrichtung an den Laseroszillator vorgegebener Laserausgang und ein erfaßter Wert des Detektors 12 zum Erfassen des Absorptionswertes der Sammellinse werden überwacht. Da das Produkt des Laserausgangs und des Absorptionswertes der Sammellinse die in der Sammellinse erzeugte Wärmemenge ist, wird eine Umschaltung zwischen dem TEM00-Mode und dem TEM01*-Mode unter Verwendung dieses Wertes als ein Parameter durchgeführt. Das bedeutet, wenn der Laserausgang von 1300 W bei einer Absorption von 0,2% derjenige Laserausgang zum Durchführen einer Umschaltung zwischen dem TEM00-Mode und dem TEM01*-Mode ist und wenn dann die Absorption auf 0,3% ansteigt, kann der Laserausgang zum Durchführen einer Umschaltung zwischen dem TEM00-Mode und dem TEM01*-Mode zu 1300/0,3_*0,2 = 870 W bestimmt werden.

Fig. 14 zeigt ein Flußdiagramm für einen Modenumschaltung für den Fall, bei dem der Laserstrahl in dem TEM00-Mode in der gleichen Weise wie in der fünften Ausführungsform ausgegeben wird. Ein optimaler Strahlmode kann gewählt werden, indem der TEM00-Mode bei einem Laserausgang unterhalb des so bestimmten Wertes des Laserausgangs, dessen Mode umgeschaltet werden soll, gewählt wird und indem der TEM01*-Mode bei einem Laserausgang größer als dieser Wert gewählt wird. Durch Durchführung eines Vergleichs zwischen dem Laserausgangswert, der wie oben beschrieben bestimmt wurde, zum Umschalten des Strahlmodes einerseits und ein Laserausgangswert, der von der Steuereinrichtung vorgegeben ist oder einem detektierten Wert des Ausgangsdetektorsensors des Laseroszillators andererseits durchgeführt, wird eine Bestimmung durch die Strahlmoden-Steuereinheit durchgeführt, ob der TEM00-Mode oder der TEM01*-Mode gewählt werden soll, um so automatisch die Moden-Umschalteinheit des Laseroszillators zu steuern, wodurch eine Umschaltung bewirkt wird.

Siebte Ausführungsform

Nachstehend wird eine Beschreibung einer Ausführungsform gemäß der siebten und achten Aspekte der Erfindung durchgeführt. Der Aufbau dieser Vorrichtung ist identisch mit einer Ausführungsform, in der die fünften und sechsten Ausführungsformen kombiniert sind. Wie in den fünften und sechsten Ausführungsformen gezeigt, sind Erhöhungen der Wärmeabsorptionen des teilweise reflektierenden Spiegels und der Sammellinse aufgrund der Anbringung von Schmutz daran und wegen anderer Gründe unvermeidbar, wenn die Laserbearbeitungsvorrichtung über lange Zeitperioden hinweg verwendet wird. In dieser siebten Ausführungsform wird dieser Aspekt berücksichtigt und die Absorptionsdetektoren sind sowohl an dem teilweise reflektierenden Spiegel als auch an der Sammellinse angebracht. In dieser Ausführungsform werden ein Laserausgangswert, der von der Steuereinrichtung an den Laseroszillator vorgegeben wird und erfaßte Werte von jeweiligen Absorptionen des teilweise reflektierenden Spiegels und der Sammellinse überwacht. Wie bereits beschrieben wurde, ist das Produkt des Laserausgangs und des Absorptionswertes die in jedem übertragenden optischen Element erzeugte Wärmemenge.

Bei der Bestimmung des Laserausgangswerts zur genaueren Durchführung einer Umschaltung zwischen dem TEM00-Mode und dem TEM01*-Mode ist es vorteilhaft, die Absorptionswerte des teilweise reflektierenden Spiegels und der Sammellinse zu berücksichtigen, wodurch ermöglicht wird, eine stabilere Bearbeitung zu realisieren. Ein optimaler Strahlmode kann gewählt werden, indem der TEM00-Mode bei einem Laserausgang kleiner als der so bestimmte Wert des Laserausgangs, dessen Mode umgeschaltet werden soll, gewählt wird und indem der TEM01*-Mode bei einem Laserausgang größer als dieser Wert gewählt wird. Durch Durchführung eines Vergleichs zwischen einem Laserausgangswert, der wie oben beschrieben zur Umschaltung des Strahlmodes einerseits und einem von der Steureinrichtung vorgebenen Laserausgangswert oder eines erfaßten Wertes des Ausgangserfassungssensors des Laseroszillators andererseits, wird durch die Strahlmoden- Steuereinheit eine Bestimmung durchgeführt, ob der TEM00- Mode oder der TEM01*-Mode gewählt werden soll, um so automatisch die Moden-Umschalteinheit des Laseroszillators zu steuern, wodurch eine Umschaltung bewirkt wird.

Obwohl in den oben beschriebenen Ausführungsformen eine Beschreibung eines Beispiels durchgeführt wurde, bei dem der Mode zwischen dem TEM00-Mode und dem TEM01*-Mode umgeschaltet wird, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann der Mode zwischen dem TEM01*-Mode und dem TEM10-Mode umgeschaltet werden und ein ähnlicher Effekt wird bei der Umschaltung zwischen anderen Strahlmoden erzielt.

Achte Ausführungsform

Unter Bezugnahme auf Fig. 15 wird nachstehend eine Beschreibung einer Ausführungsform gemäß der neunten, zehnten und zwölften Aspekte der Erfindung durchgeführt. In Fig. 15 bezeichnet ein Bezugszeichen 22 eine Eingangseinheit, die sich in der Steuereinrichtung befindet und eine Datenspeichereinheit aufweist. In der Speichereinheit dieser Steuereinrichtung sind Bearbeitungsbedingungen gespeichert, wie beispielsweise die Brennposition, der Druck des Bearbeitungsgases, die Düsenhöhe, der Laserausgang, die Form des Laseroszillationsausgangs (ein Dauerstrichbetrieb oder ein Impulsbetrieb), die Impulsfrequenz, das Impulstastverhältnis, etc. und zwar in Abhängigkeit von den Parametern des Materials, der Plattendicke und der Bearbeitungsgeschwindigkeit des Werkstückes. Wenn der Benutzer diese Parameter wählt, wird eine Bearbeitung mit Bearbeitungsbedingungen durchgeführt, die diesen Parametern entsprechen. Sogar wenn das Material, die Plattendicke und die Bearbeitungsgeschwindigkeit die gleichen sind, unterscheiden sich allerdings die optimalen Bearbeitungsbedingungen, wenn der Strahlmode unterschiedlich ist. Zusätzlich zu dem Material, der Plattendicke und der Bearbeitungsgeschwindigkeit werden in dieser Ausführungsform Bearbeitungsbedingungen entsprechend zu den Strahlmoden vorher in der Speichereinheit der Steuereinrichtung eingestellt und die vorher erwähnten Bearbeitungsbedingungen werden aus der Speichereinheit entsprechend einer Strahlmoden-Umschaltung ausgelesen, um so die Laserbearbeitungsvorrichtung zu steuern.

Durch Verwendung der oben beschriebenen Anordnung wird es möglich, bei optimalen Bedingungen eine Bearbeitung durchzuführen, ohne daß diese durch eine Änderung der Bedingungen, die von der Strahlmoden-Umschaltung während der Bearbeitung herrührt, beeinflußt wird. Ein Flußdiagramm dieses Falles ist beispielhaft in Fig. 16 dargestellt. In der Zeichnung sind Fälle vorhanden, bei denen die in den Fig. 8, 12 und 14 gezeigten Flußdiagramme in A eingefügt sind und wenn die Modenumschaltung in dieser Abarbeitung auftritt, kehrt der Betrieb nach B zurück und Bearbeitungsbedingungen werden wieder gewählt. Zusätzlich wird die Anzahl der Moden-Auswahlvorgänge durch die Anzahl von Moden bestimmt, die in dem verwendeten Laseroszillator bereitgestellt sind.

Neunte Ausführungsform

Unter Bezugnahme auf Fig. 17 wird nachstehend eine Beschreibung einer neunten Ausführungsform gemäß dem elften Aspekt der Erfindung durchgeführt. Obwohl es sich bei der achten Ausführungsform um ein Beispiel eines Bearbeitungssystems handelt, bei dem der Benutzer das Material, die Plattendicke und die Bearbeitungsgeschwindigkeit wählt, sind in den vergangenen Jahren viele Bearbeitungsvorrichtungen verwendet worden, bei denen die Bearbeitungsgeschwindigkeit für jeden Bearbeitungsabschnitt durch die Steuereinrichtung automatisch eingestellt wird, sobald das Material, die Plattendicke und das Bearbeitungsprofil bestimmt sind. Beispielsweise wird hinsichtlich eines geradlinigen Abschnitts eine Bearbeitung mit der höchsten Bearbeitungsgeschwindigkeit entsprechend ihres Materials und ihrer Plattendicke durchgeführt, während hinsichtlich eines Eckabschnitts oder eines feinen Profilabschnitts eine Bearbeitung bei einer niedrigen Geschwindigkeit ausgeführt wird. In diesem Fall wird die Bearbeitungsgeschwindigkeit eine Bearbeitungsbedingung, die vorher in der Steuereinrichtung gespeichert wird. Auch in dieser Ausführungsform verändern sich die Bearbeitungsbedingungen entsprechend dem Strahlmode, wie in der achten Ausführungsform beschrieben. Dementsprechend werden zusätzlich zu dem Material, der Plattendicke und der Bearbeitungsgeschwindigkeit Bearbeitungsbedingungen entsprechend der Strahlmoden vorher in der Speichereinheit der Steuereinrichtung eingestellt und die vorher erwähnten Bearbeitungsbedingungen werden entsprechend einer Strahlmoden-Umschaltung aus der Speichereinheit ausgelesen, um so die Laserbearbeitungsvorrichtung zu steuern. Somit wird es möglich, unter optimalen Bedingungen eine Bearbeitung durchzuführen, ohne daß diese durch eine Änderung von Bedingungen beeinflußt wird, die die Strahlmoden-Umschaltung während einer Bearbeitung begleitet. Ein Flußdiagramm dieses Falles ist beispielhaft in Fig. 18 gezeigt. Da A und B in der Zeichnung die gleichen Punkte sind wie in Fig. 16, wird deren Beschreibung weggelassen. Im Gegensatz zur achten Ausführungsform wird es in der neunten Ausführungsform möglich, optimale Bedingungen auszuwählen, und zwar nicht nur entsprechend der Modenänderung, sondern auch entsprechend eines Profilabschnitts, der tatsächlich gerade bearbeitet wird.

Vorteile der Erfindung

Wie oben beschrieben, kann gemäß der Erfindung ein für die Laserbearbeitung optimal geeigneter Laserstrahlmode entsprechend sowohl einer Änderung in dem Ausgang des Laseroszillators als auch einer Änderung in dem Zustand des teilweise reflektierenden Spiegels und der Sammellinse gewählt werden, so daß der Vorteil darin besteht, daß es möglich wird, eine Vorrichtung mit hervorragender Bearbeitungsstabilität bezüglich verschiedener Laserbearbeitungen oder Betriebsvorgängen zu erzielen.

Da optimale Bearbeitungsbedingungen des Werkstückes für jeden Strahlmode eingestellt werden können, ergibt dies außerdem den außerordentlichen Vorteil, daß eine Bearbeitung immer auf einer stabilen Basis hinsichtlich einer Änderung des Strahlmodes während der Bearbeitung durchgeführt werden kann.

Claims

1. Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem Laseroszillator (1), einer Steuereinrichtung (6) für den Laseroszillator (1), einer Einrichtung (9) zum Erfassen eines Ausgangs des Laseroszillators (1) und einer Einrichtung (10) zum Ändern eines Strahlmodes (TEM00, TEM01*) eines von dem Laseroszillator (1) abgegebenen Laserstrahls (2); wobei die Laserbearbeitungsvorrichtung umfaßt: eine Bestimmungseinrichtung (15a) zum Bestimmen einer Moden- Umschaltung entsprechend des durch die Erfassungseinrichtung (9) erfaßten Ausgangs des Laseroszillators (1).

2. Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem Laseroszillator (1), einer Steuereinrichtung (6) für den Laseroszillator (1), einer Einrichtung (9) zum Erfassen eines Ausgangs des Laseroszillators (1) und eine Einrichtung (10) zum Ändern eines Strahlmodes (TEM00, TEM01*) eines von dem Laseroszillator (1) abgegebenen Laserstrahls (2); wobei die Laserbearbeitungsvorrichtung umfaßt: eine Einrichtung (13) zum Erfassen einer Absorption eines teilweise reflektierenden Spiegels (8) des Oszillators (1); und eine Bestimmungseinrichtung (15b) zum Bestimmen einer Moden-Umschaltung entsprechend der durch die Bestimmungseinrichtung (15b) bestimmten Absorption des teilweise reflektierenden Spiegels (8).

3. Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem Laseroszillator (1), einer Steuereinrichtung (6) für den Laseroszillator (1), einer Einrichtung (9) zum Erfassen eines Ausgangs des Laseroszillators (1), eine Einrichtung zum Ändern eines Strahlmodes (TEM00, TEM01*) eines von dem Laseroszillator (1) abgegebenen Laserstrahls (2), und einem fokussierenden optischen Element (4) zur Fokussierung des Laserstrahls (2), wobei die Laserbearbeitungsvorrichtung umfaßt: eine Einrichtung (14) zum Erfassen einer Absorption des fokussierenden optischen Elements (4); und eine Bestimmungseinrichtung (15c) zur Bestimmung einer Moden-Umschaltung entsprechend der durch die Erfassungseinrichtung (14) erfaßten Absorption des fokussierenden optischen Elements (4).

4. Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem Laseroszillator (1), einer Steuereinrichtung (6) für den Laseroszillator (1), einer Einrichtung (9) zum Erfassen eines Ausgangs des Laseroszillators (1) und eine Einrichtung (10) zum Ändern eines Strahlmodes (TEM00, TEM01*) eines von dem Laseroszillator (1) ausgegebenen Laserstrahls (2), wobei die Steuereinrichtung (6) eine Strahlmoden-Steuereinheit (17) zur Steuerung des Strahlmodes (TEM00, TEM01*) entsprechend des Ausgangs des Laseroszillators (1) aufweist.

5. Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem Laseroszillator (1), einer Steuereinrichtung (6) für den Laseroszillator (1), einer Einrichtung (9) zum Erfassen eines Ausgangs des Laseroszillators (1) und einer Einrichtung (10) zum Ändern eines Strahlmodes (TEM00, TEM01*) eines von dem Laseroszillator (1) abgegebenen Laserstrahls (2), wobei der Oszillator (1) eine Einrichtung (13) zur Erfassung einer Absorption eines teilweise reflektierenden Spiegels (8) des Oszillators (1) aufweist und die Steuereinrichtung (6) eine Strahlmoden-Steuereinheit (17) zur Steuerung des Strahlmodes (TEM00, TEM01*) entsprechend der Absorption des von der Absorptions-Erfassungseinrichtung (13) erfaßten Absorption des teilweise reflektierenden Spiegels (8) aufweist.

6. Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem Laseroszillator (1), einer Steuereinrichtung (6) für den Laseroszillator (1), einer Einrichtung (9) zum Erfassen eines Ausgangs des Laseroszillators (1), einer Einrichtung (10) zur Änderung eines Strahlmodes (TEM00, TEM01*) eines von dem Laseroszillator (1) abgegebenen Laserstrahls (2) und einem fokussierenden optischen Element (4) zur Fokussierung des Laserstrahls (2), wobei das fokussierende optische Element (4) eine Absorptions-Erfassungseinrichtung (14) aufweist, und die Steuereinrichtung (6) eine Strahlmoden- Steuereinheit (17) zur Steuerung des Strahlmoden (TEM00, TEM01*) entsprechend der von der Absorptionserfassungseinrichtung (14) erfaßten Absorption des fokussierenden optischen Elements (4) aufweist.

7. Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem Laseroszillator (1), einer Steuereinrichtung (6) für den Laseroszillator (1), einer Einrichtung (9) zum Erfassen eines Ausgangs des Laseroszillators (1) und einer Einrichtung (10) zum Ändern eines Strahlmodes (TEM00, TEM01*) eines von dem Laseroszillator (1) abgegebenen Laserstrahls (2), wobei der Oszillator (1) eine Einrichtung (13) zur Erfassung einer Absorption eines den Oszillator (1) bildenden teilweise reflektierenden Spiegels (8) aufweist und die Steuereinrichtung (6) eine Strahlmoden-Steuereinheit (17) zur Steuerung des Strahlmodes (TEM00, TEM01*) entsprechend der von der Absorptions-Erfassungseinrichtung (13) erfaßten Absorption des teilweise reflektierenden Spiegels (8) und entsprechend dem von der Ausgangserfassungseinrichtung (9) erfaßten Ausgangs des Laseroszillators (1) aufweist.

8. Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem Laseroszillator (1), einer Steuereinrichtung (6) für den Laseroszillator (1), einer Einrichtung (9) zum Erfassen eines Ausgangs des Laseroszillators (1), einer Einrichtung (10) zur Änderung eines Strahlmodes (TEM00, TEM01*) eines von dem Laseroszillator (1) abgegebenen Laserstrahls (2) von einem ersten Strahlmode (TEM00) auf wenigstens einen zweiten Strahlmode (TEM01*) und einem fokussierenden optischen Element (4) zur Fokussierung des Laserstrahls (2), wobei das fokussierende optische Element (4) eine Absorptions- Erfassungseinrichtung (14) aufweist und die Steuereinrichtung (6) eine Strahlmoden-Steuereinheit (17) zur Steuerung des Strahlmodes (TEM00, TEM01*) entsprechend der von der Absorptions- Erfassungseinrichtung (14) erfaßten Absorption des fokussierenden optischen Elements (14) und entsprechend des von der Ausgangserfassungseinrichtung (9) erfaßten Ausgangs des Laseroszillators (1) aufweist.

9. Laserbearbeitungsvorrichtung umfassend einen Laseroszillator (1), einen Bearbeitungstisch (5), eine Steuereinrichtung (6) zur Steuerung des Laseroszillators (1) und des Bearbeitungstisches (5), eine Einrichtung (9) zur Erfassung eines Ausgangs des Laseroszillators (1) und eine Einrichtung (10) zum Ändern eines Strahlmodes (TEM00, TEM01*) eines von dem Laseroszillator (1) abgebebenen Laserstrahls (2) von einem ersten Strahlmode (TEM00) auf wenigstens einen zweiten Strahlmode (TEM01*), wobei die Steuereinrichtung (6) eine Bearbeitungsbedingungs- Einstelleinheit (22) aufweist, um für jede der ersten und zweiten Strahlmoden (TEM00, TEM01*) eine Bearbeitungsbedingung entsprechend einem Material, einer Plattendicke und einer Bearbeitungsgeschwindigkeit eines durch die Vorrichtung zu bearbeitenden Werkstückes (11) einzustellen.

10. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (16) eine Bearbeitungsbedingungs- Einstelleinheit (22) aufweist, um eine Bearbeitungsbedingung für jeden der ersten und zweiten Strahlmoden (TEM00, TEM01*) einzustellen und die Bearbeitungsbedingungs-Einstelleinheit (22) eine Einrichtung umfaßt, um wenigstens eine der folgenden Bedingungen, nämlich eine Brennposition, einen Druck eines Bearbeitungsgases, eine Düsenhöhe, einen Laserausgang, eine Impulsfrequenz und einen Impuls- Tastzyklus einzustellen.

11. Laserbearbeitungsvorrichtung umfassend einen Laseroszillator (1), einen Bearbeitungstisch (5), eine Steuereinrichtung (6) zur Steuerung des Laseroszillators (1) und des Bearbeitungstisches (5), eine Einrichtung (9) zum Erfassen eines Ausgangs des Laseroszillators (1) und eine Einrichtung (10) zum Ändern eines Strahlmodes (TEM00, TEM01*) eines von dem Laseroszillator (1) abgegebenen Laserstrahls (2) von einem ersten Strahlmode (TEM00) auf wenigstens einen zweiten Strahlmode (TEM01*), wobei die Steuereinrichtung (6) eine Bearbeitungsbedingungs- Einstelleinheit (22) aufweist, um für jeden der ersten und zweiten Strahlmoden (TEM00, TEM01*) eine Bearbeitungsbedingung entsprechend einem Material, einer Plattendicke und eines Bearbeitungsprofils eines durch die Vorrichtung zu bearbeitenden Werkstücks (11) einzustellen.

12. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (6) eine Bearbeitungsbedingungs- Einstelleinheit (22) aufweist, um eine Bearbeitungsbedingung für jede der ersten und zweiten Strahlmoden (TEM00, TEM01*) einzustellen, und die Bearbeitungsbedingungs-Einstelleinheit eine Einheit aufweist, um wenigstens eine der folgenden Bedingungen, nämlich eine Bearbeitungsgeschwindigkeit, eine Brennposition, einen Bearbeitungsgasdruck, eine Düsenhöhe, einen Laserausgang, eine Impulsfrequenz und einen im Impuls-Tastzyklus einzustellen.