DE4401597C2

DE4401597C2 - Laserbearbeitungsvorrichtung mit Strahlmoden-Steuerung

Info

Publication number: DE4401597C2
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: 1999-06-17
Anticipated expiration: 2014-01-21
Also published as: DE4401597A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 oder des Patentanspruchs 3.

Derartige Laserbearbeitungsvorrichtungen sind bekannt aus einer Veröffentlichung von M. Hashii u. a. mit dem Titel "High-performance compact 5 kW CO₂ laser for industrial use", erschienen in "Proceedings of the 6th International Congress on Applications of Lasers and Electro-optics ICALEO '87", 1987, Seiten 109 bis 115.

Bei der Laserbearbeitung, insbesondere beim Laserschneiden, wird als eine Bedingung zur Erreichung hoher Genauigkeit ein Strahl mit einer guten Fokussierungscharakteristik bzw. mit guten 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 die Ordnung des Mode ist, desto höher ist 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 dargestellt.

Fig. 19 der beigefügten Zeichnungen zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel einer herkömmlichen Bearbeitungsvorrichtung. Darin 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 durch eine Öffnung an einem unteren Ende des Bearbeitungskopfes 3 zusammen mit dem Laserstrahl 2 gleichzeitig ein Stützgas für die Bearbeitung (nachfolgende auch Unterstützungsgas genannt) eingeleitet. Dabei bilden zum Zeitpunkt der Bearbeitung die Positionsbeziehung zwischen dem Brennpunkt des Laserstrahls und dem Werkstück 11 (das heißt die Fokussierposition), der Druck des Hilfs- bzw. Unterstützungsgases und die Düsenhöhe (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 Fokussierposition bzw. Brennpunktposition, der Druck des Bearbeitungsgases, die Düsenhöhe, der Laserausgang, die Form des Laseroszillationsausgangs (Dauerbetrieb oder Impulsbetrieb), die Impulsfrequenz und der Impulstastzyklus bzw. das Impulstastverhältnis. Entsprechend dem Material des Werkstücks 11, der Plattendicke, der Bearbeitungs-(Schneid)- Geschwindigkeit und des Bearbeitungs-(Schneid)-Profils werden jeweils 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 Hindurchdringen des Laserstrahls durch das Werkstück 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 frühzeitigen Schneidperiode erreicht werden, aber eine fehlerhafte Bearbeitung kann mit Fortschreiten der Schneidoperation allmählich auftreten.

Es wurde festgestellt, daß diese Erscheinung durch die Tatsache verursacht wird, daß die übertragenden optischen 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 Ansammlung von Verunreinigungen auf den Oberflächen der übertragenden optischen Elemente groß wird, wird die in den übertragenden optischen Elementen erzeugte Wärmemenge noch größer und die Verschlechterung der Strahlfokussierungseigenschaft aufgrund der thermischen Spannung wird noch ausgeprägter.

Bei der kontinuierlichen Bearbeitung (z. B. beim Schneiden) ist der Temperaturanstieg der übertragenden optischen Elemente in einer frühzeitigen Periode der Bearbeitung gering und der Effekt einer thermischen Spannung dementsprechend ebenfalls gering. Jedoch steigt mit fortschreitender Bearbeitungsdauer die Temperatur der übertragenden optischen Elemente an und die Verschlechterung der Strahlfokussierungseigenschaften und die Bewegung der Position des Brennpunktes nimmt zu, 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 Fokussier- oder Brennpunktposition 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, aufgrund der Tatsache verwendet, daß eine Ausgangsleistung sichergestellt werden kann, während ein Mode höherer Ordnung, der die Ausgangsleistung leicht erhöhen kann, für Bearbeitungsvorgänge, die eine hohe Ausgangsleistung 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.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserbearbeitungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 oder nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3 zu schaffen, die es ermöglicht, die von dem Laseroszillator erzeugte Energie mit hohem Wirkungsgrad auf das Werkstück aufzustrahlen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 3 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den diesen Patentansprüchen jeweils nachgeordneten Unteransprüchen.

Bei den erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtungen können die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden.

Vorzugsweise kann eine Laserbearbeitungsvorrichtung (z. B. eine Laserschneidevorrichtung) vorgesehen werden, bei welcher die Absorption von Energie des Laserstrahls durch ein optisches Element durch Erfassen einer Fokussierungseigenschaft eines jeweiligen optischen Elements erfaßt werden kann.

Gemäß einem weiteren Aspekt 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 weiteren Aspekt 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 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 weiteren Aspekt 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 weiteren Aspekt 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 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 weiteren Aspekt 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 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 weiteren Aspekt 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 Ändern 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 weiteren Aspekt 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 weiteren Aspekt 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 Ändern 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 weiteren Aspekt 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.

Die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtung ermöglicht die Wahl eines für einen Laserausgang geeigneten Strahlmodes.

Die Auswahl des jeweils geeigneten Strahlmodes kann entsprechend dem Zustand eines fokussierenden optischen Elements, eines teilweise reflektierenden Spiegels, eines für den Zustand des fokussierenden optischen Elements geeigneten erfolgen und/oder entsprechend der Ausgangsleistung des Laseroszillators oder entsprechend dem Material des Werkstücks, der Plattendicke, des Bearbeitungsprofils und/oder der Bearbeitungsgeschwindigkeit.

Ferner können für jeden Strahlmode Arbeitsbedingungen wie z. B. Fokussier- oder Brennpunktposition, Bearbeitungsgasdruck, Düsenhöhe, Impulsfrequenz und/oder Impuls-Tastzyklus bzw. Tastverhältnis angepaßt oder geändert werden, vorzugsweise Die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß dem elften Aspekt der Erfindung wählt für jede der Strahlmoden eine Bearbeitungsbedingung entsprechend des Materials, der Plattendicke und eines Bearbeitungsprofils.

Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsvorrichtung einer Ausführungsform der Erfindung gemäß einem ersten Aspekt;

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

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsvorrichtung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt;

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsvorrichtung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gemäß einem dritten Aspekt;

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

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

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsvorrichtung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gemäß einem fünften Aspekt;

Fig. 10 eine schematische Darstellung 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;

Fig. 13 ein schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsvorrichtung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gemäß einem sechsten Aspekt der Erfindung;

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

Fig. 15 eine schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsvorrichtung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gemäß neunter, zehnter und zwölfter Aspekte;

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

Fig. 17 eine schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsvorrichtung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gemäß einem elften Aspekt;

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

Fig. 19 eine Darstellung 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 der Erfindung gemäß dem ersten Aspekt. 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 folgt eine Beschreibung der Beziehung zwischen dem Mode und dem Ausgang. Fig. 2 zeigt ein Beispiel von Ergebnissen eines Experiments, bei dem Bereiche, die eine stabile kontinuierliche Bearbeitung erlauben, untersucht wurden, z. B. die Schneidbearbeitung einer Weichstahlplatte unter Verwendung einer Laserbearbeitungsvorrichtung (einschließlich eines unter der Handelsbezeichnung "LM3016F23" bekannten Laseroszillators). In Fig. 2 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 es wurde ein Laseroszillator mit einer maximalen Laserausgangsleistung von 1600 W verwendet. Dabei betrug der Übertragungsabstand von dem teilweise reflektierenden Spiegel 10 des Laseroszillators 1 zu der Sammellinse 4 ungefähr 3 bis 5 m; als Bearbeitungs-Unterstützungsgas wurde Sauerstoff verwendet; die Brennweite der Sammellinse betrug 190,5 mm (7,5 Inch); und die Durchlässigkeit des teilweise reflektierenden Spiegels 10 betrug 70%. Wenn ungefähr 1300 W der Laserausgangsleistung 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 des Absorptionsvermögens des teilweise reflektierenden Spiegels und der Sammellinse jeweils 0,2%.

Die Tatsache, daß sich die Bereiche der Bearbeitungsstabilität somit entsprechend dem verwendeten Strahlmode unterscheiden, eine Verschlechterung der Fokussierungseigenschaft und die Bewegung der Fokussier- oder Brennpunktposition bedingen, 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 der Laserausgangsleistung 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 des Wertes M² wird auf die Veröffentlichung SPIE - The International Society for Optical Engineering, Vol. 1414 "Laser Beam Diagnostics" (1991) verwiesen. 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 dem M²-Wert des TEM01*-Modes durchgeführt wird, ist aus Fig. 3 ersichtlich, daß der M²-Wert des TEM00-Modes in einem Bereich, in dem die Laserausgangsleistung kleiner als P01 ist, das heißt in einem Bereich mit niedriger Ausgangsleistung, kleiner als der M²-Wert des TEM01*-Modes ist und seine Fokussierungseigenschaft zunimmt. Wenn die Laserausgangsleistung 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 die Laserausgangsleistung 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 Sachverhalt 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 zunehmender Zeitdauer) 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 die Laserausgangsleistung 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 Schneidvorgangs) 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 anfänglichen Zeitdauer, also nach dem Starten der Bearbeitung, und der Periode nach einer kontinuierlichen Bearbeitung groß. Da die Bearbeitungsbedingungen, die während der anfänglichen 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 Fokussier- oder Brennpunktposition des Laserstrahls aufgrund des Effekts von thermischen Spannungen verändert, wenn sich der Laserausgang verändert. Außerdem ist der Änderungsbetrag der Fokussier- oder Brennpunktposition in dem TEM00-Mode größer als der Änderungsbetrag der Fokussier- oder Brennpunktposition 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, in 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 Fokussier- oder Brennpunktposition 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 13 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 Empfangen 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 Empfangs von Signalen zwischen diesen Steuereinheiten. Ein Bezugszeichen 6 bezeichnet eine Steuereinrichtung, die aus den vorher erwähnten Steuereinheiten aufgebaut ist.

Nachstehend wird der Betrieb dieser Vorrichtung beschrieben. Der Laseroszillator 1 sendet 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 automatische Steuerung während des Ausgebens in dem TEM00-Mode ist in Fig. 8 dargestellt.

FÜNFTE AUSFÜHRUNGSFORM

Nachstehend wird eine Ausführungsform gemäß der fünften und siebten Aspekte der Erfindung beschrieben. Obwohl eine stabile Bearbeitung gemäß der vierten Ausführungsform im allgemeinen durchgeführt werden kann, ist ein Anstieg der Wärmeabsorption des teilweise reflektierenden Spiegels wegen der Ablagerung 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 ab, d. h. von dem Wert W = P x β (P ist eine Laserausgangsleistung, β ist eine Absorptionsgröße). Falls die Absorption β beispielsweise wegen der Ablagerung 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 Ausgangswertes. 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, beispielsweise in der Darstellung gemäß Fig. 11, 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. Eine Laserausgangsenergie, die von der Steuereinrichtung an den Laseroszillator übermittelt wird und der erfaßt Wert einer Absorption des teilweise reflektierenden Spiegels werden überwacht. Da das Produkt der Laserausgangsenergie und der Wert der Absorption des teilweise reflektierenden Spiegels die in dem teilweise reflektierenden Spiegel erzeugte Wärmemenge ist, wird unter Verwendung dieses Wertes als einem Parameter eine Umschaltung zwischen dem TEM00-Mode und dem TEM01*-Mode durchgeführt. Das heißt, wenn die Laserausgangsleistung von 1300 W bei einer Absorption von 0,2% diejenige Laserausgangsleistung zur Bewirkung einer Umschaltung zwischen dem TEM00-Mode und dem TEM01*-Mode ist, und wenn dann die Absorption auf 0,3% ansteigt, dann kann die Laserausgangsleistung 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 ausgesendet wird, ist in Fig. 12 gezeigt. Ein optimaler Strahlmode kann gewählt werden, indem der TEM00-Mode bei einer Laserausgangsleistung kleiner als dem so bestimmten Schwellwert der Laserausgangsleistung, deren Mode umgeschaltet werden soll, gewählt wird, und indem der TEM01*-Mode bei einer Laserausgangsleistung größer als diesem Wert gewählt wird. Durch Durchführung eines Vergleichs zwischen einem wie oben bestimmten Laserausgangswert zum Umschalten des Strahlmodes einerseits und einem von der Steuereinrichtung vorgegebenen Laserausgangwert oder eines erfaßten Wertes des Ausgangsdetektorsensors des Laseroszillators andererseits wird durch die Strahlmoden-Steuereinheit eine Bestimmung durchgeführt, ob der TEM00-Mode und/oder 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 Anlagerung 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 entsprechend der Formel W = P × β (P ist ein Laserausgangswert und β ist ein Absorptionswert) ab. Wenn somit die Absorption β beispielsweise wegen der Anlagerung von Verunreinigungen auf der Oberfläche der Sammellinse ansteigt, wenn die Laserbearbeitungsvorrichtung über lange Zeitperioden hinweg verwendet wird, ändert sich der Wert des Laserausgangswertes, der als ein Kriterium zum Zeitpunkt einer Modenumschaltung dient, was im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, wesentlich in Richtung der Seite mit niedrigerem Ausgangswert. In dieser Ausführungsform wird ein Verfahren zum genaueren Auswählen eines am besten geeigneten Modes angegeben, wenn eine derartige Laserbearbeitungsvorrichtung über lange Zeitperioden hinweg verwendet wird.

Der Aufbau der Vorrichtung ist in Fig. 13 dargestellt. Diese Vorrichtung unterscheidet sich etwas von der Vorrichtung gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung. Sie ist mit dieser identisch, mit der Ausnahme, daß der Detektor 14 zum Erfassen des Absorptionswertes auf der Sammellinse 4 vorgesehen ist. Nachstehend wird der Betrieb dieser Vorrichtung beschrieben. Ein von der Steuereinrichtung an den Laseroszillator vorgegebener Laserausgangswert und ein erfaßter Wert des Detektors 14 zum Erfassen des Absorptionswertes der Sammellinse werden überwacht. Da das Produkt des Laserausgangswertes 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 einem Parameter durchgeführt. Das bedeutet, wenn der Laserausgangswert von 1300 W bei einer Absorption von 0,2% derjenige Laserausgangswert zum Durchführen einer Umschaltung zwischen dem TEM00-Mode und dem TEM01*-Mode ist und wenn dann die Absorption auf 0,3% ansteigt, kann der Laserausgangswert 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 eine Modenumschaltung für den Fall, in dem der Laserstrahl in dem TEM00-Mode in der gleichen Weise wie in der fünften Ausführungsform ausgesendet wird. Ein optimaler Strahlmode kann gewählt werden, indem der TEM00-Mode bei einem Laserausgangswert unterhalb des so bestimmten Wertes des Laserausgangswertes, dessen Mode umgeschaltet werden soll, gewählt wird und indem der TEM01*-Mode bei einem Laserausgangswert größer als diesem Wert gewählt wird. Durch Durchführung eines Vergleichs zwischen dem Laserausgangswert, der wie oben beschrieben zum Umschalten des Strahlmodes bestimmt wurde, einerseits und einem Laserausgangswert, der von der Steuereinrichtung vorgegeben ist, oder einem detektierten Wert des Ausgangsdetektorsensors des Laseroszillators andererseits wird durch die Strahlmoden-Steuereinheit bestimmt, 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 Anlagerung 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 Laserausgangswertes 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 TEMO1*-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 dem so bestimmten Wert des Laserausgangswertes, dessen Mode umgeschaltet werden soll, gewählt wird und indem der TEM01*-Mode bei einem Laserausgangswert größer als diesem 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 Fokussier- oder Brennpunktposition, der Druck des Bearbeitungsgases, die Düsenhöhe, der Laserausgangswert, die Form des Laseroszillationsausgangs (ein Dauerstrichbetrieb oder ein Impulsbetrieb), die Impulsfrequenz, das Impulstastverhältnis, etc. und zwar in Abhängigkeit von den Parametern des Materials und der Plattendicke des Werkstückes und der Bearbeitungsgeschwindigkeit bei der Bearbeitung 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 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 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 und die Plattendicke des Werkstückes und die Bearbeitungsgeschwindigkeit wählt, sind schon 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 bei Vorliegen eines geradlinigen Abschnitts eine Bearbeitung mit der höchsten Bearbeitungsgeschwindigkeit entsprechend dem jeweiligen Material und der jeweiligen Plattendicke durchgeführt, während an einem Eckabschnitt oder einem feinen Profilabschnitt eine Bearbeitung bei einer niedrigeren 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 als ein Beispiel in Fig. 18 gezeigt. Da A und B in der Zeichnung die gleichen Punkte sind wie in Fig. 16, wird deren Beschreibung weggelassen. Mehr als bei der achten Ausführungsform wird es bei der neunten Ausführungsform möglich, optimale Bedingungen auszuwählen, und zwar nicht nur entsprechend der Modenänderung, sondern auch entsprechend einem Profilabschnitt, der 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 Ausgangswert 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, umfassend

1. einen Laseroszillator (1) zum Aussenden eines Laserstrahles (2),
2. eine Steuereinrichtung (6) zum Steuern der Ausgangsleistung (PO) des Laseroszillators (1),
3. einen Leistungsdetektor (9) zum Erfassen der Ausgangsleistung (PO) des Laseroszillators (1) und
4. eine Moden-Umschalteinrichtung (10) zum Ändern des Strahlmodus des Laserstrahles (2) auf wenigstens einen anderen Strahlmode (TEM00, TEM01*, TEMmn),

gekennzeichnet durch

1. eine Vergleichseinrichtung (15a) zum Vergleichen der Ausgangsleistung (PO), die durch die Steuereinrichtung (6) vorbestimmt ist oder durch den Leistungsdetektor (9) erfaßt ist, mit einem voreingestellten Grenzleistungspegel und zum Ausgeben eines entsprechenden Umschaltsignals an die Moden-Umschalteinrichtung (10) zwecks Änderung des Strahlmode (TEM00, TEM01*, TEMmn) in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis.

2. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grenzleistungspegel durch eine Grenze zwischen einem Bereich zum stabilen Schneiden im TEM00-Mode und einem Bereich zum stabilen Schneiden im TEM01-Mode bestimmt ist.

3. Laserbearbeitungsvorrichtung, umfassend

1. einen Laseroszillator (1)Zum Aussenden eines Laserstrahles (2),
2. ein optisches Spiegel oder Linsenglied (8; 4) im Strahlengang des Laserstrahles (2),
3. eine Steuereinrichtung (6) zum Steuern der Ausgangsleistung (PO) des Laseroszillators (1) und
4. eine Moden-Umschalteinrichtung (10) zum Ändern des Strahlmode des Laserstrahles (2) auf wenigstens einen anderen Strahlmode (TEM00, TEM01*, TEMmn),

gekennzeichnet durch

1. eine Detektoreinrichtung (13; 14) zum Erfassen der Absorption von Energie des Laserstrahles (2) durch das optische Spiegel- oder Linsenglied (8; 4) und zum Erzeugen eines entsprechenden Ausgangssignals und
2. eine Schalteinrichtung (15b; 15c) zum Ausgeben eines Umschaltsignals an die Moden- Umschalteinrichtung (10) zwecks Änderung des Strahlmode (TEM00, TEM01*, TEMmn) in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Detektoreinrichtung (13; 14).

4. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorption von Energie des Laserstrahles (2) durch das optische Spiegel- oder Linsenglied (8; 4) durch Erfassen einer durch thermische Belastung bedingten Änderung einer Fokussierungseigenschaft des optischen Spiegel- oder Linsengliedes erfaßt wird.

5. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Spiegel- oder Linsenglied einen im Laseroszillator (1) angeordneten teilreflektierenden Spiegel (8) aufweist.

6. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Spiegel- oder Linsenglied eine Kondensorlinse (4) aufweist, welche den Laserstrahl (2) auf ein durch die Vorrichtung zu bearbeitendes Werkstück (11) fokussiert.

7. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (6) eine auf unterschiedliche Bearbeitungsbedingungen einstellbare Einstelleinrichtung (22) aufweist, mit welcher für jeden Strahlmode eine Bearbeitungsbedingung entsprechend dem Material und/oder der Dicke des durch die Vorrichtung zu bearbeitenden Werkstückes und/oder der Bearbeitungsgeschwindigkeit einstellbar ist.

8. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung (22) zur Einstellung von wenigstens einem der folgenden Parameter vorgesehen ist: Position der Brennebene, Druck eines Arbeitsgases, Düsenhöhe, Ausgangsleistung des Laseroszillators, Impulsfrequenz und Impulslänge.