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 EP95111747A EP95111747A EP0698800A1 EP 0698800 A1 EP0698800 A1 EP 0698800A1 EP 95111747 A EP95111747 A EP 95111747A EP 95111747 A EP95111747 A EP 95111747A EP 0698800 A1 EP0698800 A1 EP 0698800A1
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EP
European Patent Office
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modulated
intensity distribution
laser
vibration
amplitude
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EP95111747A
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Lothar Dr. Morgenthal
Dieter Dr. Pollack
Andreas Mertz
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S8/00—Lighting devices intended for fixed installation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21W—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO USES OR APPLICATIONS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS
    • F21W2131/00—Use or application of lighting devices or systems not provided for in codes F21W2102/00-F21W2121/00
    • F21W2131/40—Lighting for industrial, commercial, recreational or military use
    • F21W2131/401—Lighting for industrial, commercial, recreational or military use for swimming pools

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling the laser beam intensity distribution for the machining of component surfaces. It takes place during the laser processing of surfaces, e.g. Transformation hardening, remelting, alloying, coating etc., of surfaces in the solid and / or liquid state Application.
  • One area of application in which the invention can be used particularly advantageously is the laser beam surface hardening of components made of metallic materials.
  • cw laser constant laser power
  • CW continuous wave mode
  • P pulse mode
  • the operating mode delivers a continuous laser beam up to max. to the nominal output power of the device.
  • the output power can be regulated within limits by changing the excitation power.
  • the high thermal conductivity of the metals generally requires oscillation frequencies of greater than 100 Hz, so that the frequency-dependent temperature fluctuations on the surface subside quickly into the interior of the workpiece.
  • the galvanoscanners used for controllable oscillating mirror systems can generally only carry out harmonic vibrations in this frequency range. The reason for this is the mass moment of inertia of the moving vibration system components (rotor of the vibration motor and laser mirror), with the copper mirrors with a diameter required for beam transmission, in particular in the laser power range from 1 kW, making up the majority of the moment of inertia.
  • this effect can be used for surface hardening in order to achieve a homogeneous machining geometry by compensating for the higher heat conduction losses at the track edges (DD 242 358 and "Homogeneous laser beam hardening by means of high-frequency beam oscillation", S. Völlmar; W. Pompe; H. Junge in Neue Wegte, 31st vol., issue 11, Nov. 86, pages 414 - 418).
  • a method for controlling the laser beam intensity distribution for the processing of components by means of laser radiation is used, in which conventional mirrors or mirror systems (for laser powers from 1 kW or more, copper mirrors) are used for laser beam shaping and in which laser beam shaping is based on the sinusoidal, harmonic beam oscillation as Control function for the mirror or the mirror system by means of at least one galvanoscanner.
  • the intensity distribution generated in laser beam shaping on the basis of the sinusoidal beam oscillation on a component surface is set independently of the selected shape and size of the scanned surface area, without having to act on the laser used.
  • This is achieved by a predefinable superposition of sinusoidal oscillations as a control function for the oscillating mirror system (scanner system).
  • This setting of the intensity distribution is carried out in such a way that several harmonic control functions are modulated by superimposition so that the The instantaneous speed of the moving laser spot is influenced in the desired sense. This means that in the area of the track edges an amplitude modulation with a high degree of modulation (close to 1) must be used as a rule because of intensity increases.
  • galvanoscanners with the mirrors usually used for laser material processing do not perform other than harmonic vibrations at the required high frequencies, which, as already described, can be modulated according to the invention by superimposing several harmonic control functions so that the instantaneous speed of the moving laser spots is influenced in the desired sense.
  • the intensity distribution integrated over many modulation periods is primarily effective for workpiece machining. Their shape can now be varied by modulating the carrier vibration without changing the effective size and shape of the scanned area depicted on the workpiece surface.
  • the moment of inertia of the metal mirrors usually used in material processing has the consequence that the scanner mirror deflecting the laser beam with higher-frequency excitation ( ⁇ 100Hz) of the galvanoscanners used, regardless of the shape (time course) of the periodic excitation function (triangle, rectangular functions), grinds them into sinusoidal vibrations .
  • the galvanoscanner is excited with such harmonic oscillation profiles (sine or cosine) that can be practically implemented with respect to frequency and amplitude.
  • a harmonic overall vibration is composed of a carrier vibration B and at least one further, modulated vibration component A and / or C.
  • the track width can be set by the amplitude of the carrier oscillation (taking into account the spot diameter), while the superimposed modulated components (A and / or C) form the desired integral intensity distribution in the period.
  • FIGS. 1 to 6 serve for a better understanding, in which the modulation of the control functions according to the invention is represented by superposition.
  • FIG. 1 and 2 show, for example, composite scanner control functions.
  • the amplitude-time functions demonstrate the exclusively sine or cosine scanner control functions.
  • portions of the carrier vibration B with further modulated vibration portions A and C are shown in FIG. 1, which are composed as a harmonic overall vibration.
  • the degree of modulation m in the range from zero to one, is a measure of the modulated cycle.
  • FIG 3 the raw beam profile of a CO2 laser with the mod structure TEM20 is shown.
  • the raw laser beam 1 with a diameter of 32 mm, is focused by a focusing mirror 2 with a focal length of 400 mm and directed onto the specimen 5 via a plane mirror 3, which is attached to a galvanoscanner 4.
  • Focusing mirror 2, plane mirror 3 and galvanoscanner 4 are integrated in an oscillating mirror processing head.
  • the digital control of the galvanoscanner is realized by a host computer 6, its output signal on the data bus is subjected to a digital / analog conversion 7 and then an amplification 8 (output amplifier).
  • the desired control functions which represent the desired intensity profiles 9, here exemplified here as intensity profiles 9 a), b) and c), are generated in software with the above-mentioned parameters in accordance with the intensity profile sought.
  • the deflection of the plane mirror 3 in the oscillating mirror head is based on the output of the current amplitude value.

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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. Sie findet bei der Laserbearbeitung von Oberflächen, wie z.B. Umwandlungshärten, Umschmelzen, Legieren, Beschichten usw., von Oberflächen im festen und/oder flüssigen Zustand Anwendung. Ein Anwendungsgebiet, bei dem die Erfindung besonders vorteilhaft einsetzbar ist, ist die Laserstrahloberflächenhärtung von Bauteilen aus metallischen Werkstoffen.The invention relates to a method for controlling the laser beam intensity distribution for the machining of component surfaces. It takes place during the laser processing of surfaces, e.g. Transformation hardening, remelting, alloying, coating etc., of surfaces in the solid and / or liquid state Application. One area of application in which the invention can be used particularly advantageously is the laser beam surface hardening 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). Ein wesentlicher Vorteil der Randschichtbehandlung mit Laserstrahlung gegenüber konventionellen Verfahren ist die lokale Bearbeitung an komplexen Bauteilgeometrien. Um diesen Vorteil zu realisieren, muß die Geometrie und die Intensitätsverteilung der Laserstrahlung an die jeweilige Aufgabenstellung angepaßt werden. Außerdem muß, die werkstoffphysikalischen Gegebenheiten berücksichtigend, in der Regel eine definierte, vielfach homogene Temperaturverteilung im Werkstück garantiert werden. Erfüllt werden diese Anforderungen, wenn

  • die Strahlgeometrie variabel einstellbar ist,
  • die Intensitätsverteilung an die Bearbeitungsgeometrie und die gewünschte Temperaturverteilung anpaßbar ist
    und
  • die Prozeßintensität (mittlere Leistung/Flächeneinheit) ausreichend veränderbar ist.
It is known that, in particular for surface finishing with high-performance lasers, application-specific beam shaping that is adapted to the respective processing case is generally required for technical, technological and economic considerations (Herziger / Loosen, material processing with laser radiation: Fundamentals, Munich; Vienna; Hanser, 1993 ). A major advantage of surface layer treatment with laser radiation compared to conventional processes is the local processing of complex component geometries. In order to realize this advantage, the geometry and the intensity distribution of the laser radiation must be adapted to the respective task. In addition, taking into account the material-physical conditions, a defined, often homogeneous temperature distribution in the workpiece must generally be guaranteed. These requirements are met when
  • the beam geometry is variably adjustable,
  • the intensity distribution can be adapted to the machining geometry and the desired temperature distribution
    and
  • the process intensity (average power / unit area) can be changed sufficiently.

Es ist bekannt, zur Erfüllung der o.g. 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). 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).It is known to fulfill the above Demands the usually circular laser beam through one or two orthogonal to each other to mirror an axis movable mirror (scanner mirror) to a line or rectangle on the workpiece surface to be machined (US-P 3,848,104; US-P 3,952,180; CH-P 616,357; EP- 0.445.699). It is further described that the size and shape of the area illuminated by the laser beam on the workpiece surface 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, d.h. durch die Momentangeschwindigkeit des Laserspots in jedem Punkt des abgescannten Oberflächenfeldes, bestimmt. Wie der Fachwelt bekannt, ist "cw" eine Angabe zur Betriebsart von Lasern. CW bedeutet Dauerstrichbetrieb (cw = "continous wave") bzw. auch kontinuierliche Betriebsart genannt. Im Gegensatz dazu gibt es den Pulsbetrieb (P). Die Betriebsart liefert im Fall der Dauerstrichlaser einen kontinuierlichen Laserstrahl bis max. zur Nennausgangsleistung des Gerätes. Die Ausgangsleistung läßt sich in Grenzen durch Änderung der Anregungsleistung regeln.With constant laser power (cw laser), the intensity distribution that arises in this area is determined by the specified size and shape and, above all, by the vibration shape of the mirror movement, i.e. determined by the instantaneous speed of the laser spot at each point of the scanned surface field. As known to experts, "cw" is an indication of the operating mode of lasers. CW means continuous wave mode (cw = "continous wave") or also called continuous mode. In contrast, there is pulse mode (P). The operating mode delivers a continuous laser beam up to max. to the nominal output power of the device. The output power can be regulated within limits by changing the excitation power.

Typisch ist, daß im o.g. 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. Bekannt ist ferner, daß die für steuerbare Schwingspiegelsysteme eingesetzten Galvanoscanner in diesem Frequenzbereich in der Regel nur noch harmonische Schwingungen ausführen können. 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. 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.It is typical that in the above Field of application of the invention, the high thermal conductivity of the metals generally requires oscillation frequencies of greater than 100 Hz, so that the frequency-dependent temperature fluctuations on the surface subside quickly into the interior of the workpiece. It is also known that the galvanoscanners used for controllable oscillating mirror systems can generally only carry out harmonic vibrations in this frequency range. The reason for this is the mass moment of inertia of the moving vibration system components (rotor of the vibration motor and laser mirror), with the copper mirrors with a diameter required for beam transmission, in particular in the laser power range from 1 kW, making up the majority of the moment of inertia. This has the disadvantage that, for example, in the case of a one-dimensional beam oscillation in the region of the oscillation reversal points at the track edge, an increase in intensity occurs, which is greater in comparison to the center of the track, the more the oscillation amplitude is increased with 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). 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. Das verhindert beispielsweise die wünschenswerte Erzeugung breiterer Härtespuren durch einfaches Vergrößern der Schwingbreite bei sonst gleicher Versuchsführung.In some cases, this effect can be used for surface hardening in order to achieve a homogeneous machining geometry by compensating for the higher heat conduction losses at the track edges (DD 242 358 and "Homogeneous laser beam hardening by means of high-frequency beam oscillation", S. Völlmar; W. Pompe; H. Junge in Neue Hütte, 31st vol., issue 11, Nov. 86, pages 414 - 418). The disadvantage, however, is that depending on used material and the laser power, an optimal ratio of vibration amplitude A / spot radius R (usually A / R = 1.5 ... 2.5) must be observed within narrow limits, because only then the intensity difference between the center of the track (fast spot movement) and Track edges (slow spot movement) leads to a balanced temperature field as a prerequisite for a homogeneous machining geometry. This prevents, for example, the desirable generation of wider traces of hardness by simply increasing the vibration range while otherwise carrying out the test.

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 attempt to avoid this disadvantage by combining the beam oscillation systems with fast power control in high-frequency-excited CO₂ lasers (Rudlaff, Th; Dausinger, F .: Hardening with variable intensity distribution Proceedings, "ECLAT 90", Speech Hall 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, d.h. hochfrequenzangeregte Laser beschränkt. 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. 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). Auch hiermit gelingt eine Formung der Intensitätsverteilung. Die Methode ist jedoch auf gepulst arbeitende (z.B. Nd-YAG-Laser) oder hinreichend schnell pulsbare Laser (z.B. hochfrequenzangeregte (CO₂-Laser) beschränkt.It is thus possible to make the intensity distribution in the scanned area largely independent of the vibration amplitude, frequency and shape of the vibration used, but this method is based on quickly controllable, i.e. high frequency excited lasers limited. Another disadvantage is that, due to the power control and the necessary control reserves for the processing, only an average power which is significantly below the nominal power of the laser becomes effective. Another new development for influencing the intensity distribution in sinusoidal beam oscillation is based on the superimposition of the beam oscillation with pulsed laser radiation (Lepski, D .; Morgenthal, L .; Völlmar, S .: Optimization of the surface treatment when exposed to pulsating oscillating laser radiation, LASER 93, Munich 1993 ). This also enables the intensity distribution to be shaped. However, the method is limited to pulsed lasers (e.g. Nd-YAG lasers) or pulsable lasers that are sufficiently fast (e.g. high-frequency excited (CO₂ lasers).

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 the object of the invention to propose a method for controlling the laser intensity distribution for processing component 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

  • die Strahlgeometrie variabel einstellbar ist,
  • die Laserstrahlintensitätsverteilung an die Bearbeitungsgeometrie und an die gewünschte Temperaturverteilung anpaßbar ist
    und
  • die Prozeßintensität (mittlere Leistung/Flächeneinheit) ausreichend veränderbar ist.
It is therefore an object of the invention to provide a method of the type mentioned, in which
  • the beam geometry is variably adjustable,
  • the laser beam intensity distribution can be adapted to the machining geometry and to the desired temperature distribution
    and
  • the process intensity (average power / unit area) can be changed sufficiently.

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 which, in the case of one-dimensional beam oscillation and with a constant spot diameter in the region of the oscillation reversal points at the track edge, no increase in intensity occurs even if the oscillation amplitude is increased, 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.In addition, it is an object of the invention to demonstrate a method of the type mentioned, in which the optimum ratio of the oscillation amplitude / spot radius, depending on the material used and the laser power, does not have to be observed 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 therefore an object of the invention to provide a method of the type mentioned, in which the generation of wider hardening traces is also possible by simply increasing the vibration width while carrying out the same test otherwise.

Zusätzlich ist es noch Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der genannten Art vorzuschlagen, das nicht auf bestimmte Laser (z.B. auf hochfrequenzangeregte Laser) oder bestimmte Lasertypen (z.B. Nd-YAG-Laser) beschränkt ist.In addition, it is still an object of the invention to propose a method of the type mentioned which is not restricted to certain lasers (e.g. to high-frequency excited lasers) or certain laser types (e.g. Nd-YAG lasers).

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 effective mean power is not or only insignificantly below the nominal power of the laser.

Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben mit dem in Anspruch 1 vorgeschlagenen Verfahren gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 8 dargelegt.According to the invention, these objects are achieved with the method proposed in claim 1. Advantageous embodiments are set out in 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.A method for controlling the laser beam intensity distribution for the processing of components by means of laser radiation is used, in which conventional mirrors or mirror systems (for laser powers from 1 kW or more, copper mirrors) are used for laser beam shaping and in which laser beam shaping is based on the sinusoidal, harmonic beam oscillation as Control function for the mirror or the mirror system by means of at least one galvanoscanner.

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. Das wird erreicht durch eine vorgebbare Überlagerung sinusförmiger Oszillationen als Ansteuerfunktion für das Schwingspiegelsystem (Scannersystem). 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. Das bedeutet, daß im Bereich der Spurränder in der Regel wegen Intensitätsüberhöhungen eine Amplitudenmodulation mit hohem Modulationsgrad (Nahe 1) verwendet werden muß.According to the invention, the intensity distribution generated in laser beam shaping on the basis of the sinusoidal beam oscillation on a component surface is set independently of the selected shape and size of the scanned surface area, without having to act on the laser used. This is achieved by a predefinable superposition of sinusoidal oscillations as a control function for the oscillating mirror system (scanner system). This setting of the intensity distribution is carried out in such a way that several harmonic control functions are modulated by superimposition so that the The instantaneous speed of the moving laser spot is influenced in the desired sense. This means that in the area of the track edges an amplitude modulation with a high degree of modulation (close to 1) must be used as a rule because of intensity increases.

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.Of all known modulation methods, only the modulation of the amplitude of harmonic vibrations in relation to the galvanoscanner used provides results that are practically applicable, and it is therefore advantageous to do so.

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. Für die Werkstückbearbeitung wird in erster Linie die über viele Modulationsperioden integrierte Intensitätsverteilung wirksam. 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.It is important for the invention that galvanoscanners with the mirrors usually used for laser material processing do not perform other than harmonic vibrations at the required high frequencies, which, as already described, can be modulated according to the invention by superimposing several harmonic control functions so that the instantaneous speed of the moving laser spots is influenced in the desired sense. The intensity distribution integrated over many modulation periods is primarily effective for workpiece machining. Their shape can now be varied by modulating the carrier vibration without changing the effective size and shape of the scanned area depicted on the workpiece surface.

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 mirrors usually used in material processing has the consequence that the scanner mirror deflecting the laser beam with higher-frequency excitation (≧ 100Hz) of the galvanoscanners used, regardless of the shape (time course) of the periodic excitation function (triangle, rectangular functions), grinds them into sinusoidal vibrations .

Erfindungsgemäß wird dagegen der Galvanoscanner mit solchen harmonischen Schwingungsverläufen (Sinus oder Kosinus) angeregt, die bezüglich Frequenz und Amplitude praktisch realisiert werden können. Dabei wird, aus einer Trägerschwingung B und mindestens einem weiteren, modulierten Schwingungsanteil A und/oder C, eine harmonische Gesamtschwingung zusammengesetzt. 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.In contrast, according to the invention, the galvanoscanner is excited with such harmonic oscillation profiles (sine or cosine) that can be practically implemented with respect to frequency and amplitude. In this case, a harmonic overall vibration is composed of a carrier vibration B and at least one further, modulated vibration component A and / or C. The track width can be set by the amplitude of the carrier oscillation (taking into account the spot diameter), while the superimposed modulated components (A and / or C) form the desired integral intensity distribution in the period.

Durch die Variation einer Reihe weiterer, die Modulation beschreibender Parameter

  • Trägerfrequenz (fT),
  • Frequenz der modulierten Schwingung (fO),
  • Zyklusdauer der modulierten Anteile (A und/oder B),
  • Amplitudenverlauf des modulierten Anteils (A u./o. C) mit seinem Modulationsgrad (m),
  • Verhältnis von moduliertem und unmoduliertem Anteil in der Gesamtschwingung,
  • Amplitudenversatz für die verschiedenen Schwingungsanteile (Offset), siehe Fig. 2,
kann die integrale Intensitätsverteilung im abgescannten Oberflächenfeld in weiten Grenzen variiert werden.By varying a number of other parameters that describe the modulation
  • Carrier frequency (f T ),
  • Frequency of the modulated oscillation (f O ),
  • Cycle duration of the modulated components (A and / or B),
  • Amplitude curve of the modulated part (A u./o. C) with its degree of modulation (m),
  • Ratio of modulated and unmodulated part in the total vibration,
  • Amplitude offset for the different vibration components (offset), see FIG. 2,
the integral intensity distribution in the scanned surface field can be varied within wide limits.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert. Zum besseren Verständnis dienen die Figuren 1 bis 6, in denen die erfindungsgemäße Modulation der Ansteuerfunktionen durch Überlagerung dargestellt ist.The method according to the invention is explained in more detail in the following exemplary embodiments. FIGS. 1 to 6 serve for a better understanding, in which the modulation of the control functions according to the invention is represented by superposition.

Im einzelnen stellen

Figur 1
Zusammengesetzte Scanner-Ansteuerfunktion
Figur 2
Zusammengesetzte Scanner-Ansteuerfunktion mit Amplitudenversatz
Figur 3
Blockschaltbild und Beispiele zum Strahlformungssystem
Figur 4
Ansteuerparameter des Intensitätsprofils vom Typ a)
Figur 5
Ansteuerparameter des Intensitätsprofils vom Typ b)
Figur 6
Ansteuerparameter des Intensitätsprofils vom Typ c)
dar,
wobei jeweils skizzenhaft zur Modulation auch die jeweilige Laserstrahlintensitätsverteilung auf der Bauteiloberfläche dargestellt ist.Ask in detail
Figure 1
Compound scanner control function
Figure 2
Compound scanner control function with amplitude offset
Figure 3
Block diagram and examples of the beam shaping system
Figure 4
Control parameters of the intensity profile of type a)
Figure 5
Control parameters of the intensity profile of type b)
Figure 6
Control parameters of the intensity profile of type c)
dar,
the respective laser beam intensity distribution on the component surface is also shown sketchily for modulation.

AusführungsbeispielEmbodiment

Im nachfolgenden wird an Hand der Zeichnungen das erfinderische Verfahren näher erläutert.The inventive method is explained in more detail below with the aid of the drawings.

In Figur 1 und 2 sind, beispielsweise, zusammengesetzte Scanner-Ansteuerfunktionen, dargestellt. Die Amplituden-Zeit-Funktionen demonstrieren die ausschließlich sinus- oder kosinusförmigen Scanner-Ansteuerfunktionen. Zusätzlich werden in Figur 1 Anteile der Trägerschwingung B mit weiteren modulierten Schwingungsanteilen A und C dargestellt, die sich als harmonische Gesamtschwingung zusammensetzen. Der Modulationsgrad m, im Wertebereich Null bis Eins, ist ein Maß für den modulierten Zylklus.1 and 2 show, for example, composite scanner control functions. The amplitude-time functions demonstrate the exclusively sine or cosine scanner control functions. In addition, portions of the carrier vibration B with further modulated vibration portions A and C are shown in FIG. 1, which are composed as a harmonic overall vibration. The degree of modulation m, in the range from zero to one, is a measure of the modulated cycle.

In Figur 3 ist das Rohstrahlprofil eines CO₂-Lasers mit der Modstruktur TEM20 dargestellt. 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. Fokussierspiegel 2, Planspiegel 3 und Galvanoscanner 4 sind in einem Schwingspiegelbearbeitungskopf integriert.In Figure 3, the raw beam profile of a CO₂ laser with the mod structure TEM20 is shown. The raw laser beam 1, with a diameter of 32 mm, is focused by a focusing mirror 2 with a focal length of 400 mm and directed onto the specimen 5 via a plane mirror 3, which is attached to a galvanoscanner 4. Focusing mirror 2, plane mirror 3 and galvanoscanner 4 are integrated in an oscillating mirror processing 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. 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. Die Auslenkung des Planspiegels 3 im Schwingspiegelkopf basiert auf der Ausgabe des jeweils aktuellen Amplitudenwertes. 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. Alternativ dazu kann die Ansteuerfunktion graphisch, ähnlich wie in einem Zeichenprogramm kreiert werden. 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 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. Weitere vielfältigste Intensitätsprofile sind darstellbar, die entweder experimentell oder durch Computersimulation optimiert werden können. Eine derartige Vielfalt von einstellbaren Intensitätsprofilen ist mit den nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren nicht erreichbar.The digital control of the galvanoscanner is realized by a host computer 6, its output signal on the data bus is subjected to a digital / analog conversion 7 and then an amplification 8 (output amplifier). The desired control functions, which represent the desired intensity profiles 9, here exemplified here as intensity profiles 9 a), b) and c), are generated in software with the above-mentioned parameters in accordance with the intensity profile sought. The deflection of the plane mirror 3 in the oscillating mirror head is based on the output of the current amplitude value. These values are either calculated based on the mathematical modeling of the modulation, whereby, as described, the introduction of additional parameters (cycle duration of the modulated components, ratio of the modulated and non-modulated oscillation components, amplitude offset) is required. Alternatively, the control function can be created graphically, similar to a drawing program. In both methods, the amplitude values are combined in a data array, which is cyclically output to the scanner head for the duration of the processing and thus causes a sinusoidal beam oscillation in track 10. In Figures 4, 5 and 6 of the intensity profiles a), b) and c) the control parameters, the respective control function and the associated intensity profiles of types a), b) and c) are baked in plexiglass. Further most diverse intensity profiles can be represented, which can be optimized either experimentally or by computer simulation. Such a variety of adjustable intensity profiles cannot be achieved with the methods known from the prior art.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen und BegriffeList of the reference symbols and terms used

11
LaserrohstrahlRaw laser beam
22nd
FokussierspiegelFocusing mirror
33rd
PlanspiegelPlane mirror
44th
GalvanoscannerGalvanoscanner
55
Probesample
66
HostrechnerHost computer
77
Digital-/AnalogwandlerDigital / analog converter
88th
AusgangsverstärkerOutput amplifier
99
IntensitätsprofileIntensity profiles
1010th
BearbeitungsspurProcessing track

Claims (8)

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.Process for controlling the laser beam intensity distribution for the processing of component surfaces by means of laser radiation, in which conventional mirrors and mirror systems are used for laser beam shaping and in which laser beam shaping takes place on the basis of the sinusoidal, harmonic beam oscillation as control function for the mirror or the mirror system by means of at least one galvanoscanner , characterized in that the intensity distribution generated in laser beam shaping on the basis of the sinusoidal beam oscillation on a component surface is set independently of the selected shape and size of the scanned surface area, without having to act on the laser used. 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.Method according to Claim 1, characterized in that the intensity distribution is set in such a way that a plurality of harmonic control functions are modulated by superimposition in such a way that the instantaneous speed of the moving laser spot is influenced in the desired manner. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Amplitude der Ansteuerfunktion moduliert wird.Method according to claim 2, characterized in that only the amplitude of the control function is modulated. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bauteiloberflächenbearbeitung über viele Modulationsperioden eine integrierte Intensitätsverteilung erreicht wird.Method according to Claim 2 or 3, characterized in that an integrated intensity distribution is achieved for component surface machining over many modulation periods. 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 harmonic overall vibration is composed of a carrier vibration (B) and at least one further modulated vibration component (A and / or C). 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 the track width is adjusted by the amplitude of the carrier vibration (B), taking into account the spot diameter, while the superimposed modulated components (A and / or C) form the desired integral intensity distribution in the period. 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 is additionally varied within wide limits by varying a number of further parameters which describe the modulation. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß diese weiteren die Modulation beschreibenden Parameter • die Trägerfrequenz (fT), • die Frequenz der modulierten Schwingung (fO), • die Zyklusdauer der modulierten Anteile (A und/oder B), • der Amplitudenverlauf des modulierten Anteils (A und/oder C) mit seinem Modulationsgrad (m), • das Verhältnis von moduliertem und unmoduliertem Anteil in der Gesamtschwingung,
und • der Amplitudenversatz für die verschiedenen Schwingungsanteile (Offset) sind. Method according to Claim 7, characterized in that these further parameters describing the modulation The carrier frequency (f T ), The frequency of the modulated oscillation (f O ), The cycle duration of the modulated components (A and / or B), The amplitude profile of the modulated component (A and / or C) with its degree of modulation (m), The ratio of modulated and unmodulated part in the total vibration,
and • are the amplitude offset for the different vibration components (offset).
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