DE69824181T2

DE69824181T2 - Vorrichtung und verfahren zum schneiden mit grösserem abstand mittels laser im impulsverfahren

Info

Publication number: DE69824181T2
Application number: DE69824181T
Authority: DE
Inventors: Jean-Paul Grandjean; Jean-Marc Dufaud; Jean-Pascal Alfille; Patrick Meyrueis; Patrice Twardowski
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1997-07-18
Filing date: 1998-07-17
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2018-07-18
Also published as: DE69824181D1; CA2296744A1; WO1999003636A1; US6476350B1; EP0998369A1; FR2766115A1; EP0998369B1; FR2766115B1

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft das Gebiet des Laserschneidens, insbesondere hinsichtlich Abtragungs- und/oder Demontageanwendungen.
Die Abtragungs- und/oder Demontagetechnik durch Laser unterscheidet sich von der Laserbearbeitung durch eine bestimmte Anzahl von Merkmalen.
Die Laserbearbeitung beruht auf einem einfachen physikalischen Vorgang: ein ausreichend energetisches Licht irgendeiner Farbe wird so lange auf ein Ziel bzw. Target gerichtet, bis Letzteres schmilzt, wobei dessen Material verdampft oder zerstört wird (Fall des UV-Lasers). Die Laserbearbeitung ermöglicht, Fertigungsoperationen durchzuführen, auf die im Allgemeinen Montageschritte folgen, die ihrerseits ermöglichen, die Lasertechnik anzuwenden (Schweißen, Oberflächenbehandlung, lokales Legieren, Fräsen).
Laserbearbeitungs-Produktionsmaschinen, die Laserquellen enthalten, sind hauptsächlich durch Unternehmen der Werkzeugmaschinenindustrie entwickelt, gebaut und vertrieben worden. Diese Maschinen ermöglichen eine optimale Bearbeitung von Werkstoffen, was die Bearbeitungsoperationen genauer, schneller und wiederholbarer macht und dabei ein sehr gutes Qualitätsniveau der bearbeiteten Teile gewährleistet.
Diese Techniken umfassen zusätzliche Verfahren zur Emission und Kontrolle des eigentlichen Laserlichts und insbesondere des Strahlens des Zusatzgases auf die Auftreffstelle des Laserstrahls, um die Verunreinigungen der zu bearbeitenden Zone zu beseitigen, die Schneidgenauigkeit zu verbessern, die optischen Einrichtungen zu schützen, die sich in der Nähe der Auftreffzone des Laserstrahls auf dem Material befinden, und in der Schneidzone eine gasförmige Mikro-Umgebung zu erzeugen, um das Verfahren zu kontrollieren.
Im Falle der Abtragung oder Demontage durch Laser sind die zu erreichenden Ziele für eine Schneidmaschine a priori sehr anders. Es scheint nämlich für eine zufriedenstellende Abtragungsoperation zu genügen, dass die Größe der geschnittenen Teile so ist, dass sie den Erfordernissen der Konditionierungsvorrichtungen entsprechen, welche die Evakuation dieser geschnittenen Teile ermöglichen.
Zudem ist es nicht vorstellbar, in den Abtragungsvorrichtungen ein Zusatzgas in die Auftreffzone des Laserstrahls zu strahlen. Solche Geräte müssten nämlich, wenn sie verwendet würden, sich in der Nähe des zu schneidenden Teils befinden. Dies ist aber im Falle der Abtragung nicht vorstellbar, da beim Laserschießen aus Gründen der Betriebsbedingungen der Abtragungsbaustellen und wegen der Enge der Arbeitszone zwischen der Optik und dem zu schneidenden Teil ein Abstand eingehalten werden muss (in der Größenordnung von 1 bis 2 m). Die für die Abtragung benutzten Lasermaschinen haben also einen größeren Arbeitsabstand als die für die Bearbeitung benutzten.
Zudem ist eine Laserabtragungsmaschine nicht dazu bestimmt, unter stabilen Bedingungen zu arbeiten, wie in der Werkstatt, sondern unter Baustellenbedingungen: sie ist also vorzugsweise "rustikal", kompakt, leicht. Das Steuern der Maschine ist ebenfalls vorzugsweise leichter als das einer Werkstattmaschine.
Eine Schneidvorrichtung ist aus dem Dokument US-4 870 244 bekannt. Dieses Dokument lehrt die Nutzung eines biphotonischen Effekts. Das heißt, dass auf die Emission eines ersten kontinuierlichen oder gepulsten Laserstrahls, der das Material zum Schmelzen bringt, die Emission eines Laserimpulses des "Q-switch"-Typs folgt, fokussiert auf das Target, das die durch den ersten Strahl geschmolzene Zone bildet, der das geschmolzene Material durch einen Detonationseffekt entfernt. Die Anwendung dieses Verfahrens setzt voraus, dass die Koordination der Laserimpulse möglich ist und ausreichend genau ist, um zu verhindern, dass das geschmolzene Material zwischen den beiden Laseremissionen wieder erstarrt, wobei aber der Q-switch-Betrieb industriell nicht gleichzeitig synchron und leistungsstark sein kann.
Nach einer Variante lehrt dieses Dokument, dass die beiden Laser durch einen einzigen Laser ersetzt werden können, der abwechseln im Relaxmodus und im Q-switch-Modus arbeitet. Es wird aber präzisiert, dass aufgrund des Zeitintervalls, das nötig ist zwischen dem Ende des kontinuierlichen Modus und dem Beginn des Impulses, eine Abkühlung des geschmolzenen Materials auf dem Target stattfinden kann, was die Anwendungsmöglichkeiten dieser Vorrichtung oder dieses Verfahrens auf Targets begrenzt, die nur schwache Schneidleistungen erfordern (Materialdicken wahrscheinlich unter 0,1 mm für Stahl).
Dieses Dokument beschreibt also keine Vorrichtung, die für industrielle Abtragungen praktisch einsetzbar ist, wenn man die geforderten Bedingungen der Einfachheit und Kompaktheit berücksichtigt, die weiter oben erwähnt wurden: das System mit zwei Lasern ist tatsächlich komplex (es kommt eine Synchronisation zu Anwendung), während die Anwendung des Systems mit einem einzigen Laser sehr schwierig und begrenzt ist. Auf jeden Fall begrenzt die Q-switch-Technik die Leistung des Verfahrens.
Zudem, durch die in diesem Dokument US-4 870 244 benutzte Q-switch-Technik, sind die erzeugten Impulse im Repetitionsmodus zeitlich schwer programmierbar.
Man kennt also gegenwärtig keine Laserschneidvorrichtung, die über einen auf die Auftreffzone des Laserstrahls gerichteten Zusatzgasstrahl vertilgt und die zugleich in der Benutzung einfach und anpassungsfähig ist.
Außerdem ermöglichen die gegenwärtigen Laserabtragungstechniken, die im Allgemeinen in der Werkstatt oder im Laboratorium mit gesteuertem Zusatzgas arbeiten, ohne Zusatzgas keine Schneidarbeiten von Materialien von großer Dicke (mindestens 10 mm). Ein zusätzliches Problem bei einem rohen Schneiden ist das Entstehen von Gasen oder die Ablagerung von Metallkugeln.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung schlägt folglich ein Laserschneidsystem vor, dessen Struktur und Benutzung einfach sind und kompatibel mit Anwendungen auf dem Gebiet der Abtragung, und das kein Zusatzgas benötigt und mit Abständen von mehreren Metern zwischen der Optik und dem zu schneidenden Teil arbeiten kann.
Außerdem, wenn auch, wie oben erwähnt, die Grade der Genauigkeit und Gleichmäßigkeit a priori nicht so kritisch sind wie auf dem Gebiet der Bearbeitung, schlägt die Erfindung eine Vorrichtung vor, die ein Qualitätsschneiden ermöglicht. Die hat zwei Konsequenzen: es wird möglich, größere Dicken (cm) zu schneiden, und es ist möglich, sekundäre Abfälle wie zum Beispiel Ablagerungen in Form von Metallkugeln und das Volumen der Aerosole und Schneidgase, die erzeugt werden, zu reduzieren.
Noch genauer hat die Erfindung eine Vorrichtung zum Laserschneiden zum Gegenstand, die umfasst:

– Einrichtungen, die mittels eines Impulslasers einen Laserstrahl mit Impulsen der Energie E ≥ 10 Joules emittieren,
– wenigstens eine optische Faser zur Übertragung der Laserimpulse von den Emissionseinrichtungen in Richtung eines zu schneidenden Teils,
– Fokussiereinrichtungen des Laserstrahls mit der Brennweite f ≥ 50 cm.

Die Übertragung des Laserstrahls durch eine optische Faser ermöglicht Fernabtragungen. Außerdem erfordert das erfindungsgemäße Verfahren kein Zusatzgas in der Auftreffzone des Laserstrahl. Die Verwendung einer Fokussieroptik mit großer Brennweite (f ≥ 50 cm oder 1 m) ermöglicht größere Abstände zwischen der Optik und dem zu schneidenden Teil.
Die Fokussiereinrichtungen umfassen eine Linsengruppe oder eine torische Linse mit Indexgradient oder ein Teleskop. Sie können auch eine hybride Mischung beugender und brechender Elemente umfassen.
Die im Innern des Brennflecks nötige Leistung des erfindungskonform ohne Zusatzgas benutzten Laserstrahls kann niedriger sein als die bei einem klassischen Laserschneiden.
Für eine Brennweite über 1 m, wenn man keine Brechungsoptik verwendet, benutzt man ein Teleskop mit zentriertem Spiegel, das den Nachteil starker Beugungen an den Rändern der Optiken hat aber einen zufriedenstellenden Astagmatismus aufweist, oder mit unzentriertem Spiegel, der die Beugung eliminiert aber den Strahl elliptisch gemäß zweier Achsen fokussiert.
Die Tatsache, einen Laser zu benutzten, der im Pulsmodus arbeitet, ermöglicht, in der Umgebung der Auftreffzone auf dem zu schneidenden Teil ein sehr energetisches gepulstes Plasma zu erzeugen. Der Laserimpuls hat nämlich die Wirkung, der Erhitzung des Materials einen Spüleffekt hinzuzufügen, was ermöglicht, das Unterstützungsgas wegzulassen, das bei den klassischen industriellen Anwendungen benutzt wird, oder den in dem Patent US-4 870 244 beschriebenen zweiten Q-switch. Dieser Spüleffekt erklärt sich durch die Qualität des durch die Laserimpulse erzeugten sehr energetischen Plasmas.
Dieses Plasma hat eine weitere positive Auswirkung auf das Schneiden: es ermöglicht eine Autofokussierung des Strahls in der Dicke des geschnittenen Materials. Dies erklärt, dass trotz des Fehlens von Unterstützungsgas die Qualität der Schnittfugen sehr gut ist, das heißt dass sie sehr schmal sind, im Wesentlichen gleich dem Durchmesser des Brennflecks, parallele Ränder haben und tief sind (was ermöglicht, dicke Materialien zu schneiden). Die Tatsache, schmale Schnittfugen zu erhalten, ermöglicht außerdem, die erzeugten sekundären Abfälle wie etwa Gase und Ablagerungen des Typs Metallkugeln zu reduzieren und folglich zu vermeiden, dass die Fokussiereinrichtungen am Ausgang der optischen Faser zu schnell verschmutzt werden.
Die Erfindung arbeitet vorzugsweise mit einer einzigen Laserbetriebsart (Relaxmodus), was ermöglicht, eine Modenstabilität als Voraussetzung für die Kopplungsgleichmäßigkeit beim Schneiden sogar auf einer Baustelle zu erzielen.
Das Steuern eines im Pulsmodus arbeitenden Lasers ist leicht: Höhe, Breite und Abstand der Impulse sind regelbar. Es ist also möglich, die Schneidarbeiten in Abhängigkeit vom Ganzen zu optimieren, mit Berücksichtigung der Auswirkung dieser Impulsparameter auf die räumlich-zeitliche Physik bzw. Beschaffenheit des in der Umgebung der Auftreffzone erzeugten Plasmas. Wenn zum Beispiel kleine Dicken geschnitten werden, ist es nicht nötig, sehr energetische Impulse zu senden.
Die Fokussiereinrichtungen des Laserstrahls befinden sich am Ende der optischen Faser(n).
Das Ende der optischen Faser, die dazu bestimmt ist, die Laserenergie in Richtung des zu schneidenden Teils zu übertragen, kann Teil eines Schneidkopfes sein, der ausrichtbar sein kann.
Es können außerdem Einrichtungen vorgesehen werden, um den Abstand zwischen dem Schneidkopf und dem zu schneidenden Stück zu ermitteln. Diese Einrichtungen können zum Beispiel eine Kamera umfassen und/oder ein Entfernungsmessgerät und/oder ein Oberflächenmessgerät.
Es ist auch möglich, Steuerungseinrichtungen der Position des Schneidkopfs und/oder Steuerungseinrichtungen der Fokussierung des Strahls vorzusehen.
Außerdem können Einrichtungen vorgesehen werden um den Schneidkopf zu verschieben. So ist es im Falle eines zu zerschneidenden Teils, das nicht verschoben werden kann, dann möglich, das Ende des Schneidkopfs zu verschieben. Diese Verschiebungseinrichtungen können zum Beispiel einen oder mehrere Roboterarme oder Verschiebungseinrichtungen umfassen, die eine oder zwei geschwindigkeits- und positionsgeregelte Achsen umfassen.
Die den Laserstrahl emittierenden Einrichtungen, verwendbar im Rahmen einer Anwendung des Typs Abtragung, sind vorzugsweise Laser des YAG-Nd- oder Jod-Sauerstoff-Typs.
Die Erfindung hat auch ein Verfahren zum Laserschneiden eines zu schneidenden Teils zum Gegenstand, das umfasst:

– Emission eines Laserstrahls in Form von Laserimpulsen der Energie E ≥ 10 Joules,
– Übertragung dieser Laserimpulse durch wenigstens eine optische Faser in Richtung des zu schneidenden Teils,
– Fokussierung des Laserstrahls auf das zu schneidende Teil mittels einer Fokussiervorrichtung mit einer Brennweite f ≥ 50 cm.

Dieses Verfahren ermöglicht, die schon oben in Verbindung mit der Vorrichtung erwähnten Probleme zu lösen, mit denselben Vorteilen wie den oben genannten.
Nach einer speziellen Realisierungsart dieses Verfahrens kann der Abstand zwischen dem zu schneidenden Teil und demjenigen Ende des Schneidkopfs, das dem zu schneidenden Teil zugewandt ist, ermittelt werden. Es ist auch möglich, die Position des Endes des Schneidkopfs und/oder die Fokussierung des Strahls zu steuern.
Die Erfindung hat auch ein wie oben beschriebenes Verfahren zum Gegenstand, das eine wie oben beschriebene Vorrichtung benutzt.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden verdeutlicht durch die nachfolgende Beschreibung von erläuternden und nicht einschränkenden Realisierungsbeispielen, bezogen auf die beigefügten Zeichnungen:
die 1 zeigt ein Prinzipschema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
die 2 zeigt ein Realisierungsbeispiel der Erfindung,
die 3 ist eine Fokussiereinrichtung für eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
die 4 zeigt schematisch ein zu schneidendes Teil sowie einen eintreffenden Laserstrahl, realisiert mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Detaillierte Beschreibung von Realisierungsarten der Erfindung
Die 1 stellt ein Prinzipschema der Erfindung dar. Das Bezugszeichen 2 bezeichnet eine Laserquelle, die im Puls- und Relaxmodus arbeitet. Eine optische Faser 4 ermöglicht, die Laserimpulse in Richtung eines zu schneidenden Teils 6 zu übertragen. Fokussiereinrichtungen 3 ermöglichen, den Laserstrahl auf die Oberfläche des zu schneidenden Teils zu fokussieren.
Eine Anwendung der Erfindung wird nun in Verbindung mit der 2 beschrieben, in der das Bezugszeichen 2 die Laserquelle bezeichnet, zum Beispiel eine im Pulsbetrieb arbeitende Nd:YAG-Leistungsquelle, deren Impulse bezüglich ihrer Frequenz, Energie und Dauer parametriert werden können. Die gegenwärtigen Nd:YAG-Quellen liefern Leistungen, die zur Zeit bis ungefähr 5 kW gehen, wobei der Fortschritt bei diesen Quellen es später ermöglichen wird, in Verbindung mit der Erfindung stärkere Leistungen zu benutzen. Eine (oder mehrere) optische Faser(n) 4 ermöglicht (ermöglichen), die aus der Laserpulsquelle stammende Strahlung über eine Distanz in Richtung des zu schneidenden Teils 6 zu übertragen. Im Falle einer Abtragungsoperation kann eine solche Distanz ungefähr 100 m betragen. Der Strahl 10 wird anschließend auf das Teil 6 projiziert, wobei das Ende der optischen Faser zum Beispiel in einem Schneidkopf 8 befestigt sein kann. Einrichtungen, in der Figur nicht dargestellt, ermöglichen die Fokussierung des Laserstrahls 10 in Höhe einer Auftreffzone 12, in der Nähe der Oberfläche des zu schneidenden Teils. Diese Fokussiereinrichtungen mit fester oder variabler Brennweite können in den Schneidkopf 8 integriert sein.
Die vorgesehenen Fokussiereinrichtungen ermöglichen, mit Distanz zu arbeiten, zum Beispiel einer Distanz von ungefähr 1 m.
Um das Schneidleistungsmaximum zu erzielen, wählt man vorzugsweise eine Optik, die angepasst ist an die große Strahlöffnung am Ausgang der optischen Faser.
Ein für die Anwendung geeignetes Fokussiersystem ist in der 3 schematisch dargestellt. Es umfasst drei Linsen 22, 24, 26. Diese Elemente sind ausgerichtet und miteinander zentriert und gegen äußere Einwirkungen geschützt durch ein Gehäuse 28, versehen mit einem Schutzfenster 29. Der Einbau in ein Gehäuse ermöglicht eine genaue Positionierung. Das System mit drei Linsen ermöglicht eine Reduzierung des Brennflecks also die Erzeugung einer ausreichenden Schneidleistung sowie einer Reduzierung der Abmessungen des Systems (daher ein beschränkter Platzbedarf).
Bei der Anordnung bzw. dem System der 3 leitet die optische Faser den Laserstrahl in ein divergierendes Meniskuselement, das die Strahlöffnung vergrößert. Eine andere Linse mit zwei Dioptern ist dem Meniskus zugeordnet. Man erhält also ein System mit drei Elementen, dem ein Schutzfenster hinzugefügt werden kann.
Es ist möglich, zur Herstellung der Linsen ein Standardmaterial zu verwenden (zum Beispiel des Typs BK7).
Indem man die MTF-Methode oder Modulationstransfermethode anwendet, zeigt man, dass die Fokussierqualität abnimmt, wenn die optische Faser sich bei ihrer Montage von der optischen Achse des Systems entfernt. Es ist daher vorzuziehen, wenn die optische Faser auf die Achse mit einer Genauigkeit zentriert ist, die 5/10-tel mm oder auch 3/10-tel oder 2/10-tel oder noch besser 1/10-tel mm beträgt.
Um einen Brennfleckdurchmesser beizubehalten, der im Wesentlichen dem Durchmesser der optischen Faser entspricht, wählt man ein derartiges Fokussiersystem, dass der Strahl an seinem Ausgang in etwa die gleiche Divergenz wie am Ausgang der optischen Faser aufweist. So nimmt man, um einen Brennfleck von 1 mm zu bekommen, einen Strahl, der am Ausgang des Fokussiersystems zum Beispiel einen Winkel von ungefähr 7° aufweist: dies hat bei einer Fokussierung mit einem Meter einen Durchmesser des Fokussiersystems von mindestens ungefähr 250 mm zur Folge.
Einrichtungen 14, die zum Beispiel eine Kamera und/oder ein Entfernungsmessgerät und/oder ein Oberflächenmessgerät umfassen, können in der Nähe des Kopfs 8 oder am Ende der optischen Faser(n) 4 angeordnet sein, um eine Ermittlung des Abstands von der Oberfläche des Teils zu ermöglichen. Die von den Einrichtungen 14 übertragenen Daten können in einer zu diesem Zweck vorgesehenen Steuereinrichtung 16 analysiert werden. Eine Steuervorrichtung der Impulse (Frequenz, Dauer, Energie, ...) der Laserquelle 2 kann vorgesehen werden. Sie kann zum Beispiel in die Steuervorrichtung 16 integriert werden. Diese Vorrichtung kann zum Beispiel einen konventionellen Mikrocomputer oder Mikroprozessor umfassen, entsprechend programmiert für die Analyse der Daten. Die entsprechenden Programmbefehle können auf Magnetplatten oder konventionellen Einheiten des Typs RAM oder ROM abgespeichert werden. Außerdem können auch Einrichtungen 18 zur Anzeige der analysierten Daten oder des mit Hilfe der Kamera visualisierten Bildes vorgesehen werden. Ein Operator kann eventuell mit Hilfe einer Tastatur 19 Steuerungs- oder Befehlsdaten eingeben. Der Operator kann so eine Entscheidung treffen bezüglich der Notwendigkeit, den Schneidkopf und/oder die Fokussiereinrichtungen in Bezug auf die Oberfläche des Teils 6 zu verschieben. Steuereinrichtungen der Position des Endes der Faser und/oder der Steuereinrichtungen der Fokussierung des Strahls können ebenfalls vorgesehen werden. Insbesondere kann eine automatische Verschiebung des Schneidkopfs und/oder der Fokussiereinrichtungen vorgesehen werden, wenn ein bestimmter Abstand – zum Beispiel zwischen dem Ende des Schneidkopfs und der Oberfläche des zu schneidenden Teils 6 – gemessen wurde und bzw. oder wenn der durch Vergleichseinrichtungen ermittelt wurde, oder wenn der Operator feststellt, dass dieser gemessene oder ermittelte Abstand sich um eine zu große Marge von einem vorher festgelegten, vorher zum Beispiel in den oben erwähnten Speichereinrichtungen abgespeicherten Abstand entfernt.
Außerdem, um eine Schneidrille herzustellen, ist es oft besser, den Schneidkopf in Bezug auf das Teil zu verschieben, als umgekehrt. Das Teil ist nämlich oft voluminös, zum Beispiel wenn es sich um einen Teil einer Nuklearanlage handelt. In diesem Fall können Verschiebungseinrichtungen des Schneidkopfs längs einer Strecke durch den Operator vorgesehen werden. So wie dargestellt in dem Beispiel der 2, kann das Ende der optischen Faser in einen Schneidkopf 8 integriert sein, und dieser Schneidkopf wird in Bezug auf das Teil mit Hilfe eines Roboterarms 20 verschoben, der diverse räumliche Verschiebungen ermöglicht (Parallelverschiebung, Schwenkung in Bezug auf bestimmte Achsen).
Nach einem weiteren Beispiel kann das Ende der Faser mit Hilfe einer Platte verschoben werden, die räumliche Verschiebungen in ein oder zwei Richtungen ermöglicht.
Die Steuerung eines Roboterarms 20 oder einer Platte kann eine Fernsteuerung sein, mit Hilfe einer Steuerkonsole 16 und interaktiven Steuereinrichtungen 18, 19. Bei diesem Steuerungstyp kann es außerdem vorteilhaft sein, die Verschiebungsgeschwindigkeit des Kopfes in Bezug auf das zu schneidende Teil variieren zu können.
Die 4 zeigt – vergrößert – das Auftreffen des Schneidlaserstrahls 10 in Höhe des zu schneidenden Teils 6. Das Bezugszeichen 30 bezeichnet den Brennfleck, den man variieren kann, indem man die Parameter der Fokussiereinrichtungen variiert. Das Bezugszeichen 32 bezeichnet die erhaltene Schnittfuge die gestrichelten Linien 34 und 36 grenzen die theoretische Divergenz des Strahls ab. Das Schneiden einer Oberflächenzone des Teils 6 leitet die Entstehung eines Plasmas 38 ein, in Höhe – oder unter – der Schneidzone. Das durch die erfindungsgemäße Schneidtechnik erzeugte Plasma ist sehr energetisch und bewirkt einen Spüleffekt bezüglich des geschmolzenen Materials, so dass es das bei den klassischen industriellen Anwendungen verwendet Unterstützungsgas ersetzt. Dieses Plasma 38 hat eine weitere positive Wirkung auf den Schneidvorgang: es ermöglicht eine Autofokussierung des Strahls 10 in der Dicke des geschnittenen Materials. Der Strahl hat nämlich nicht die theoretische, durch die Linien 34–36 abgegrenzte theoretische Divergenz, sondern ist vielmehr parallel und pflanzt sich in der Richtung 40 fort. Auf diese Weise erzielt man eine sehr gute Schnittqualität und es ist dieser Autofokussiereffekt, der ermöglicht, einerseits die Feinheit der Schnittfuge mit parallelen Rändern und einer im Wesentlichen dem Durchmesser des Brennflecks 30 entsprechenden Größe und andererseits die große Schneidtiefe (ungefähr 20 mm) zu erklären, die man erreichen kann, und dies alles ohne Unterstützungsgas.
Der Pulsbetrieb ermöglicht – wieder aufgrund der Entstehung eines Plasmas 38 – eine größere Toleranz bei den anderen Schneidparametern: zum Beispiel ist die Genauigkeit der Fokussierung nicht sehr kritisch und auf jeden Fall weniger kritisch als bei den Techniken mit Verwendung von Zusatzgas. Das Plasma ermöglicht eine größere Energiedichte und einen kleineren Aufwand bei der Regelung der Fokussierung aufgrund der Autofokussierung des Strahls.
Das Plasma der Laser-Material-Wechselwirkung hat im Rahmen eines erfindungsgemäßen Schneidverfahrens widersprüchliche bzw. gegensätzliche Wirkungen, die man während einer Schneidoperation zu trennen versucht: einerseits begünstigt es die Einkopplung der Energie des Laserstrahls in das bestrahlte bzw. kontaminierte Teil, solange es mit diesem Kontakt hat oder seiner Oberfläche sehr nahe ist, andererseits aber, sobald es sich entfernt, was sich zu einem bestimmten Zeitpunkt und bei einer bestimmten Leistung ereignet, wird es für den Laserstrahl opak, also "optisch dick".
Das "optisch dünne" Plasma bewirkt Energieaustausche mit dem Umgebungsmedium durch Wärmeleitung, Strahlungstransfer und Stoßwelle. Diese Letztere ist einer Absorptionswelle sehr ähnlich, denn sie breitet sich in der zu derjenigen des Lasers entgegengesetzten Richtung aus, nach folgenden Regeln:

a) zunächst wie eine Verbrennungswelle,
b) dann wie eine Detonationswelle,
c) und schließlich wie eine Strahlungswelle.

Die Verbrennungswelle ist die zuerst wirksame Ausbreitungsart, wenn die Eingangsleistung I in der Umgebungsluft zwischen 10⁴ und 10⁶ W/cm² enthalten ist. Die Energieübertragung erfolgt dann im Wesentlichen durch Leitung und durch Strahlung. In diesem Fall geht der Absorptionsfront eine Stoßwelle voraus, aber die Temperatur des Umgebungsgases bleibt ausreichend niedrig, um für die Laserstrahlung transparent zu sein. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Verbrennungswelle ist also im Wesentlichen von der Absorptionskraft des Plasmas abhängig.
In der Folge überträgt die Verbrennungswelle, die in dem Dampf der Auftreffzone entsteht, ihre Energie auf die Umgebungsluft. Diese Luft absorbiert also einen großen Teil der so übertragenen Laserenergie. Dies bewirkt wiederum eine starke Erwärmung des Targets, also eine beträchtliche zusätzliche Erhöhung seiner Temperatur.
Die Detonationswelle tritt bei I > 10⁷/cm² in der Umgebungsluft auf, wenn die Stoßfront nicht mehr von der Absorptionsfront getrennt ist. Die Absorptionszone positioniert sich direkt hinter der Stoßwelle, wobei die Anfangserwärmung des Mediums ausreicht, um den Absorptionsprozess auszulösen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Plasmas wird dann im Wesentlichen durch die Art und Dichte des Gases der Auftreffzone und der Intensität bzw. Kraft, die es absorbiert hat, bestimmt.
Wenn die Intensität des Strahls sehr groß wird (I > 1 GW/cm²), besteht der Energieübertragungsprozess im Wesentlichen aus Wärmeleitung und Strahlung, die effizienter werden als die Erwärmung durch Stoßwelle. Das Wechselwirkungsplasma erreicht dann eine sehr hohe Temperatur und emittiert seinerseits eine intensive UV-Strahlung, die das die Operation umgebende kalte Gas erwärmt. Das Resultat besteht dann, dass sich das Gas seinerseits schnell ionisiert und den Plasmazustand erreicht. In diesem Fall hängt die Geschwindigkeit der Welle von der internen Energie des Gases ab, die zurückzuführen ist auf seine Absorption der Laserenergie.
Da sich in dem erfindungsgemäßen Abtragungs-Schneidverfahren mittels Leistungslaser ohne Unterstützungsgas die Erzeugung des Auftreff-Plasmas in die Nähe der Oberfläche eines metallischen Targets verschiebt, verändert sich die Energiekopplung, was zu einer Verbrennungswelle führt, wenn die Verschiebungsgeschwindigkeit des Plasmas (aber nicht des Laserstrahls) in Höhe der Auftreffstelle niedriger ist als die Schallgeschwindigkeit, und zu einer Detonationswelle, wenn die Verschiebungsgeschwindigkeit des Wechselwirkungs-Plasmas höher ist als die Schallgeschwindigkeit.
Bei der Scheidoperation treten drei Arten von Schwingungen auf, zwischen denen man einen Kompromiss herstellen muss, um dem Auftreff-Plasma zu ermöglichen, das flüssige Material zu entfernen (ehe es wieder erstarrt), das der fokussierte auftreffende Strahl an der zu schneidenden Oberfläche erzeugt. Diese Schwingungen sind die Folgenden:

a) die Schwingung des Laserstrahls,
b) die Schwingung des Auftreff-Plasmas,
c) die Schwingung der geschmolzenen Phase.

Man kann optimale Arbeitsbedingungen herstellen, bei den die verschiedenen Schwingungen interferieren, um konstruktive Interferenzphänomene zu erlangen zwischen den verschiedenen in dem Auftreff-Plasma und der elektromagnetischen Welle des Laserstrahls erzeugten Wellen. Dies ermöglicht unter bestimmten Bedingungen und zu einem bestimmten Zeitpunkt des Arbeitszyklus die Energiekopplung mit dem Laserstrahl zu verbessern. Man kann dann Laser mit deutlich schwächerer Leistung verwenden. Man kann dann auch schwächere fokussierte Leistungsdichten benutzen. Die konstruktiven Interferenzphänomene bewirken eine mit der Laserwelle synchronisierte Detonationswelle, was ermöglicht, das geschmolzene Material wegzuspülen, also zu schneiden.
Um optimale Arbeitsbedingungen herzustellen, kann man eine charakteristische Größe des Wechselwirkungsplasmas berücksichtigen, nämlich seine Grundschwingungsfrequenz. Diese ermöglicht eine erste Bewertung der verschiedenen beim Schneiden ohne Zusatzgas in Betracht zu ziehenden Parameter des Laserstrahls, zum Beispiel Frequenz, Höhe und Abstand der Laserpulse, bei denen die Interferenz- und Resonanzphänomene auftreten und bei denen folglich die synchronisierte Plasmawelle/Laserwelle-Detonation die Beseitigung des geschmolzenen Materials ermöglicht.
Der Grundschwingungsfrequenz entspricht eine Pulsation ω_pe der Plasmaschwingungen, definiert durch: ωp = (nege 2/meε0)½ ≈ 56,4 × ne ½ wo Q_e die elektrische Ladung ist und n_e die Elektronendichte des nicht gestörten Plasmas. Im äußersten Fall beträgt – in MKS-Einheiten – die Frequenz des Plasmas: fp = ωp/2π = 8,976·103√ne ≈ 8,97 × ne ½.
Bei den durch Leistungslaser auf Festkörper-Targets erzeugten Wechselwirkungs-Plasmas beträgt die Elektronendichte ungefähr 10²⁴ bis 10²⁷ m^–3, und die Elektronentemperatur T_e ist enthalten zwischen 10² und 10³ eV, was eine Debye-Länge von ungefähr 10^–7 gibt. In diesem Fall beträgt die Pulsation ω_p der Schwingungen des Laser/Material-Wechselwirkungsplasmas ungefähr 5,64·10¹³ rad/s wenn n_e = 10²⁴ m^–3, und 1,783.10¹⁴ rad/s für n_e = 10²⁵ m^–3. Die aufgrund der Ausbreitung der kollektiven Schwingungen des Plasmas emittierten Wellen des Plasmas haben also eine Pulsation zwischen 5,64·10¹³ rad/s und 1,783·10¹⁵ rad/s.
Im Falle des Schneidens oder Abtragens durch YAG:Nd-Laser (λ = 1,06 μm) beträgt die Pulsation der elektromagnetischen Welle der Laserstrahlung ω = 1,778.10¹⁵ rad/s.
Festzustellen ist, dass das Phänomen der Resonanz zwischen der elektromagnetischen Welle des Laserstrahls und den Detonations- und Verbrennungswellen des Laser/Target-Wechselwirkungsplasmas sich in den Frequenzbereichen zwischen 5,64·10¹³ rad/s und 5,64·10¹⁴ rad/s ereignet, wenn die Elektronendichte zwischen 10²⁴ cm^–3 und 10²⁷ cm^–3 variiert. Es verursacht dann konstruktive Interferenzeffekte: die Amplitude der Ausgangswelle wird verstärkt. Dies bewirkt einen Energiegewinn und verbessert die Energiekopplung zwischen dem Laserstrahl und den durch das Wechselwirkungsplasma emittierten Wellen.
Generell versucht man, eine Pulsation der Laserstrahlungswelle zu erhalten, die ungefähr der Pulsation der Plasmaschwingungen ω_p entspricht. Für ω ≈ ω_p tendiert die dielektrische Funktion (die Permittivität des Mediums) gegen 0. In diesem Fall kommt es zu Resonanz zwischen der Laserstrahlwelle und der Plasmawelle, was die Energiekopplung zwischen dem Laserstrahl und dem zu schneidenden Material verstärkt.
Gemäß einem Realisierungsbeispiel arbeitete eine Nd:YAG-Laserquelle im Pulsmodus, mit 500 mm Brennweite. Die Parameter der Impulse waren die Folgenden: 120 Joule/Impuls, Impulsfolgefrequenz 10 Hz, Leistung der Quelle 1200 W. Der Kopf 8 ermöglichte eine Fern-Fokussierung zwischen 0 und 10 m, wobei die Brennweite, fest oder variabel (zum Beispiel 0,5 bis 5 Meter), durch einen Roboterarm verschoben bzw. verändert wird. Der Betrieb im Pulsmodus ermöglichte, mit 200 mm Brennweite ohne Zusatzgas und einer Verschiebungsgeschwindigkeit des Kopfs von ungefähr 5 cm/min Bleche aus Inox 316L mit einer Dicke von 16 mm zu schneiden. Die Schnittfugen waren sehr schmal, mit einer Breite von ungefähr 1,5 mm bei einem Muster mit einer Dicke von ungefähr 16 mm. Es war auch möglich, mit 1 m Brennweite Bleche mit einer Dicke von 5 mm zu schneiden, wobei die anderen Parameter dieselben waren wie oben. Tatsächlich war die Qualität der hergestellten Schnittfuge vergleichbar mit der bei einer klassischen Schneidvorrichtung mit Unterstützungsgas erzielten Qualität (Produktionsschneiden).
Es wurden mit verschiedenen Konfigurationen vergleichbare Versuchsbeispiele durchgeführt, einerseits mit klassischen Konfigurationen und andererseits mit erfindungsgemäßen Konfigurationen.
Ein erster Versuch entsprach dem Fall eines traditionellen Schneidens, mit einem auf die Laserstrahl-Auftreffstelle gerichteten Sauerstoffstrahl. Man erzielte zunächst einen Schnitt von guter Qualität: die Schnittfuge war nicht sehr breit (e = 1–1,5 mm) und es befand sich kein geschmolzenes Material in der Schnittfuge.
Dann wurde das Unterstützungsgas weggelassen und die Laserleistung quasikontinuierlich aufrechterhalten: man konnte nur noch kleine Dicken schneiden (in der Größenordnung von einigen mm). Die Qualität der hergestellten Schnitte war sehr schlecht: die Schnittfuge war bis zu 4 mm breit, ihre Geometrie ungleichmäßig und eine gewisse Menge geschmolzenen Metalls blieb an dem Teil kleben.
Schließlich, mit der Vorrichtung und dem Verfahren nach der Erfindung, deren Spezifikationen oben angegeben worden sind, wurde ein Blech mit 16 mm Dicke geschnitten (Brennweite 500 mm). Es wurde im Pulsmodus gearbeitet, mit Abstand, und das durch die Energie der Impulse erzeugte Plasma hat ermöglicht, das Fehlen von Unterstützungsgas zu kompensieren und eine tiefe Schnittfuge von guter Qualität herzustellen (die Schnittfuge hatte eine Breite e in der Größenordnung von 1 bis 1,5 mm).

Claims

Vorrichtung zum Laserschneiden, umfassend: – Einrichtungen (2), die mittels eines Impulslasers einen Laserstrahl mit Impulsen der Energie E ≥ 10 Joules emittieren, – wenigstens eine optische Faser (4) zur Übertragung der Laserimpulse von den Emissionseinrichtungen (2) in Richtung eines zu schneidenden Teils (6), – Fokussiereinrichtungen (3, 22, 24, 26) des Laserstrahls mit der Brennweite f ≥ 50 cm.
Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einem Laserstrahl, dessen Strahlung sich über einen Frequenzbereich erstreckt, der wenigstens teilweise zwischen 5,64·10¹³ rad·s^–1 und 5,64·10¹⁴ rad·s^–1 enthalten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das schneidkopfseitige Ende der optischen Faser Teil eines Schneidkopfs (8) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit Einrichtungen (14) zum Bewerten der Entfernung zwischen dem Ende der optischen Faser und einem zu schneidenden Teil (6).
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Einrichtungen (14) zum Bewerten der Entfernung eine Kamera und/oder ein Entfernungsmessgerät und/oder ein Oberflächenmessgerät umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5 mit außerdem Einrichtungen zum Steuern der Position des Endes der Faser und/oder Einrichtungen zum Steuern der Fokussierung des Strahls.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit außerdem Einrichtungen zum Verschieben des Endes der optischen Faser.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Einrichtungen zum Verschieben der optischen Faser wenigstens einen Roboterarm (20) umfassen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Laser (2) ein Nd-YAG- oder ein Jod-Sauerstoff-Laser ist.
Verfahren zum Laserschneiden eines Teils (6), umfassend: – Emission eines Laserstrahls (10) in Form von Laserimpulsen der Energie E ≥ 10 Joules, – Übertragung dieser Laserimpulse durch wenigstens eine optische Faser (4) in Richtung des zu schneidenden Teils (6), – Fokussierung des Laserstrahls (10) auf das zu schneidende Teil (6) mittels einer Fokussiervorrichtung mit einer Brennweite f ≥ 50 cm.
Verfahren nach Anspruch 10 mit einem Laserstrahl, dessen Strahlung sich über einen Frequenzbereich erstreckt, der wenigstens teilweise zwischen 5,64·10¹³ rad·s^–1 und 5,64·10¹⁴ rad·s^–1 enthalten ist.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Abstand zwischen dem Ende der Faser und dem zu schneidenden Teil (6) bewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die Position des Endes der Faser und/oder die Fokussierung des Strahls gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 benutzt wird.
Verfahren zum Abtragen einer Anlage, bei dem ein Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14 benutzt wird.