DE9218664U1

DE9218664U1 - Einrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines Hochenergie-Laserstrahles

Info

Publication number: DE9218664U1
Application number: DE9218664U
Authority: DE
Original assignee: Diehl GmbH and Co
Current assignee: Diehl Verwaltungs Stiftung
Priority date: 1992-06-01
Filing date: 1992-06-01
Publication date: 1995-02-16
Anticipated expiration: 2002-06-02

Description

DP 1451 DE * Fg/an

Diehl GmbH & Co., D-90478 Nürnberg

/ Einrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines

Hochenergie-Laserstrahles ^

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

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

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

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß die gattungsbildenden Maßnahmen nach dem Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 weitergebildet sind.

05 Mit dieser Anordnung eines defomierbaren sphärischen Spiegels möglichst dicht vor der Fokussieroptik (möglichst sogar integriert in den Bearbeitungskopf unter Ersatz eines sonst dort vorgesehenen Umlenkspiegels) kann wegen minimaler Strahlweglänge zur Fokussieroptik trotz großer Divergenzänderung deren Ausleuchtung und damit die Strahlkaustik praktisch konstant gehalten und zugleich die wirksame Lage des Fokus vor der Fokussierkopf-Düse in weiten Grenzen einge-r stellt werden. Eine solche variable Fokusverschiebung stellt eine vorteilhafte Ergänzung für Arbeitskopf-Düsen dar, die der prozeßunterstützenden Arbeitsgaszufuhr an der Wechselwirkungsstelle dienen und einen möglichst großen Arbeitsabstand zum Düsenausgang bei gleichzeitig großem Arbeitsbereich und großem Durchmesser des Düsenausgangs für den Laserstrahl aufweisen, wie im Falle von z. B. Zweistrahl-Lavaldüsen. Wegen der einstellbaren Fokuslage können sich Abstandsregelungen zwischen Arbeitskopf und Werkstück künftig erübrigen.

Aus gleichem Grund kann ein Wechsel von Düsen oder von Fokussieroptiken in Abhängigkeit von verschiedenen Bearbeitungsaufgaben weitgehend entfallen, da eine Anpassung an die aktuelle Bearbeitungsaufgabe schon durch die Fokuslage möglich wird. So kann nun mit demselben Bearbeitungskopf wahlweise getrennt oder geschweißt werden, da die Fokuslage je nach geforderter Einwirkungsart und Tiefe verstellbar ist.

Besonders vorteilhaft ist die nach der Erfindung sich ergebende Möglichkeit einer periodischen Verschiebung der wirksamen Fokuslage durch variable Strahldivergenz unmittelbar vor der Fokussieroptik. Die daraus resultierende kontinuierliche Auf- und Abbewegung des

...3

wirksamen Brennfleckes, die dank des Piezoelektrischen-Aktuators im Zentrum hinter der verwölbbaren Spiegelfläche mit vergleichsweise hoher Frequenz realisierbar ist, erlaubt eine Materialbearbeitung auf der Stelle mit großer Tiefenschärfe und damit Schneid- oder Schweißvorgänge auch über sehr große Materialstärken. Durch Überlagerung von Fokuslagenshift und Vorschubbewegung lassen sich zeitlich veränderliche Mechanismen in der Strahl-Werkstoff-Wechselwirkung erzielen. Dies läßt sich u. a. zum Laserstrahlschneiden dicker Bleche ausnutzen. Eine periodische Verlagerung des Fokus bewirkt eine Art Sägewirkung. Die Anwendung der vertikalen Fokuspunktverlagerung beim

Laserstrahlschweißen kann je nach zeitlichem Verlauf der Oszillations-™ frequenz zu einer gezielten Beeinflussung der Schweißnahtgeometrie (z.B. Steppnähte) oder ihrer anderen Parameter (Einschweißtiefe, Schweißnahtbreite) ausgenützt werden.

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

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

Fig.l einen Axial-Längsschnitt durch einen kompakten Laser-Fokussierkopf mit adaptierter prozeßoptimierender Optik und Fig. 2 in vergrößerter Darstellung die Wirkung der Brennfleck-Ver-Schiebung vor dem Düsenaustritt des Fokussierkopfes nach Fig. 1.

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

Im Strahlengang kurz vor der Fokussieroptik 14 und somit wie dargestellt möglichst noch innerhalb des Fokussierkopfes 11 ist eine

variable Optik 17 mit sphärisch deformierbarer Spiegeloberfläche ™ 18 in Form z. B. einer reflektierenden Metallplatte angeordnet, hinter deren Zentrum ein elektrisch ansteuerbarer Aktuator 19 eingespannt ist, der vorzugsweise als vorgespannter Stapel aus piezoelektrischen Elementen erstellt ist. Die mittlere Brennweite fl der kugelkappenförmig auswölbbaren Spiegeloberfläche 18 ist sehr groß im Vergleich zur festen Brennweite f2 der Fokussieroptik 14. Damit läßt sich die wirksame Lage des Fokus F...F' in der Praxis um mehrere Millimeter in Abstrahlrichtung 20 verschieben. Der Fokushub dF ist also abhängig von der momentanen Brennweite fl und damit vom Aktuatorhub h, der seinerseits eine Funktion der Steuerspannung &ugr; aus einer Spannungsquelle 21 ist.

fe Über die Steuerspannung &ugr; kann die Lage des Fokus F...F' am oder im Werkstück 16 so eingestellt werden, daß mit derselben Einrichtung wahlweise verschiedene Bearbeitungsverfahren an unterschiedlichen Werkstoffen prozeßoptimiert durchführbar werden. So lassen sich z. B. mit derselben Einstellung ein Schneid- und ein Schweißvorgang auch an verschiedenen Materialien durchführen, so daß eine echte Prozeßoptimierung über die variable Optik 17 ermöglicht ist. Die axiale Fokusverlagerung paßt zugleich die Zufuhr eines prozeßunterstützenden Arbeitsgases an. Wenn die Spannungsquelle 21 eine periodisch schwankende Steuerspannung &ugr; liefert, dann wird der Fokus F...F¹ kontinuierlich auf und ab bewegt. Damit kann beim Schweißen eine wünschenswerte Tiefenwirkung erzielt werden, während das Schneiden unter Vorschub des Werkstückes 16 relativ zur Düse

13 eine Art Sägeeffekt hervorruft, indem die Zonen des aufwärts und abwärts verschobenen Brennfleckes in aufeinanderfolgend benachbarte Materialbereiche verlagert werden. Diese pulsierende Brennfleck-Lage führt dazu, daß das angeschmolzene Material nicht mehr am unteren Ende des Werkstückes 16 verklebt, sondern förmlich ausgeblasen wird, was eine durchgehend große Schnittbreite auch noch in sehr dicken Blechen erbringt. So ist es durch diesen Sägeeffekt möglich, Dickbleche in der Größenordnung von beispielsweise 20 mm mit einem 2-kW-Laser eindeutig zu trennen, was mit der herkömmlichen Konstanthaltung oder Nachführung des Brennflecks in der Nähe der Werkstück-Oberfläche 15 überhaupt nicht realisierbar ist.

Claims

Ansprüche

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

2. Einrichtung nabh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Optik (17) unter Ersatz eines Umlenkspiegels

im Fokussierkopf (11) angeordnet ist. \

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß ein vorgespannter piezoelektrischer Aktuator (19) im Zentrum hinter der Spiegeloberfläche (18) zur Einstellung der wirksamen Lage des Fokus (F,F¹) aus einer Spannungsquelle (21) ansteuerbar ist.
20

4. Einrichtung nach Anspruch 3,

gekennzeichnet durch eine periodische Steuerspannung (u) für periodische Verlagerung des Fokus (F ... F').

...7

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Anpassung des Fokussierkopfes (11) an eine Materialbearbeitungsaufgabe über Ansteuerung seiner variablen Optik (17).

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch ihren Einsatz zusammen mit einer Düse für prozeßunterstützende Gaszuführung an die Wechselwirkungsstelle der aktuellen Fokuslage.