EP0698800A1 - Process for controlling the laserbeam intensity repartition for processing element surfaces - Google Patents

Process for controlling the laserbeam intensity repartition for processing element surfaces Download PDF

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EP0698800A1
EP0698800A1 EP19950111747 EP95111747A EP0698800A1 EP 0698800 A1 EP0698800 A1 EP 0698800A1 EP 19950111747 EP19950111747 EP 19950111747 EP 95111747 A EP95111747 A EP 95111747A EP 0698800 A1 EP0698800 A1 EP 0698800A1
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laser
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oscillation
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modulated
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EP19950111747
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Lothar Dr. Morgenthal
Dieter Dr. Pollack
Andreas Mertz
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21LIGHTING
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    • F21S8/00Lighting devices intended for fixed installation
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21LIGHTING
    • F21WINDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO USES OR APPLICATIONS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS
    • F21W2131/00Use or application of lighting devices or systems not provided for in codes F21W2102/00-F21W2121/00
    • F21W2131/40Lighting for industrial, commercial, recreational or military use
    • F21W2131/401Lighting for industrial, commercial, recreational or military use for swimming pools

Abstract

A process for controlling the beam intensity distribution in laser beam surface treatment, comprises using a conventional mirror (system) for beam shaping carried out using the sinusoidal harmonic beam oscillation as control function for the mirror (system) by means of one or more galvano-scanners. The intensity distribution, produced on a component surface during beam shaping, is adjusted independently of the selected shape and size of the scanned surface region, without the need for action on the laser.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Laserstrahlintensitätsverteilung für die Bearbeitung von Bauteiloberflächen. The invention relates to a method for controlling the laser beam intensity distribution for the processing of component surfaces. Sie findet bei der Laserbearbeitung von Oberflächen, wie zB Umwandlungshärten, Umschmelzen, Legieren, Beschichten usw., von Oberflächen im festen und/oder flüssigen Zustand Anwendung. She finds so in laser machining of surfaces, such as transformation hardening, remelting, alloying, coating of surfaces in the solid and / or liquid state application. Ein Anwendungsgebiet, bei dem die Erfindung besonders vorteilhaft einsetzbar ist, ist die Laserstrahloberflächenhärtung von Bauteilen aus metallischen Werkstoffen. One field of application where the invention is used particularly advantageously, the Laserstrahloberflächenhärtung of components made of metallic materials.
  • Es ist bekannt, daß insbesondere für die Oberflächenveredlung mit leistungsstarken Lasern eine anwendungsspezifische, dem jeweiligen Bearbeitungsfall angepaßte Strahlformung in der Regel aus technischen, technologischen und wirtschafflichen Erwägungen erforderlich ist (Herziger/Loosen, Werkstoffbearbeitung mit Laserstrahlung: Grundlagen, München; Wien; Hanser, 1993). It is known that particularly for the surface finishing with powerful lasers an application-specific, adapted to the respective machining case beamforming usually technical, technological and economic generating handy considerations is required (Herziger / Loosen, material processing with laser radiation: fundamentals, Munich, Vienna, Hanser, 1993 ). Ein wesentlicher Vorteil der Randschichtbehandlung mit Laserstrahlung gegenüber konventionellen Verfahren ist die lokale Bearbeitung an komplexen Bauteilgeometrien. A significant advantage of the surface layer treatment with laser radiation over conventional processes is the local processing of complex part geometries. Um diesen Vorteil zu realisieren, muß die Geometrie und die Intensitätsverteilung der Laserstrahlung an die jeweilige Aufgabenstellung angepaßt werden. In order to realize this advantage, the geometry and the intensity distribution of the laser radiation must be matched to the respective task. Außerdem muß, die werkstoffphysikalischen Gegebenheiten berücksichtigend, in der Regel eine definierte, vielfach homogene Temperaturverteilung im Werkstück garantiert werden. It must also, the material-physical conditions into consideration, a defined, often homogeneous temperature distribution in the workpiece are typically guaranteed. Erfüllt werden diese Anforderungen, wenn will meet these requirements when
    • die Strahlgeometrie variabel einstellbar ist, the beam geometry is adjusted variably,
    • die Intensitätsverteilung an die Bearbeitungsgeometrie und die gewünschte Temperaturverteilung anpaßbar ist the intensity distribution of the processing geometry and the desired temperature distribution is adjustable
      und and
    • die Prozeßintensität (mittlere Leistung/Flächeneinheit) ausreichend veränderbar ist. the process intensity (average power / unit area) is sufficiently changed.
  • Es ist bekannt, zur Erfüllung der og Forderungen den üblicherweise kreisrunden Laserstrahl durch einen oder zwei orthogonal zueinander stehende, um eine Achse bewegliche Spiegel (Scannerspiegel) zu einem Strich oder Rechteck auf der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche abzubilden (US-P 3,848,104; US-P 3,952,180; CH-P 616,357; EP-0,445,699). It is known to meet the above requirements the usually circular laser beam standing by one or two mutually orthogonal in order to map an axis movable mirror (scanning mirror) to a bar or rectangle on the workpiece to be machined surface (US-P 3,848,104; US-P 3,952,180 CH-P 616.357; EP-0,445,699). Weiter wird beschrieben, daß die Größe und die Form des auf der Werkstückoberfläche durch den Laserstrahl beleuchteten Gebietes durch die Ansteuerung der Scannerspiegel beeinflußt werden kann (DD 227 904 A1). Next it is described that the size and the shape of the on the workpiece surface illuminated by the laser beam area can be influenced by the control of the scanner mirror (DD 227 904 A1).
  • Bei konstanter Laserleistung (cw-Laser) wird die sich einstellende Intensitätsverteilung in diesem Gebiet durch die vorgegebene Größe und Form und vor allem durch die realisierte Schwingungsform der Spiegelbewegung, dh durch die Momentangeschwindigkeit des Laserspots in jedem Punkt des abgescannten Oberflächenfeldes, bestimmt. At a constant laser power (cw-laser) is viewed adjusting intensity distribution in this area by the predetermined size and shape, and especially by the realized waveform of the mirror movement, that is, by the instantaneous speed of the laser spot at any point in the scanned surface field is determined. Wie der Fachwelt bekannt, ist "cw" eine Angabe zur Betriebsart von Lasern. As known in the art, is "cw" an indication of the mode of operation of lasers. CW bedeutet Dauerstrichbetrieb (cw = "continous wave") bzw. auch kontinuierliche Betriebsart genannt. CW is continuous wave (cw = "continuous wave") and also called continuous mode. Im Gegensatz dazu gibt es den Pulsbetrieb (P). In contrast, there is the pulse mode (P). Die Betriebsart liefert im Fall der Dauerstrichlaser einen kontinuierlichen Laserstrahl bis max. The operating mode provides in the case of the continuous wave laser a continuous laser beam to max. zur Nennausgangsleistung des Gerätes. the rated output power of the device. Die Ausgangsleistung läßt sich in Grenzen durch Änderung der Anregungsleistung regeln. The output power can be regulated within limits by changing the excitation power.
  • Typisch ist, daß im og Anwendungsgebiet der Erfindung die hohe Wärmeleitfähigkeit der Metalle in der Regel Schwingfrequenzen von größer 100 Hz erfordert, damit die frequenzabhängigen Temperaturschwankungen an der Oberfläche ins Werkstückinnere hinein schnell abklingen. It is typical that in the above mentioned field of application of the invention the high thermal conductivity of metals generally requires oscillation frequencies of greater than 100 Hz, so that the frequency-dependent variations in temperature at the surface subside into the workpiece interior into fast. Bekannt ist ferner, daß die für steuerbare Schwingspiegelsysteme eingesetzten Galvanoscanner in diesem Frequenzbereich in der Regel nur noch harmonische Schwingungen ausführen können. It is also known that the galvano scanner used for controllable oscillating mirror systems in this frequency range usually only be able to carry out harmonic vibrations. Ursache dafür ist das Masseträgheitsmoment der bewegten Schwingsystemkomponenten (Rotor des Schwingmotors und Laserspiegels), wobei insbesondere die im Laserleistungsbereich ab 1 kW erforderlichen Kupferspiegel mit einem für die Strahlübertragung notwendigen Durchmesser den Hauptanteil des Trägheitsmomentes ausmachen. This is due to the mass inertia of the moving vibrating system components (rotor of the vibrating motor and the laser mirror), in particular making up the from 1 kW required in the laser power range copper mirror with a necessary for the beam transmission diameter of the major portion of the moment of inertia. Das hat nachteilig zur Folge, daß beispielsweise bei einer eindimensionalen Strahloszillation im Bereich der Schwingungsumkehrpunkte am Spurrand eine Intensitätsüberhöhung auftritt, die im Vergleich zur Spurmitte umso größer wird, je mehr die Schwingamplitude bei konstantem Spotdurchmesser gesteigert wird. This has disadvantageous consequence that an intensity overshoot occurs for example in a one-dimensional beam oscillation in the oscillation reversal points on the track edge which is greater in comparison to the track center, the more the vibration amplitude is increased at a constant spot diameter.
  • Für das Randschichthärten kann dieser Effekt in einigen Fällen genutzt werden, um durch Kompensieren der höheren Wärmeleitungsverluste an den Spurrändern eine homogene Bearbeitungsgeometrie zu erzielen (DD 242 358 und "Homogene Laserstrahlhärtung mittels hochfrequenter Strahloszillation", S. Völlmar; W. Pompe; H. Junge in Neue Hütte, 31. Jg., Heft 11, Nov. 86, Seiten 414 - 418). For surface hardening of this effect can be used in some cases to achieve by compensating for the higher heat conduction losses at the track edges a homogeneous machining geometry (DD 242 358 and "Homogeneous laser beam hardening using high-frequency beam oscillation", p Völlmar; W. Pompe, H. Young in New cabin, 31, born, No. 11, Nov. 86, pages 414 -. 418). Nachteilig ist jedoch, daß dabei in Abhängigkeit vom eingesetzten Werkstoff und der Laserleistung ein optimales Verhältnis Schwingamplitude A / Spotradius R (in der Regel A/R = 1,5...2,5) in engen Grenzen eingehalten werden muß, weil nur dann die Intensitätsdifferenz zwischen Spurmitte (schnelle Spotbewegung) und Spurrändern (langsame Spotbewegung) zu einem ausgeglichenen Temperaturfeld als Voraussetzung für eine homogene Bearbeitungsgeometrie führt. However, it is disadvantageous that it depending on the material used and the laser power optimal ratio swing amplitude A / spot radius R (usually A / R = 1.5 ... 2.5) must be maintained within narrow limits, because only then the intensity difference between the track center (rapid spot movement) and trace edges (slow moving spot) resulting in a balanced temperature field as a precondition for a homogeneous machining geometry. Das verhindert beispielsweise die wünschenswerte Erzeugung breiterer Härtespuren durch einfaches Vergrößern der Schwingbreite bei sonst gleicher Versuchsführung. This prevents, for example, the desirable hardness generating wider traces by simply increasing the vibration amplitude with otherwise the same experimental procedure.
  • Neuere Entwicklungen versuchen, diesen Nachteil durch eine Kombination der Strahloszillationssysteme mit einer schnellen Leistungssteuerung bei hochfrequenzangeregten CO₂-Lasern zu vermeiden (Rudlaff, Th; Dausinger, F.: Hardening with variable intensity distribution Proceedings, "ECLAT 90", Sprechsaal Publishing 1990). Recent developments try to avoid this disadvantage by combining the Strahloszillationssysteme with a fast power control at high frequency excited CO₂ lasers (Rudlaff, Th; Dausinger, F .: Hardening with variable intensity distribution Proceedings, "ECLAT 90" Sprechsaal Publishing 1990).
  • Damit gelingt es zwar, die Intensitätsverteilung im abgescannten Bereich weitgehend unabhängig von der verwendeten Schwingamplitude, -frequenz und Schwingungsform zu gestalten, allerdings ist dieses Verfahren auf schnell steuerbare, dh hochfrequenzangeregte Laser beschränkt. This makes it possible though, the intensity distribution in the scanned area largely frequency independent of the oscillation amplitude and shape waveform, however, this method is quickly controllable, ie high frequency excited laser limited. Außerdem ist nachteilig, daß aufgrund der Leistungssteuerung und der erforderlichen Steuerreserven für die Bearbeitung nur eine deutlich unter der Nennleistung des Lasers liegende mittlere Leistung wirksam wird. In addition, it is disadvantageous that only a well below the rated power of the laser mean power is effective due to the power control and the required control reserves for processing. Eine weitere neue Entwicklung zur Beeinflussung der Intensitätsverteilung bei sinusförmiger Strahloszillation beruht auf der Überlagerung der Strahloszillation mit impulsförmiger Laserstrahlung (Lepski, D.; Morgenthal, L.; Völlmar, S.: Optimierung der Oberflächenbehandlung bei Einwirkung pulsierender oszillierender Laserstrahlung, LASER 93, München 1993). Another new development for influencing the intensity distribution at sinusoidal beam oscillation is due to the superposition of the beam oscillation with pulsed laser radiation (Lepski, D .; Morgenthal, L .; Völlmar, S .: optimization of surface treatment under the effect of pulsating oscillating laser radiation LASER 93, Munich 1993 ). Auch hiermit gelingt eine Formung der Intensitätsverteilung. Also hereby succeeds in shaping the intensity distribution. Die Methode ist jedoch auf gepulst arbeitende (zB Nd-YAG-Laser) oder hinreichend schnell pulsbare Laser (zB hochfrequenzangeregte (CO₂-Laser) beschränkt. However, the method (pulsed on working (for example, Nd-YAG laser) or sufficiently quickly pulsable laser, for example, high-frequency excited (CO₂) laser limited.
  • Es ist nunmehr Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung der Laserintensitätsverteilung für die Bearbeitung von Bauteiloberflächen mit Laserstrahlung vorzuschlagen, das sämtliche Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist. It is now an object of the invention to provide a method for controlling the laser intensity distribution for the machining of workpiece surfaces with laser radiation, which does not have all the disadvantages of the prior art.
  • Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der genannten Art anzugeben, bei dem It is thus an object of the invention to provide a method of the type mentioned, in which
    • die Strahlgeometrie variabel einstellbar ist, the beam geometry is adjusted variably,
    • die Laserstrahlintensitätsverteilung an die Bearbeitungsgeometrie und an die gewünschte Temperaturverteilung anpaßbar ist the laser beam intensity distribution is adapted to the geometry processing and the desired temperature distribution
      und and
    • die Prozeßintensität (mittlere Leistung/Flächeneinheit) ausreichend veränderbar ist. the process intensity (average power / unit area) is sufficiently changed.
  • Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der genannten Art vorzuschlagen, bei dem im Falle der eindimensionalen Strahloszillation und bei konstantem Spotdurchmesser im Bereich der Schwingungsumkehrpunkte am Spurrand auch bei Steigerung der Schwingungsamplitude keine Intensitätsüberhöhung auftritt, wenn diese nicht gewünscht ist. It is a further object of the invention to propose a method of the type mentioned in the case of one-dimensional beam oscillation and constant spot diameter in the range of the oscillation reversal points no intensity cant occurs when the track edge even with increase of the oscillation amplitude, if this is not desired.
  • Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der genannten Art aufzuzeigen, bei dem das in Abhängigkeit vom eingesetzten Werkstoff und der Laserleistung optimale Verhältnis Schwingamplitude/Spotradius nicht in engen Grenzen eingehalten werden muß. Moreover, it is an object of the invention to provide a method of the type mentioned, in which the optimum depending on the material used and the laser output ratio swing amplitude / spot radius must not be kept within narrow limits.
  • Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der genannten Art anzugeben, bei dem die Erzeugung breiterer Härtungsspuren auch durch einfaches Vergrößern der Schwingbreite bei sonst gleicher Versuchsdurchführung möglich ist. It is thus an object of the invention to provide a method of the type mentioned, in which the generation of wider Härtungsspuren is also possible by simply increasing the stress range with otherwise the same experimental procedure.
  • Zusätzlich ist es noch Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der genannten Art vorzuschlagen, das nicht auf bestimmte Laser (zB auf hochfrequenzangeregte Laser) oder bestimmte Lasertypen (zB Nd-YAG-Laser) beschränkt ist. In addition, it is still an object of the invention to propose a method of the type mentioned which does not to certain lasers (for example, radio frequency excited laser) or certain types of lasers is limited (eg Nd-YAG laser).
  • Es ist außerdem Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der genannten Art anzugeben, bei dem die wirksam werdende mittlere Leistung nicht bzw. nur unwesentlich unter der Nennleistung des Lasers liegt. It is also an object of the invention to provide a method of the type mentioned, in which the average power becomes effective is not or only slightly below the nominal power of the laser.
  • Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben mit dem in Anspruch 1 vorgeschlagenen Verfahren gelöst. According to the invention these objects are achieved with the method proposed in claim 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 8 dargelegt. Advantageous embodiments are set forth in the claims 2 to. 8
  • Dabei wird ein Verfahren zur Steuerung der Laserstrahlintensitätsverteilung für die Bearbeitung von Bauteilen mittels Laserstrahlung, bei dem herkömmliche Spiegel bzw. Spiegelsysteme (bei Laserleistungen ab 1 kW vorzugsweise Kupferspiegel) zur Laserstrahlformung eingesetzt werden und bei dem die Laserstrahlformung auf der Basis der sinusförmigen, harmonischen Strahloszillation als Ansteuerfunktion für den Spiegel bzw. das Spiegelsystem mittels mindestens einem Galvanoscanner erfolgt. Here, a method of controlling the laser beam intensity distribution for processing components by means of laser radiation, in the conventional mirror or mirror systems (preferably at laser powers from 1 kW copper mirrors) can be used for laser beam shaping, and wherein the laser beam shaping as on the basis of the sinusoidal, harmonic beam oscillation control function is carried out for the mirror or the mirror system by means of at least one galvano.
  • Erfindungsgemäß wird die bei der Laserstrahlformung auf der Basis der sinusförmigen Strahloszillation auf einer Bauteiloberfläche erzeugte Intensitätsverteilung unabhängig von der gewählten Form und Größe des abgescannten Oberflächenbereiches eingestellt, ohne daß auf den verwendeten Laser eingewirkt werden muß. According to the invention, the intensity distribution generated in the laser beam formation on the basis of the sinusoidal beam oscillation on a component surface is set regardless of the chosen shape and size of the scanned surface area without the need to act on the laser used. Das wird erreicht durch eine vorgebbare Überlagerung sinusförmiger Oszillationen als Ansteuerfunktion für das Schwingspiegelsystem (Scannersystem). This is achieved by a predetermined superposition of sinusoidal oscillations as a control function for the oscillating mirror system (scanner system). Diese Einstellung der Intensitätsverteilung erfolgt derart, daß mehrere, harmonische Ansteuerfunktionen durch Überlagerung so moduliert werden, daß die Momentangeschwindigkeit des bewegten Laserspots in gewünschtem Sinne beeinflußt wird. This adjustment of the intensity distribution is effected such that a plurality of harmonic control functions are modulated by superimposition so that the instantaneous speed of the moving laser spot is influenced in the desired sense. Das bedeutet, daß im Bereich der Spurränder in der Regel wegen Intensitätsüberhöhungen eine Amplitudenmodulation mit hohem Modulationsgrad (Nahe 1) verwendet werden muß. This means that because of the intensity peaks amplitude modulation in the region of the track margins usually with a high degree of modulation (close to 1) must be used.
  • Dabei liefert, und es ist somit von Vorteil so zu verfahren, von allen bekannten Modulationsverfahren nur die Modulation der Amplitude harmonischer Schwingungen in Bezug auf die eingesetzten Galvanoscanner praktisch anwendbare Ergebnisse. Here supplies, and it is therefore to proceed so advantageous from all known modulation method, only the modulation of the amplitude of harmonics with respect to the used Galvano practically applicable results.
  • Für die Erfindung ist von Bedeutung, daß Galvanoscanner mit den üblicherweise für die Lasermaterialbearbeitung eingesetzten Spiegeln bei den geforderten hohen Frequenzen keine anderen als harmonische Schwingungen ausführen, die, wie bereits dargestellt, erfindungsgemäß durch Überlagerung mehrerer harmonischer Ansteuerfunktionen so moduliert werden können, daß die Momentangeschwindigkeit des bewegten Laserspots in gewünschtem Sinne beeinflußt wird. For the invention is of importance that galvano run with the conventionally used for laser material processing levels in the required high frequencies no other as harmonic vibrations which, multiple harmonic control functions can as already described according to the invention by superposition are modulated so that the instantaneous speed of the moving the laser spot is influenced in the desired sense. Für die Werkstückbearbeitung wird in erster Linie die über viele Modulationsperioden integrierte Intensitätsverteilung wirksam. For workpiece machining primarily built over many modulation periods intensity distribution is effective. Deren Form kann nun durch die Modulation der Trägerschwingung variiert werden, ohne daß sich die wirksame Größe und Form des auf der Werkstückoberfläche abgebildeten gescannten Bereiches ändert. Whose shape can be varied by the modulation of the carrier oscillation now without changing the effective size and shape of the imaged on the workpiece surface scanned area changes.
  • Das Masseträgheitsmoment der in der Materialbearbeitung üblicherweise eingesetzten Metallspiegel hat zur Folge, daß der den Laserstrahl ablenkende Scannerspiegel bei höherfrequenter Anregung (≧100Hz) der eingesetzten Galvanoscanner unabhängig von der Form (Zeitverlauf) der periodischen Anregungsfunktion (Dreieck-, Rechteckfunktionen) diese zu sinusförmigen Schwingungen verschleift. The moment of inertia of the metal mirror normally used in material processing has the result that the laser beam deflecting scanning mirror at higher frequency excitation (≧ 100Hz) smooths these sinusoidal vibratory pattern of the galvano scanner used regardless of the shape (time) of the periodic excitation function (triangular, rectangular functions) ,
  • Erfindungsgemäß wird dagegen der Galvanoscanner mit solchen harmonischen Schwingungsverläufen (Sinus oder Kosinus) angeregt, die bezüglich Frequenz und Amplitude praktisch realisiert werden können. According to the invention, however, the galvano scanner is excited with such harmonic waveforms (sine or cosine), the frequency and amplitude can be realized in practice with respect to. Dabei wird, aus einer Trägerschwingung B und mindestens einem weiteren, modulierten Schwingungsanteil A und/oder C, eine harmonische Gesamtschwingung zusammengesetzt. In this case, is composed of a carrier wave B and at least one further modulated oscillation component A and / or C, a total harmonic oscillation. Dabei kann durch die Amplitude der Trägerschwingung (unter Berücksichtigung des Spotdurchmessers) die Spurbreite eingestellt werden, während die überlagerten modulierten Anteile (A und/oder C) die angestrebte integrale Intensitätsverteilung in der Periodendauer formen. Here, the track width can be adjusted by the amplitude of the carrier oscillation (in consideration of the spot diameter), while the superimposed modulated components (A and / or C) form the desired integral intensity distribution in the period duration.
  • Durch die Variation einer Reihe weiterer, die Modulation beschreibender Parameter By varying a number of other, the modulation parameter describing
    • Trägerfrequenz (f T ), Carrier frequency (f T),
    • Frequenz der modulierten Schwingung (f O ), Frequency of the modulated oscillation (f O),
    • Zyklusdauer der modulierten Anteile (A und/oder B), Cycle time of the modulated portions (A and / or B),
    • Amplitudenverlauf des modulierten Anteils (A u./o. C) mit seinem Modulationsgrad (m), Amplitude course of the modulated portion (A u./o. C) with its modulation degree (m),
    • Verhältnis von moduliertem und unmoduliertem Anteil in der Gesamtschwingung, Ratio of modulated and unmodulated content in the total oscillation,
    • Amplitudenversatz für die verschiedenen Schwingungsanteile (Offset), siehe Fig. 2, Amplitude offset for the different oscillation portions (offset), see Fig. 2,
    kann die integrale Intensitätsverteilung im abgescannten Oberflächenfeld in weiten Grenzen variiert werden. the integral intensity distribution can be varied in the scanned surface field within wide limits.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist in nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert. The inventive method is explained in detail in subsequent embodiments. Zum besseren Verständnis dienen die Figuren 1 bis 6, in denen die erfindungsgemäße Modulation der Ansteuerfunktionen durch Überlagerung dargestellt ist. To better understand the figures 1 to 6 are used, in which the modulation according to the invention of the control functions is represented by superposition.
  • Im einzelnen stellen ask in detail
  • Figur 1 Figure 1
    Zusammengesetzte Scanner-Ansteuerfunktion Composite scanner control function
    Figur 2 Figure 2
    Zusammengesetzte Scanner-Ansteuerfunktion mit Amplitudenversatz Composite scanner control function with amplitude offset
    Figur 3 Figure 3
    Blockschaltbild und Beispiele zum Strahlformungssystem Block diagram of and example for beam shaping system
    Figur 4 Figure 4
    Ansteuerparameter des Intensitätsprofils vom Typ a) Driving parameters of the intensity profile of type a)
    Figur 5 Figure 5
    Ansteuerparameter des Intensitätsprofils vom Typ b) Driving parameters of the intensity profile of the type b)
    Figur 6 Figure 6
    Ansteuerparameter des Intensitätsprofils vom Typ c) Driving parameters of the intensity profile of the type c)
    dar, represents,
    wobei jeweils skizzenhaft zur Modulation auch die jeweilige Laserstrahlintensitätsverteilung auf der Bauteiloberfläche dargestellt ist. wherein each sketchy for modulating the respective laser beam intensity distribution is shown on the component surface. Ausführungsbeispiel embodiment
  • Im nachfolgenden wird an Hand der Zeichnungen das erfinderische Verfahren näher erläutert. In the following, the inventive method is explained in detail with reference to the drawings.
  • In Figur 1 und 2 sind, beispielsweise, zusammengesetzte Scanner-Ansteuerfunktionen, dargestellt. are shown in Figure 1 and 2, for example, composite scanner control functions is shown. Die Amplituden-Zeit-Funktionen demonstrieren die ausschließlich sinus- oder kosinusförmigen Scanner-Ansteuerfunktionen. The amplitude-time functions demonstrate the only sine or cosine scanner control functions. Zusätzlich werden in Figur 1 Anteile der Trägerschwingung B mit weiteren modulierten Schwingungsanteilen A und C dargestellt, die sich als harmonische Gesamtschwingung zusammensetzen. In addition, 1 of play of the carrier wave B in FIG be illustrated in further modulated harmonic components A and C, which are composed as total harmonic oscillation. Der Modulationsgrad m, im Wertebereich Null bis Eins, ist ein Maß für den modulierten Zylklus. The degree of modulation m, the value range zero to one, is a measure of the modulated Zylklus.
  • In Figur 3 ist das Rohstrahlprofil eines CO₂-Lasers mit der Modstruktur TEM20 dargestellt. In Figure 3, the Rohstrahlprofil of a CO₂-laser is presented with the Modstruktur TEM20. Der Laserrohstrahl 1, mit einem Durchmesser von 32mm, wird durch einen Fokussierspiegel 2 mit einer Brennweite von 400mm fokussiert und über einen Planspiegel 3, der an einem Galvanoscanner 4 befestigt ist auf die Probe 5 gelenkt. The Laserrohstrahl 1, with a diameter of 32mm, is focused by a focal length of 400mm and directed via a plane mirror 3 which is fixed to a galvano scanner 4 on the sample 5 by a focusing mirror. 2 Fokussierspiegel 2, Planspiegel 3 und Galvanoscanner 4 sind in einem Schwingspiegelbearbeitungskopf integriert. Focusing mirror 2, plane mirror 3 and 4 are integrated into a galvano mirror oscillating machining head.
  • Die digitale Ansteuerung des Galvanoscanners wird durch einen Hostrechner 6 realisiert, sein Ausgangssignal am Datenbus wird einer Digital-/Analogwandlung 7 und anschließend einer Verstärkung 8 (Ausgangsverstärker) unterzogen. The digital control of the galvano is realized by a host computer 6, its output on the data bus is a digital / analog conversion and then a gain 7 8 (output amplifier) ​​subjected. Die gewünschten Ansteuerfunktionen, die die angestrebten Intensitätsprofile 9, hier beispielhaft als Intensitätsprofil 9 a), b) und c) dargestellt, werden softwaremäßig mit den obengenannten Parametern entsprechend des gesuchten Intensitätsprofiles generiert. The desired control functions, the 9 represented the desired intensity profiles exemplified herein as intensity profile 9 a), b) and c) are generated by software with the above-mentioned parameters according to the desired intensity profile. Die Auslenkung des Planspiegels 3 im Schwingspiegelkopf basiert auf der Ausgabe des jeweils aktuellen Amplitudenwertes. The deflection of the plane mirror 3 in the oscillating mirror head based on the output of the current amplitude value. Dieses Werte werden entweder, ausgehend von der mathematischen Modellierung der Modulation berechnet, wobei, wie beschrieben, die Einführung zusätzlicher Parameter (Zyklusdauer der modulierten Anteile, Verhältnis der modulierten uund nichtmodulierten Schwingungsanteile, Amplitudenversatz) erforderlich ist. This values ​​are either calculated from the mathematical modeling of the modulation, wherein, the introduction of additional parameters (cycle time of the modulated components, ratio of the modulated uund not modulated oscillation components, amplitude offset) is required as described. Alternativ dazu kann die Ansteuerfunktion graphisch, ähnlich wie in einem Zeichenprogramm kreiert werden. Alternatively, the control function can graphically be done similarly as in a drawing program. Bei beiden Methoden werden die Amplitudenwerte in einem Datenarray zusammengefaßt, das für die Dauer der Bearbeitung zyklisch an den Scannerkopf ausgegeben wird und somit eine sinusförmige Strahloszillation, in der Spur 10, bewirkt. In both methods, the amplitude values ​​are summarized in a data array that is output for the duration of the processing cycle to the scanner head and thus a sinusoidal beam oscillation, in the track 10, causes. In Figur 4, 5 und 6 sind von den Intensitätsprofilen a), b) und c) die Ansteuerparameter, die jeweilige Ansteuerfunktion und die zugehörigen Intensitätsprofile der Typen a), b) und c) in Plexiglas eingebrannt, dargestellt. In Figure 4, 5 and 6 are of the intensity profiles a), b) and c) the control parameter, the specific control functions and the associated intensity profiles of the types a), b) and c) baked in Plexiglas represented. Weitere vielfältigste Intensitätsprofile sind darstellbar, die entweder experimentell oder durch Computersimulation optimiert werden können. More diverse intensity profiles are displayed, which can be optimized either experimentally or by computer simulation. Eine derartige Vielfalt von einstellbaren Intensitätsprofilen ist mit den nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren nicht erreichbar. Such a variety of adjustable intensity profiles can not be reached with the known prior art.
  • Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen und Begriffe List of references and terms used
  • 1 1
    Laserrohstrahl Laserrohstrahl
    2 2
    Fokussierspiegel focusing
    3 3
    Planspiegel plane mirror
    4 4
    Galvanoscanner galvano
    5 5
    Probe sample
    6 6
    Hostrechner host
    7 7
    Digital-/Analogwandler Digital / analog converter
    8 8th
    Ausgangsverstärker output amplifier
    9 9
    Intensitätsprofile intensity profiles
    10 10
    Bearbeitungsspur edit track

Claims (8)

  1. Verfahren zur Steuerung der Laserstrahlintensitätsverteilung für die Bearbeitung von Bauteiloberflächen mittels Laserstrahlung, bei dem herkömmliche Spiegel und Spiegelsysteme zur Laserstrahlformung eingesetzt werden und bei dem die Laserstrahlformung auf der Basis der sinusförmigen, harmonischen Strahloszillation als Ansteuerfunktion für den Spiegel bzw. das Spiegelsystem mittels mindestens einem Galvanoscanner erfolgt, dadurch gekennzeichnet , daß die bei der Laserstrahlformung auf der Basis der sinusförmigen Strahloszillation auf einer Bauteiloberfläche erzeugte Intensitätsverteilung unabhängig von der gewählten Form und Größe des abgescannten Oberflächenbereiches eingestellt wird, ohne daß auf den verwendeten Laser eingewirkt werden muß. Method for controlling the laser beam intensity distribution for the machining of workpiece surfaces with laser radiation be employed in the conventional mirrors and mirror systems for laser beam shaping, and wherein the laser beam shaping is performed on the basis of the sinusoidal, harmonic beam oscillation as a control function for the mirror or the mirror system by means of at least one galvano characterized that the intensity distribution generated in the laser beam formation on the basis of the sinusoidal beam oscillation on a component surface is set regardless of the chosen shape and size of the scanned surface area without the need to act on the laser used in.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einstellung der Intensitätsverteilung derart erfolgt, daß mehrere, harmonische Ansteuerfunktionen durch Überlagerung so moduliert werden, daß die Momentangeschwindigkeit des bewegten Laserspots im gewünschten Sinne beeinflußt wird. A method according to claim 1, characterized in that the adjustment of the intensity distribution is effected such that a plurality of harmonic control functions are modulated by superimposition so that the instantaneous speed of the moving laser spot is influenced in the desired sense.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß nur die Amplitude der Ansteuerfunktion moduliert wird. A method according to claim 2, characterized in that only the amplitude of the driving function is modulated.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß für die Bauteiloberflächenbearbeitung über viele Modulationsperioden eine integrierte Intensitätsverteilung erreicht wird. The method of claim 2 or 3, characterized in that the component surface treatment for many modulation periods an integrated intensity distribution is achieved.
  5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß aus einer Trägerschwingung (B) und mindestens einem weiteren modulierten Schwingungsanteil (A und/oder C) eine harmonische Gesamtschwingung zusammengesetzt wird. Method according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that a carrier oscillation (B) and at least one further modulated oscillation portion (A and / or C) is composed of a total harmonic oscillation.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß durch die Amplitude der Trägerschwingung (B) unter Berücksichtigung des Spotdurchmessers die Spurbreite eingestellt wird, während die überlagerten modulierten Anteile (A und/oder C) die angestrebte integrale Intensitätsverteilung in der Periodendauer formen. A method according to claim 5, characterized in that by the amplitude of the carrier oscillation (B), taking into account the spot diameter, the track width is adjusted while the superimposed modulated components (A and / or C) form the desired integral intensity distribution in the period duration.
  7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die integrale Intensitätsverteilung im abgescannten Oberflächenfeld durch Variation einer Reihe weiterer, die Modulation beschreibender Parameter, zusätzlich in weiten Grenzen variiert wird. Method according to one or more of claims 2 to 6, characterized in that the integral intensity distribution in the scanned surface field further, the modulation descriptive parameters is additionally varied within wide limits by varying a row.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß diese weiteren die Modulation beschreibenden Parameter A method according to claim 7, characterized in that these further parameters describing the modulation
    • die Trägerfrequenz (f T ), • the carrier frequency (f T),
    • die Frequenz der modulierten Schwingung (f O ), • the frequency of the modulated oscillation (f O),
    • die Zyklusdauer der modulierten Anteile (A und/oder B), • the cycle time of the modulated portions (A and / or B),
    • der Amplitudenverlauf des modulierten Anteils (A und/oder C) mit seinem Modulationsgrad (m), • the amplitude course of the modulated portion (A and / or C) with its modulation degree (m),
    • das Verhältnis von moduliertem und unmoduliertem Anteil in der Gesamtschwingung, • the ratio of modulated and unmodulated share in the overall vibration,
    und and
    • der Amplitudenversatz für die verschiedenen Schwingungsanteile (Offset) sind. • the amplitude offset for the various oscillation components (offset) are.
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