DK2804716T3 - Fremgangsmåde og indretning til materialebearbejdning med en af en fiberlaser frembragt pulseret laserstråle - Google Patents

Description

FREMGANGSMÅDE OG INDRETNING TIL MATERIALEBEARBEJDNING MED EN AF EN FIBERLASER FREMBRAGT PULSERET LASERSTRÅLE

BESKRIVELSE Nærværende opfindelse angår en fremgangsmåde til materialebearbejdning med en af en fiberlaser frembragt pulseret laserstråle. Opfindelsen angår desuden en til udøvelse af fremgangsmåden egnet indretning.

Ved materialebearbejdningen med en laserstråle anvendes der på grund af dennes kompakte opbygning, dennes høje virkningsgrad og den høje strålekvalitet af den af denne frembragte laserstråle til stadighed hyppigere fiberlasere. Især ved anvendelser, ved hvilke materialet smeltes med en pulserende laserstråle, har der imidlertid vist sig en række fremstillingstekniske problemer. Således har der i forbindelse med smeltning og sammensmeltning af uorganiske, eksempelvis metalliske eller keramiske pulvere, eller organiske pulvere, opstået mangler i form af en dannelse af lunker eller steder med ringere tæthed. Også i forbindelse med svejseapplikationer blev der observeret uensartede svejsesømme eller i forbindelse med punktsvejsninger kvalitativt mindreværdige svejsninger.

De betragtede negative effekter er i det væsentlige forårsaget af en, ved starten af laseremissionen, især i forbindelse med cw-fiberlasere eller hurtigt modulerede gain-switch fiberlasere udpræget optrædende, primær relaksationsimpuls eller -spids, hvis effekt kan udgøre flere gange den nominelle cw-effekt. I diagrammet i fig. 1 viser kurve a det typiske tidsmæssige forløb for udgangseffekten P af den af en fiberlaser genererede laserstråle, når denne styres, som pumpelyskilde anvendt diodelaser, med en i kurve b vist strømimpuls. I dette diagram kan det ses, at starten af laseremissionen er forsinket i forhold til starten af strømimpulsen I med en tid td. Udgangseffekten P stiger så hurtigt til en maksimal værdi Ppeak, for så efter denne korte stigning at svinge ind til cw-effekten Pcw, som i eksemplet kun udgør 20% af den maksimale effekt Ppeak i relaksationsimpulsen. Forsinkelsestid td, maksimalværdien Ppeak og bredde tw af relaksationsimpulsen afhænger i den forbindelse blandt andet af impulsfrekvensen, impulsbredden og den tilstræbte cw-effekt Pcw. I EP 2 136 439 A2 foreslås det derfor at undertrykke relaksationsimpulsen ved styring af den til den som pumpelyskilde anvendte diodelaser tilførte strømimpuls, idet denne i et første tidsafsnit styres til en lavere startværdi, ved hvilken laserudgangseffekten under alle omstændigheder opnår en værdi, som er så lav, at optræden af en relaksationsimpuls forhindres. I et andet tidsafsnit bliver så strømimpulsen styret til en slutværdi. Afhængigt af den tilstræbte slutværdi for laserudgangseffekten kan det, ved passende valg af laserudgangseffekten i det første tidsafsnit og dettes varighed, undgås, at der optræder en relaksationsimpuls.

Opfindelsen har nu til hensigt at angive en fremgangsmåde til materialebearbejdning med en af en fiberlaser genereret pulseret laserstråle, hvormed de ovenfor nævnte ugunstige virkninger i høj grad undgås. Desuden er det hensigten med opfindelsen at angive en indretning til udøvelse af fremgangsmåden.

Med hensyn til fremgangsmåden bliver den nævnte hensigt ifølge opfindelsen opnået ved en fremgangsmåde med de i patentkrav 1 angivne træk, i overensstemmelse med hvilke et i strålegangen for laserstrålen anbragt optisk koblingselement tidligst sluttes, når udgangseffekten fra laserstrålen er faldet under en forudbestemt værdi.

Ved passende valg af den forudbestemte værdi begynder materialebearbejdningen tidligst, når, i forbindelse med optræden af en relaksationsspids, dennes effekt er faldet til en værdi, ved hvilken de ovenfor nævnte ulemper ikke længere optræder. I overensstemmelse hermed er bearbejdningsresultaterne ved materialebearbejdningen, ved hvilken en smeltning eller påsmeltning af materialet er en væsentlig bestanddel af bearbejdningsprocessen, væsentligt forbedrede.

Med slutning af et optisk koblingselement forstås i det følgende en proces, ved hvilken koblingselementet sættes i en tilstand, i hvilken laserstrålen transmitteres. Når den forudbestemt værdi udgør to gange den indenfor pulsvarigheden ved opnåelse af en cw-drift fremkomne cw-udgangseffekt, kan de ovenfor nævnte ulemper pålideligt undgås.

Eftersom de opnåede bearbejdningsresultater er så meget bedre, jo mindre forskellen imellem den ved starten af impulsen optrædende maksimale effekt og den efterfølgende indstillede cw-effekt, er det i en foretrukken udførelsesform ifølge opfindelsen foreskrevet, at udgangseffekten fra laserstrålen ved slutning af det optiske koblingselement højest overskrider cw-udgangseffekten med 50%, fortrinsvis højst 10%. Når en med effekten for laserstrålen korreleret målestørrelse detekteres og anvendes til styring af koblingselementet, kan besværlige kalibreringsmålinger, som karakteriserer indkoblingsforholdene for fiberlaseren og koblingsforholdene for det optiske koblingselement og i givet fald kontrolmålinger, som skal gennemføres med regelmæssige tidsafstande, med henblik på fastlæggelse af koblingstidspunktet, bortfalde.

Med hensyn til indretningen bliver hensigten i overensstemmelse med opfindelsen løst ved de træk, som er angivet i patentkrav 6, som svarer analogt til de i krav 1 angivne træk.

Til videre forklaring af opfindelsen henvises til de i figurerne viste udførelseseksempler. På tegningen viser:

Fig. 1 et diagram, i hvilket strømimpulsen I i vilkårlige enheder (w.E.) til styringen af en til optisk pumpning anvendt diodelaser samt udgangseffekten P for en på denne måde i overensstemmelse med den kendte teknik optisk pumpet fiberlaser er vist som funktion af tiden t,

Fig. 2 et til udøvelse af fremgangsmåden i overensstemmelse med opfindelsen egnet laseranlæg i en skematisk principafbildning,

Fig. 3 et diagram, ved hvilket ligeledes udgangseffekten P fra fiberlaseren og strømimpuslen I er vist som funktion af tiden t, og hvor den primære relaksationsspids blokeres ved hjælp af det optiske koblingselement,

Fig. 4 en fordelagtig udførelsesform for et til udøvelse af fremgangsmåden i overensstemmelse med opfindelsen egnet laseranlæg med en i strålegangen for laserstrålen anbragt strålingsdetektor til detektion af en med udgangseffekten korreleret målestørrelse.

Ifølge figur 2 indeholder et laseranlæg en fiberlaser 2, hvis laserfiber 4 pumpes optisk af en diodelaser 6. Det af diodelaseren 6, som regel i et arrangement af adskillige enkeltemittere, emitterede pumpelys A (pumperlaserimpuls) bliver indkoblet i langs laserfiberen 4 anbragte pumpefibre eller i en kappe på laserfiberen 4 og når derfra ind i den laseraktive fiberkerne. Den af laserfiberen 4 genererede laserstråle L bliver ved hjælp af en symbolsk anskueliggjort afbildnings- og strålingsføringsindretning 8 fokuseret på et materiale 10, som skal bearbejdes. Diodelaseren 6 forsynes af en styrbar strømkilde 12 med en strømimpuls I. Strømkilden 12 styres med et styresignal S1 fra en central styreenhed 14, idet der ud over højde og varighed af strømimpulsen I også variabelt kan styres dennes impulsform 12. Styreenheden 14 styrer via yderligere styresignaler S2, S3 den relative bevægelse imellem materiale 10 og laserstråle 11, samt yderligere procesparametre for bearbejdningsprocessen.

Laserfiberen 4 er eksternt efterkoblet et af styreenheden styret optisk koblingselement 16, eksempelvis en optisk kobler, en omskiftelig absorber eller en omskiftelig reflektor, som efter en forsinkelsestid Td først derefter sluttes og transmitterer laserstrålen L i retning mod materialet 10, når den primære relaksationsimpuls er klinget af og udgangseffekten for laserstrålen er faldet under en forudbestemt værdi. Denne værdi afhænger af typen af materialebearbejdning, materialet og den til bearbejdningen tilstræbte effekt og skal alt efter anvendelsessituationen eksperimentelt tilvejebringes. I overensstemmelse hermed kan diodelaseren 6 styres med en rektangulært formet strømimpuls I, ved hvilken optræden af en relaksationsimpuls er uundgåelig, eftersom denne i det mindste delvist optisk blokeres, dvs. ikke ledes til materialet.

Dette er vist i diagrammet i figur 3, hvor forsinkelsestiden Td er så stor, at laserfiberen ved slutning af det optiske koblingselement allerede er overgået til en cw-drift med i det mindste tilnærmelsesvis konstant udgangseffekt P og i overensstemmelse med den i kurven a viste, til materialebearbejdning anvendte laserimpuls ikke har nogen overhøjde. Impulsvarigheden Tc for den i kurve b viste rektangulært formede strømimpuls I, er i den forbindelse med forsinkelsestiden Td længere, med henblik på at opnå en for bearbejdningsprocessen tilstræbt henholdsvis nødvendig impulsvarlighed Tp for laserimpulsen.

Styringsparametrene for fiberlaseren, i ansøgningen eksempelvis anskueliggjort med den til styring af diodelaseren anvendt strømimpuls, eller koblingsforholdene for det optiske koblingselement 16, afhænger i den forbindelse af indkoblingsforholdene for den respektive anvendte fiberlaser og skal på forhånd bestemmes for i det mindste hver fiberlasertype ved måling og lagres i styreindretningen 14.

En sådan forudgående kalibrering henholdsvis regelmæssig kontrolmåling og fornyet fastlæggelse af styreparametrene for strømkilden eller koblingstidspunktet for det optiske koblingselement kan bortfalde, når der i udførelsesformen for laseranlægget ifølge figur 4 detekteres en med udgangseffekten fra fiberlaseren korreleret målestørrelse. Hertil bliver eksempelvis en mindre del af laserstrålen udkoblet ved refleksion og effekten af den udkoblede laserstråle detekteret i en strålingsdetektor 18. Det af strålingsdetektoren 18 genererede målesignal M bliver ført videre til den centrale styreenhed 14. Ud fra målesignalet M afledes et styresignal S1 til styring af det optiske koblingselement 16, idet det optiske koblingselement 16 sluttes, når eksempelvis i styreenheden 14 en udklingning af effekten af relaksationsimpulsen til en forudbestemt værdi, eksempelvis en til dennes maksimum refererende procentværdi, er fastslået. Særligt godt reproducerbare bearbejdningsresultater kan opnås, når den forudbestemte værdi udgør i det mindste 2 gange, fortrinsvis i det mindste 1,5 gange, særligt i det mindste 1,1 gange den tilstræbte cw-effekt, eller når opnåelse af et cw-plateau er fastslået.

En sådan, i overensstemmelse med opfindelsen foretrukken minimal forsinkelsestid Td,min er vist i diagrammet i figur 3, hvor det optiske koblingselement 16 allerede indkobles, når udgangseffekten P for relaksationsimpulsen er klinget af til omtrent to gange den, i det viste eksempel udgørende omtrent 200 W, cw-effekt, og i dette eksempel har nået en værdi på omtrent 400 W. I praksis har det nemlig vist sig, at det også kan være tilstrækkeligt, at den af en relaksationsspids optrædende startoverskridelse, dvs. den ved tidlig trigning (slutning) af koblingselementet i triggertidspunktet stadig i den afklingende flanke foreliggende udgangseffekt P ikke overskrider to gange cw-udgangseffekten Pcw. I de eksempelvis viste diagrammer er rektangulært formede laserimpulser vist, ved hvilke udgangseffekten i cw-drift er konstant. Grundlæggende er imidlertid også impulsformer mulige, ved hvilke udgangseffekten i cw-drift ikke er konstant, men eksempelvis er moduleret. I de viste udførelseseksempler er det optiske koblingselement 16 anbragt uden for laserfiberen 4. Grundlæggende er det imidlertid også muligt at integrere koblingselementet 16 i laserfiberen 4.

Claims (8)

1. Fremgangsmåde til materialebearbejdning med en af en laserfiber (4) genereret pulseret laserstråle (L), kendetegnet ved et eksternt i forhold til laserfiberen (4) efterkoblet optisk koblingselement (16), hvor det i strålegangen for laserstrålen (L) anbragte optiske koblingselement (16) tidligst sluttes og sættes i en tilstand, i hvilken laserstrålen transmitteres, når udgangseffekten (P) for laserstrålen (L) er faldet under en forudbestemt værdi.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, ved hvilken det optiske koblingselement (16) tidligst sluttes, når udgangseffekten (P) for laserstrålen (L) er faldet til under to gange den indenfor pulsvarigheden ved opnåelse af en cw-drift fremkomne cw-udgangseffekt (Pcw).

3. Fremgangsmåde ifølge krav 2, ved hvilken udgangseffekten fra laserstrålen (L) ved slutning af det optiske koblingselement (16) højst overskrider cw-udgangseffekten (Pcw) med 50%.

4. Fremgangsmåde ifølge krav 2, ved hvilken udgangseffekten fra laserstrålen (L) ved slutning af det optiske koblingselement (16) højst overskrider cw-udgangseffekten (Pcw) med slutning af det optiske koblingselement (16) med 10%.

5. Fremgangsmåde ifølge ethvert af kravene 1-4, ved hvilken en med udgangseffekten (P) for laserstrålen (L) korreleret målestørrelse (M) detekteres og anvendes til styring af koblingselementet (16).

6. Indretning til materialebearbejdning med en af en fiberlaser (2) genereret pulserende laserstråle (L), med en diodelaser (6) til pumpning af laserfiberen (4) i fiberlaseren (2), en styrbar strømkilde (12) til forsyning af diodelaseren (6) med en strømimpuls (I), kendetegnet ved et i strålegangen for laserstrålen (L) anbragt optisk koblingselement (16), som eksternt er efterkoblet laserfiberen (4), samt med en styreenhed (14) til udøvelse af fremgangsmåden ifølge ethvert af kravene 1-4.

7. Indretning ifølge krav 6, med en strålingsdetektor (18) til måling af en med udgangseffekten (P)for laserstrålen (L) korreleret målestørrelse (M), ved hvilken styreenheden (14) er indrettet til udøvelse af fremgangsmåden ifølge krav 5.

8. Indretning ifølge krav 6 eller 7, hvor det optiske koblingsselement (16) er integreret i laserfiberen (4).