ES2320664T3 - Procedimiento y dispositivo para taladrar agujeros con impulsos laser de co2. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para taladrar agujeros con impulsos láser de CO2 empleando un láser (1) de CO2, caracterizado por los pasos siguientes: a) transformación de la radiación linealmente polarizada del láser de CO 2 en una radiación circularmente polarizada; b) inserción de elementos ópticos para adaptar el diámetro y la divergencia del haz de radiación; c) rotación del perfil de intensidad del haz de radiación alrededor de su eje de radiación; d) rotación de todo el haz de radiación alrededor del eje del sistema con una distancia y un ángulo definidos, pero libremente ajustables, entre el eje del haz de radiación y el eje del sistema, de tal manera que, durante el enfoque subsiguiente del haz de radiación así conformado por medio de la óptica de enfoque (12) sobre el sitio de mecanización deseado, se garantice que, por un lado, se reúnan todas las porciones de radiación en esta mancha focal (26) y, por otro lado, la divergencia de la radiación, después de pasar por la mancha de enfoque (26), esté adaptada de modo que se origine la forma de agujero deseada, e) efectuándose la conformación de impulsos de radiación o secuencias de impulsos de rotación a partir de la radiación (2) del láser (1) de CO2 por fuera del resonador del láser; f) soplándose el entorno de la mancha focal (26) con un gas de trabajo y de protección; g) suprimiéndose el reacoplamiento de radiación entre la pieza de trabajo y el láser de CO2 por medio de una unidad de desacoplamiento (4) selectiva en longitud de onda; y h) protegiéndose elementos constructivos del componente opuestos al agujero taladrado contra acciones no deseadas de la radiación residual que atraviesa el agujero taladrado por medio de un líquido que circula en el lado inferior de la pieza de trabajo mecanizada.

Description

Procedimiento y dispositivo para taladrar agujeros con impulsos láser de CO_{2}.

La invención concierne a un procedimiento y a un dispositivo para taladrar agujeros con impulsos láser de CO_{2}, en los que se emplea un láser de CO_{2}. En particular, la invención concierne a un procedimiento y un dispositivo para taladrar agujeros muy finos, es decir, agujeros con un diámetro de menos de 100 \mum, alta calidad y variabilidad de los parámetros de los agujeros taladrados, en particular de la geometría de los agujeros, con impulsos láser de CO_{2} empleando un láser de CO_{2} de calidad de radiación muy alta, es decir, con un índice de calidad de radiación de más de 0,8, junto con una simultánea protección de elementos constructivos, como, por ejemplo, superficies, que están enfrente del agujero taladrado a poca distancia del mismo (rango de mm), contra influencias nocivas, como calentamiento, iniciación de fusión o incluso vaporización, a consecuencia de la radiación que atraviesa el agujero taladrado.

El taladrado de agujeros como una tecnología de base utilizada con extraordinaria amplitud ha recibido en los últimos decenios, debido a la utilización de la tecnología del láser, un empuje de innovación que afecta a todos los parámetros relevantes. En primer lugar, cabe citar aquí la precisión de la mecanización que llega hasta taladros finísimos en el rango de \mum, pero también las nuevas posibilidades de mecanización de materiales especialmente difíciles que se caracterizan, por ejemplo, por altas temperaturas de fusión y evaporación, gran dureza o alta fragilidad. Los cortos tiempos de mecanización conseguidos o la flexibilidad respecto de la geometría de los agujeros taladrados abren una y otra vez nuevos campos de utilización al taladrado con rayo láser y ponen continuamente nuevos retos en el punto de mira de la ciencia y la técnica. Con el refinamiento de las tecnologías disponibles crece igualmente también la lista de deseos de la industria en cuanto a parámetros para la realización de agujeros que lleven una y otra vez a los límites del respectivo estado de la técnica. Para resolver estos problemas existen, aparte del abanico de láseres de mecanización establecidos y del progreso continuo de la técnica de láser en general, por ejemplo en el sector de la técnica de impulsos cortos, sustancialmente cuatro variantes de procedimiento para taladrar con radiación de láser que se pueden diferenciar respecto del número de impulsos y de la secuencia de impulsos resuelta en espacio o en tiempo. Estos procedimientos son el taladrado con impulsos individuales, el taladrado por percusión, el taladrado por trepanado y el taladrado helicoidal (F. Dausinger, T. Abeln, D. Breitling, J. Radtke: Bohren keramischer Werkstoffe mit Kurzpuls-Festkörperlaser. LaserOpto 31(3), 78 (1999)). La elección del procedimiento se ajusta a los requisitos de calidad específicos de cada aplicación. Mientras que el taladrado con impulsos individuales ha de encuadrarse como una versión muy sencilla en el ámbito de la mecanización a alta velocidad con requisitos cualitativos relativamente pequeños, la calidad con coste creciente del procedimiento aumenta en general al precio de una deceleración del proceso.

En el taladrado con impulsos individuales se aplica con un único impulso de radiación toda la energía necesaria para producir el taladro deseado. Los diámetros típicos de los taladros están comprendidos entre 20 \mum y 250 \mum y las profundidades típicas de taladrado son de unos pocos mm. Dado que aquí las tolerancias de diámetro y los valores característicos de aspereza son del orden de magnitud de \pm 10 \mum, el taladrado con impulsos individuales no es adecuado para la producción de taladros de precisión (VDI: Abtragen, Bohren und Trennen mit Festkörperlasern. Laser in der Materialbearbeitung, volumen 7, VDI-Verlag, Düsseldorf (1998)).

Por el contrario, para aumentar la calidad es ventajoso erosionar el volumen del taladro en muchos pasos individuales, ya que, debido a la cantidad de erosión reducida por cada impulso, se pueden minimizar desarrollos inestables del proceso. Esto se materializa, por ejemplo, en el taladrado por percusión, en el que se entrega una serie de impulsos al mismo sitio de la pieza de trabajo. De esta manera, se pueden producir taladros esbeltos (son posibles relaciones de aspecto netamente superiores a 10) con diámetros comprendidos entre algunas decenas de \mum y 500 \mum a lo largo de varios mm de profundidad (H. Hügel: Strahlwerkzeug Laser. Teubner Studienbücher, Stuttgart (1992)). En el taladrado por percusión es desventajosa la más baja velocidad del proceso en comparación con el taladrado por impulsos individuales.

Si se desean diámetros de taladro que sobrepasen el tamaño del foco, entran en consideración para su obtención los procedimientos de mecanización consistentes en taladrado por trepanado y taladrado helicoidal. En el trepanado casi se terminan de cortar los taladros por medio de un rayo láser pulsado, con la ventaja de que se pueden obtener taladros con alto paralelismo de las paredes del agujero taladrado, flancos lisos y cantos de entrada y salida afilados a lo largo de un rango de diámetro y de profundidad de algunos mm de tamaño. El diámetro del taladro es aquí ampliamente independiente de la sección transversal del rayo, lo que hace posible que, cuando se utilicen láseres de impulsos cortos, se reduzca la película de fusión que se presente. Esto resulta inmediatamente evidente si se considera el gradiente de intensidad -dependiente del enfoque- de un rayo gaussiano. Mientras que, al ajustar el diámetro del foco al tamaño deseado del taladro en el caso de un simple taladrado por impulsos individuales o por percusión, resulta una distribución gaussiana con gradiente plano, el taladrado por trepanación y el taladrado helicoidal admiten un rayo con flancos muy empinados. Se alcanza así el umbral de erosión del respectivo material dentro de límites más estrechos, con lo que aumenta la precisión.

El movimiento relativo entre el rayo y la pieza de trabajo puede materializarse de maneras muy diferentes, por ejemplo mediante el guiado del rayo por medio de una óptica basada en placas parciales rotativas o mediante el movimiento de la propia pieza de trabajo. Las modernas ópticas de trepanación están en condiciones de inclinar y decalar el rayo con respecto a su eje original para que se origine, por medio del enfoque subsiguiente, un decalaje (radio del taladro) y un corte de socavado (cono del taladro) (K. Jasper: Neue Konzepte der Laserstrahlformung und -führung für die Mikrotechnik. Utz Verlag, Munich, previsto para publicación (2003)).

El taladrado helicoidal se diferencia del trepanado, que puede asociarse a los procedimientos de corte, en que el taladro está terminado únicamente después de varias travesías del mismo. La reducción inherente del volumen de erosión por cada impulso de radiación repercute también positivamente sobre la precisión del taladro.

El abanico de láseres que se pueden utilizar para el taladrado es extraordinariamente multiforme (G. Herziger, P. Loosen: Werkstoffbearbeitung mit Laserstrahlung. Munich, Viena: Carl Hanser Verlag, 1993). Se extiende desde el láser de rubí como "pionero" del taladrado con rayo láser, con el que se taladraron ya industrialmente piedras de reloj hace 40 años, y, pasando por los láseres más ampliamente utilizados de Nd:YAG y de CO_{2}, llega hasta los láseres de excímero para taladros finísimos y en tiempos recientes hasta los láseres de impulsos ultracortos (rango de ps y fs), especialmente láseres de titanio-zafiro y láseres de fibra.

Por motivos de principios físicos, los rayos láser pueden enfocarse tanto mejor (y, por tanto, son posibles diámetros de agujero tanto más pequeños) cuanto más corta sea su longitud de onda. Aquí residen la ventaja principal de los láseres de excímero con longitudes de onda en el dominio de UV y la desventaja principal de los láseres de CO_{2} con su longitud de onda relativamente grande en torno a aproximadamente 10 \mum. Sin embargo, otros numerosos aspectos relativizan drásticamente las condiciones. Así, el enfoque óptimo puede materializarse solamente con una buena calidad del rayo (a ser posible, modo TEM_{00}, es decir, perfil de intensidad de forma gaussiana). Aquí reside nuevamente una gran ventaja del láser de CO_{2}, que está disponible en numerosas versiones comerciales que, a altas potencias de salida en el rango de kW, alcanzan índices de calidad de radiación K próximos a 1 (típicos para láseres de CO_{2} de calidad de radiación buena hasta muy buena son valores K comprendidos entre 0,7 y 0,9). A esto se añaden aspectos como la buena pulsabilidad con una amplitud de variación lo más grande posible de los parámetros de los impulsos para lograr una adaptación óptima al proceso de interacción radiación de láser-material, potencias suficientemente altas (tanto potencias medias como potencias de pico de impulsos), la estabilidad a largo plazo de todos los parámetros del láser (¡funcionamiento en tres turnos!) y, finalmente, los costes de inversión y de explotación. Dado que, como el láser de mecanización de materiales más ampliamente utilizado también hoy en día, el láser de CO_{2} posee, especialmente atendiendo a los criterios últimamente citados, ventajas relevantes con respecto a láseres establecidos tales como láseres de Nd:YAG y láseres de excímero, pero tanto más con respecto a los procedimientos que se encuentran aún en desarrollo, por ejemplo el taladrado con impulsos ultracortos, es conveniente desde el punto de vista de la utilización industrial estimular al máximo todas las posibilidades de este tipo de láser y asegurar así la más alta eficiencia para la solución de aquellos problemas que, considerando el estado de la técnica, parecen estar de momento fuera de las posibilidades de la técnica del láser de CO_{2}.

Como problema de este tipo de la máxima actualidad deberá citarse a título de ejemplo y discutirse seguidamente con detalle el taladrado de boquillas de inyección en la tecnología de los vehículos automóviles (por supuesto, el abanico de exigentes taladros de alta tecnología se puede ampliar a voluntad; cabe aludir solamente al taladrado con rayo láser de cánulas quirúrgicas, álabes de turbinas, chapas directrices de aire, unidades de filtro, estrangulaciones, etc.). Aparte de la presión de inyección, también la forma, el número y el tamaño de las aberturas de inyección de carburante contribuyen decisivamente a materializar ahorros de carburante junto con un simultáneo incremento de la potencia de los motores, ya que estos parámetros de forma, número y tamaño fijan la característica de la pulverización de carburante que se forma y, por tanto, el desarrollo de la combustión en el motor. Para satisfacer normas futuras referentes a los gases de escape, los desarrollos en la técnica de inyección se orientan hacia presiones cada vez mayores junto con, al mismo tiempo, diámetros de abertura de la boquilla que disminuyen por debajo de 100 \mum. Además, aumentan bruscamente los requisitos impuestos a la precisión de los taladros para poder cumplir con los parámetros de consigna reotécnicos. Por tanto, están así en el punto de mira aberturas de boquilla formadoras de pulverización que presenten aproximadamente 70 \mum de diámetro para una profundidad de 1 mm, posean bordes de entrada y de salida de arista viva y flancos de agujero lisos y sean de configuración simplemente cónica. No se admiten residuos de fusión ni variaciones térmicamente originadas de la estructura del material adyacente y eventualmente se posponen complejos procesos a la producción de los agujeros para eliminar deficiencias residuales. Las tolerancias geométricas de los taladros representan un pequeño porcentaje.

Actualmente, se satisfacen de manera óptima los requisitos impuestos mediante procedimientos de erosión por chispa (M. Feurer: Elektroerosive Metallbearbeitung. Vogel-Buchverlag, Würzburg (1983)) (B. Schumacher, D. Weckerle: Funkenerosion - Richtig verstehen und anwenden. Technischer Fachverlag Dipl.-Ing. K. H. Möller, Velbert (1998)), pero con la desventaja de tiempos de mecanización muy largos por agujero y de límites objetivos respecto del diámetro (aproximadamente 100 \mum) y sobre todo de la forma (conicidad) del taladro.

Desde hace una serie de años se intenta intensamente conseguir avances relevantes mediante la utilización de la tecnología del láser, pero hasta ahora con éxito limitado. Aparte de los requisitos extremadamente altos impuestos a la precisión y fiabilidad (reproducibilidad de todos los parámetros) de la mecanización, son causas de esto sobre todo también detalles técnicos que impiden una utilización industrial, incluso aunque el taladrado de un agujero individual se haya realizado con los parámetros deseados. En este sitio cabe citar dos ejemplos que están vinculados a las condiciones marginales geométricas para la mecanización de boquillas de inyección.

Un problema principal es, por ejemplo, la aniquilación de la radiación residual que atraviesa el agujero taladrado hacia el final del proceso de taladrado y que daña la pared opuesta relativamente cercana (aproximadamente 1 mm) cuando no se toman precauciones especiales. Los métodos utilizados hasta ahora, por ejemplo introducción de un cono sacrificial en el espacio comprendido entre las dos paredes, llevan mucho tiempo, son costosos y pueden empeorar la calidad del taladrado en el lado de salida del rayo. La utilización de líquidos absorbentes baratos, por ejemplo agua, fracasa en los láseres utilizados usuales (láser de Nd:YAG, en tiempos recientes también láser de titanio-zafiro o láser de fibra) a la longitud de onda en torno a 1 \mum, para la cual el agua es prácticamente transparente.

Resulta un segundo problema cuando se origina un núcleo de taladrado de forma de cono por medio de una tecnología de trepanación con un enfoque muy fino (por ejemplo, a una anchura de juntura de corte de aproximadamente 20 \mum). Es difícil conseguir una separación de este núcleo ajustada al proceso, especialmente, por ejemplo, en caso de que se utilice el cono sacrificial anteriormente descrito.

Por último, ocurre que en todos los procedimientos utilizados hasta ahora están sin resolver todavía graves problemas relacionados con el complejo cumplimiento de los requisitos anteriormente citados, por ejemplo en el taladrado de boquillas de inyección de carburante, o bien estos problemas sólo se pueden resolver con un coste muy alto. Esto afecta a los tiempos de taladrado cada vez mayores cuando se trata de la marca "mágica" de 100 \mum para el diámetro del agujero taladrado, y lo mismo ocurre con los problemas relativos a la forma cónica de los agujeros taladrados, los requisitos de precisión geométrica en general, el problema del estratificado del borde o el problema de la aniquilación de la radiación residual. Las propuestas de solución existentes se encuentran frecuentemente todavía en el estadio de la investigación fundamental o requieren un elevado coste.

En el documento DE 199 05 571 C1 se describe un procedimiento para producir agujeros definidamente cónicos por medio de un rayo láser, que emplea una luz láser circularmente polarizada para producir agujeros taladrados con una geometría definida, especialmente agujeros taladrados cónicos, después de una adaptación del diámetro y de la divergencia del rayo láser por combinación de un movimiento oscilante del rayo láser y un giro síncrono simultáneo del rayo láser alrededor de su eje propio.

En el documento US 6 292 505 B1 se puede encontrar un láser que puede emitir tanto un rayo láser con alta intensidad de pico y pequeña anchura de impulso como un rayo láser con pequeña intensidad de pico y gran anchura de impulso o un rayo láser continuo.

En el documento DE 197 45 380 A1 se revela un procedimiento para mecanizar piezas de trabajo por medio de rayos láser, en el que el rayo láser es conducido a través de tres módulos antes de que incida sobre la pieza de trabajo, siendo girado el rayo láser alrededor de su eje en el primer módulo, siendo variado el punto de incidencia del rayo láser sobre la pieza de trabajo por medio del segundo módulo y siendo variada la inclinación de incidencia del rayo láser con relación a la superficie de la pieza de trabajo por medio del tercer módulo.

El documento FR 2 269 221 A describe un láser pulsado de alta potencia con un sistema para evitar reacoplamiento de radiación.

En el documento WO 89/03274 A se describe un procedimiento para taladrar agujeros finos, en el que el lado posterior de la pieza de trabajo a mecanizar es barrido con un líquido o un gas durante el proceso de taladrado.

La invención se basa ahora en el problema de crear un procedimiento y un dispositivo que proporcionen, por un lado, una tecnología para taladrar agujeros finísimos de alta calidad y variabilidad de los parámetros de mecanización junto con una alta eficiencia, es decir, cortos tiempos de mecanización, y que, por otro lado, utilicen la barata, técnicamente madura y fiable tecnología del láser de CO_{2}.

El problema se resuelve por medio de un procedimiento para taladrar agujeros con impulsos láser de CO_{2} empleando un láser de CO_{2} según la reivindicación 1 y por medio de un dispositivo para taladrar agujeros con impulsos láser de CO_{2} empleando un láser de CO_{2} según la reivindicación 19.

Otras características del procedimiento según la invención y del dispositivo según la invención para la puesta en práctica del procedimiento son objeto de las reivindicaciones subordinadas.

Además de los pasos ya conocidos de transformación de la radiación linealmente polarizada del láser de CO_{2} en una radiación circularmente polarizada, utilización de elementos ópticos para la adaptación del diámetro y la divergencia del haz de radiación, rotación del perfil de intensidad del haz de radiación alrededor de su eje y rotación de todo el haz de radiación alrededor del eje del sistema con una distancia y un ángulo definidos, pero libremente ajustables, entre el eje del haz de radiación y el eje del sistema, de tal manera que en el enfoque subsiguiente del haz de radiación así conformado por medio de la óptica de enfoque sobre el sitio de mecanización deseado quede garantizado que, por un lado, todas las porciones del rayo se reúnan en esta mancha focal y, por otro lado, la divergencia de la radiación, después de pasar por la mancha focal, esté adaptada de modo que se origine la forma de agujero deseada, el procedimiento de la invención según la reivindicación 1 comprende los pasos siguientes:

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Los impulsos de radiación o las secuencias de impulsos de radiación provenientes de la radiación del láser de CO_{2} se conforman externamente, es decir, fuera del resonador del láser, con lo que se puede influir sobre su evolución de potencia temporal, es decir, potencia de pico, duración y forma de los impulsos, así como sobre su calidad de radiación de tal manera que se garantice un proceso de taladrado óptimo.

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Se sopla el entorno de la mancha focal con un gas de trabajo y de protección. Esto sirve para optimizar la interacción rayo láser-material, especialmente para reducir las proporciones de material fundido que son perjudiciales para el procedimiento. Este paso se mejora preferiblemente empleando para el soplado una mezcla de oxígeno y un gas inerte, preferiblemente argón.

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Otro paso según la invención consiste en la supresión del reacoplamiento de radiación entre la pieza de trabajo y el láser de CO_{2} por medio de una unidad de desacoplamiento selectiva en longitud de onda.

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Finalmente, unos elementos constructivos del componente eventualmente enfrentados al agujero taladrado a poca distancia del mismo (rango de mm) son protegidos contra acciones no deseadas de la radiación residual que atraviesa el agujero taladrado por medio de un fluido que circula en el lado inferior de la pieza de trabajo mecanizada, preferiblemente un líquido suficientemente absorbente de la radiación de láser.

Mediante este voluminoso complejo de pasos del procedimiento se asegura que todo el potencial inherente a la tecnología del láser de CO_{2} pueda ser reclamada para el taladrado de agujeros finísimos, especialmente agujeros con un diámetro de menos de 100 \mum, y pueda ser invertido en lo que respecta a los objetivos de la invención, especialmente muy alta calidad y variabilidad de los parámetros del agujero taladrado junto con una alta eficiencia, es decir, alta velocidad de mecanización y costes mínimos. Condición previa para ello es la utilización de un láser de CO_{2} de muy alta calidad de radiación cuya potencia de salida -pulsada o continua- sea suficientemente grande para la respectiva tarea de mecanización. Para que un láser de CO_{2} presente una calidad de radiación muy alta, el índice de calidad de radiación K deberá ser en lo posible > 0,8. Además, la potencia para tareas de mecanización típicas, por ejemplo taladrado de acero al CrNi de 1 mm de espesor, deberá ser del orden de magnitud de 1 kW.

La conformación externa de los impulsos de radiación o de las secuencias de impulsos de radiación sirve sustancialmente para dos objetivos:

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conformación de impulsos que sean óptimamente adecuados para el proceso de taladrado, junto con

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obtención de la alta calidad de radiación.

La materialización de estos dos objetivos no es trivial y en particular no se puede lograr solamente tampoco por medio del control de la potencia del láser de CO_{2}. Esto tiene los fundamentos siguientes. En primer lugar, se conoce por investigaciones básicas que para el proceso de taladrado con radiación de láser de CO_{2} son especialmente buenos unos impulsos cuya duración sea del orden de magnitud de 10^{-5} s, pero en todo caso por debajo de 100 \mus. Tales impulsos poseen, por un lado, a potencias de pico de impuso en el rango de kW, que pueden generarse eficiente y flexiblemente con láseres de CO_{2}, una energía con la que, al taladrar, por ejemplo, aceros, pueden alcanzarse tasas de erosión que aseguren un proceso de taladrado progresivo. Por otro lado, son ya lo suficientemente cortos como para impedir de manera muy decisiva la formación de grandes porciones de masa fundida no deseadas y, por tanto, para asegurar una alta calidad de la superficie del agujero taladrado. Con la activación eléctrica de láseres de CO_{2} usuales no se pueden materializar impulsos de la duración deseada. El límite reside allí en aproximadamente 100 \mus.

Sin embargo, en este contexto es enteramente esencial también el hecho de que no se puede conseguir una calidad de radiación óptima al generar impulsos de radiación relativamente cortos con el sistema de control del propio láser de CO_{2}. Así, se ha comprobado que, por ejemplo, el índice K de la radiación en los primeros 100 \mus de un impulso eléctricamente generado es sensiblemente más bajo que, por ejemplo, el índice K del láser estabilizado en oscilación, especialmente del láser que irradia continuamente.

Por estos motivos, la materialización de la generación externa de los impulsos de radiación y de las secuencias de impulsos de radiación es posible de manera preferida según la reivindicación 6 haciendo que la conformación de los impulsos de radiación se efectúe por medio de un modulador de radiación que esté dispuesto fuera del resonador del láser y que funcione en principio de modo que "ampute" impulsos de la radiación de láser continua o de los impulsos de radiación que emite el láser de CO_{2} eléctricamente pulsado, cuyos impulsos amputados satisfagan los requisitos de una interacción óptima radiación de láser-material durante el proceso de taladrado. Tales impulsos se caracterizan preferiblemente por simetría en la evolución temporal de la potencia y duraciones de impulso relativamente pequeñas \tau_{imp} en el rango de orden de magnitud de 1 \mus \leq \tau_{imp} \leq 100 \mus.

Como moduladores de radiación con los cuales se pueden materializar estos requisitos son adecuados diferentes sistemas, por ejemplo moduladores acustoópticos o moduladores de radiación de láser por interferencia en la realización preferida según la reivindicación 7. Especialmente estos últimos han dado muy buenos resultados para la conformación de impulsos que se está considerando y, por este motivo, deberán ser considerados adicionalmente en lo que sigue.

La conformación de los impulsos con estos moduladores puede materializarse, por ejemplo según la reivindicación 8, de la manera siguiente: Tanto el láser de CO_{2} como el modulador de radiación de láser por interferencia son activados por medio de impulsos de control sincronizados provenientes de un emisor de cadencia común de modo que se sintonicen la radiación del láser de CO_{2} eléctricamente pulsada en sincronismo de tiempo y, por otro lado, el modulador a lo largo de la característica de transmisión de éste. Estos dos procesos que se desarrollan al mismo tiempo se pueden sincronizar ahora de modo que el máximo de potencia de los impulsos acortados "amputados", es decir, el rebasamiento del máximo de transmisión del modulador de radiación de láser por interferencia, coincide exactamente con el máximo de potencia de los impulsos de salida eléctricamente generados del láser de CO_{2}. Esto puede efectuarse, por un lado, por medio de un desplazamiento de tiempo correspondiente de los impulsos de control para el aparato de control del láser de CO_{2} y, por otro lado, por medio del sistema de control del modulador. De esta manera, los objetivos requeridos por la conformación externa de los impulsos de radiación y de las secuencias de impulsos de radiación pueden ser alcanzados de forma óptima debido a que la consecución del máximo de potencia de los impulsos eléctricos puede elegirse de antemano mediante una activación correspondiente de modo que esta consecución tenga lugar 100 a 300 \mus después de la iniciación de la oscilación del láser, es decir que esté situada en un intervalo de tiempo en el que se ha alcanzado ya una buena calidad de radiación del rayo láser y a concluido la fase de estabilización de oscilación "irregular" de láser. Es de gran importancia que las porciones de radiación con baja calidad de radiación, es decir, los aproximadamente 100 primeros \mus del impulso de radiación eléctricamente activado, sean segregadas por el modulador externo y, por tanto, no perjudiquen al enfoque de la radiación total, por cuanto que especialmente estas porciones de radiación, que ciertamente se enfocan peor, conducen, por ejemplo, a un calentamiento no deseado y eventualmente a una iniciación de fusión del borde del agujero taladrado.

En el marco del paso del procedimiento según la invención consistente en la conformación externa de impulsos de radiación y secuencias de impulsos de radiación puede establecerse también una conformación más amplia eventualmente preferida de la evolución de la potencia durante todo el proceso de taladrado, concretamente la variación de la potencia de pico de los respectivos impulsos individuales del tren de impulsos que realiza el taladro de tal manera que se desarrolle óptimamente el proceso de taladrado (véase la reivindicación 9).

Esto significa que, según la reivindicación 10, el proceso de taladrado se subdivide en tres tramos en lo que respecta a la evolución temporal de la potencia. En un primer tramo de inicio, que consta de una o varias series de impulsos, preferiblemente 10 a 100 impulsos, el primer impulso posee una potencia de pico que corresponde al umbral de erosión del respectivo material mecanizado, mientras que se incrementan sucesivamente las potencia de pico de los impulsos siguientes. De esta manera, se obtiene en el primer tramo de taladrado un taladro inicial de unas pocas décimas de milímetro de profundidad, evitando a la vez perlas de fusión y residuos.

En un tramo de taladrado adyacente al tramo de inicio se generan una o varias series de impulsos, preferiblemente constituidas por 10 a 100 impulsos, cuyas potencias de pico están situadas tan por encima de las del tramo de inicio que se hace avanzar un agujero taladrado en el sentido de la profundidad y hasta producir un taladro pasante.

El tramo de taladrado va seguido de un tramo de conformación del agujero taladrado que se caracteriza por una prosecución del proceso de taladrado con máxima potencia de pico. La máxima potencia de pico se caracteriza de tal manera que no se funde nuevamente el canto superior del agujero formado en los tramos de inicio y los tramos de taladrado precedentes, empleándose el movimiento combinado de rotación del haz de radiación alrededor del eje del sistema y del perfil de radiación alrededor del eje de radiación para lograr la forma prefijada del agujero, por ejemplo un cono ensanchado hacia abajo.

En sistemas modernos son posibles aquí, según la reivindicación 9, controles de potencia en el intervalo comprendido entre un 10% y un 100% de la potencia máxima del láser, lo que es plenamente suficiente para asegurar una evolución óptima de la potencia de pico de los impulsos individuales para todo el proceso de taladrado, tal como se ha descrito anteriormente. El control de la potencia puede efectuarse en este caso por medio de un sistema de activación eléctrico del láser de CO_{2} o por medio de un segundo modulador de radiación de láser.

Como es en principio conocido por el estado de la técnica, la radiación externamente generada y linealmente polarizada del láser de CO_{2} es convertida en una radiación circularmente polarizada por medio de elementos adecuados. Como es sabido, la polarización de la radiación influye muy sensiblemente sobre el componente de absorción durante la mecanización de material con láser. En particular, existen notables diferencias en la absorción de radiación para la radiación de láser polarizada perpendicular y paralelamente a la superficie absorbente. Esto significaría, especialmente al taladrar agujeros redondos, que, cuando se utiliza una radiación linealmente polarizada, se originan secciones transversales irremisiblemente elípticas que, como es natural, son inadmisibles, ya que están situadas en general fuera de las tolerancias de redondez requeridas de los taladros. Este problema se evita mediante la generación de una radiación circularmente polarizada.

En la presente invención desempeña un cometido central el aspecto de asegurar la redondez absoluta del taladro producido incluso para el caso de que el perfil de radiación del láser de CO_{2} utilizado no presente al 100% la simetría de revolución necesaria para ello. Es sabido por la práctica que este caso se presenta la mayoría de las veces y, por este motivo, el taladrado con el "rayo bruto" del láser conduce irremisiblemente a deformaciones más o menos acusadas del agujero taladrado que dependen de la respectiva distorsión del perfil de intensidad de la radiación.

Para preparar la acción óptima de los pasos del procedimiento que rotan el perfil de intensidad del haz de radiación alrededor de su eje de radiación y el haz de radiación completo alrededor del eje del sistema y que deberán impedir este efecto, es útil la utilización de elementos ópticos, preferiblemente una disposición telescópica según la reivindicación 5, para realizar una adaptación óptima de diámetro y divergencia del haz de radiación. Esto constituye una condición previa enteramente esencial para que el haz de radiación completo sea limpiamente enfocado en una mancha focal y, por tanto, se puedan conseguir también realmente los diámetros de agujero más pequeños posibles.

La rotación del perfil de intensidad del haz de radiación alrededor de su eje de radiación se materializa por medio de una unidad adecuada. El objetivo de esta medida es claro: Se pueden eliminar de esta manera las influencias prácticamente siempre existentes de una desviación del perfil de intensidad respecto de la simetría de revolución si se presupone que la rotación del perfil de intensidad alrededor de su eje propio se efectúa tan rápidamente que el tiempo de giro sea pequeño en comparación con el tiempo de taladrado total.

La segunda condición para lograr una alta eficacia del procedimiento en lo que respecta a una distribución rotacionalmente simétrica lo más óptima posible de toda la energía de radiación del tren de impulsos que genera el agujero taladrado es la de que un número de impulsos lo mayor posible incidan temporalmente sobre una "revolución" individual del perfil de intensidad alrededor de su eje, es decir que la frecuencia de la secuencia de impulsos deberá ser grande en comparación con la frecuencia de rotación del perfil de intensidad. Dado que esta última se materializa por medio de una unidad relativamente grande en el aspecto mecánico, no se deberán aplicar para ello medidas superiores en orden de magnitud a 10 s^{-1}, de modo que esta condición puede satisfacerse bien en el caso de frecuencias de secuencias de impulsos de más de aproximadamente 200 Hz. Si se asignan también unos pocos segundos para el tiempo de taladrado del agujero -este tiempo satisface los requisitos de una producción industrial eficiente-, se cumple perfectamente también la primera condición de que se deberán realizar el mayor número posible de rotaciones (\geq 10) del perfil de intensidad alrededor de su eje durante todo el proceso de taladrado.

Si se ha asegurado en principio la "redondez" óptima del agujero taladrado por medio de los pasos anteriormente descritos del procedimiento, se puede prestar atención a los pasos ajustados uno a otro de conformación de la sección transversal del agujero, es decir, de rotación de todo el haz de radiación alrededor del eje del sistema, con enfoque subsiguiente del haz de radiación así conformado, por ejemplo con una forma cónica definida ensanchada hacia la salida del rayo. En el caso normal, es decir, al taladrar un agujero aproximadamente cilíndrico, se coloca en general el foco de la radiación sobre la superficie de la pieza de trabajo. Debido a la interacción especial de la radiación con las paredes del agujero taladrado, especialmente debido a la función de guiaondas de estas paredes, se origina entonces un agujero taladrado que en el enfoque usual no refleja, por ejemplo, la divergencia de la radiación después de pasar por el foco, sino que se origina un agujero cilíndrico más o menos preciso. A causa de la pérdida de potencia de la radiación en la dirección de mayores profundidades dentro de la pieza de trabajo ocurre incluso típicamente que el diámetro del agujero sea más pequeño en la salida del rayo que en la entrada del rayo. Si se quiere generar ahora una forma cónica ensanchada hacia la salida del rayo, es necesario posicionar el eje del rayo no perpendicularmente a la superficie de la pieza de trabajo, sino sobre un cono con un ángulo de abertura definido para dejar que gire la normal a la superficie de la pieza de trabajo. Esto se materializa frecuentemente colocando oblicuamente la pieza de trabajo según este ángulo definido y haciéndola rotar. Sin embargo, en muchos casos, por ejemplo también en las boquillas de inyección aquí consideradas, esta variante es tecnológicamente muy desfavorable o no se puede materializar en absoluto en la práctica. El ángulo definido del eje del rayo con respecto a la normal a la superficie de la pieza de trabajo tiene que ser generado por los medios ópticos de conformación y enfoque del rayo. En primer lugar, hay que cuidar de que se realice una rotación del haz de radiación completo alrededor del eje del sistema con una distancia y un ángulo definidos, pero libremente ajustables, entre el eje del haz de radiación y el eje del sistema, y ello concretamente de tal manera que durante el enfoque subsiguiente del haz de radiación así conformado por medio de la óptica de enfoque sobre el sitio de mecanización deseado se garantice que, por un lado, todas las porciones de radiación se reúnan en la mancha focal aplicada a la superficie de la pieza de trabajo y, por otro lado, la divergencia de la radiación, después de pasar por la mancha focal, esté adaptada de modo que se origine la forma deseada del agujero, por ejemplo justamente una forma cónica ensanchada hacia la salida del rayo. Con este principio básico hay que cuidar de que todas las porciones de radiación del haz rotativo que inciden en la lente vengan de un punto objeto virtual común, de modo que dichas porciones vuelvan a ser concentradas limpiamente también por la lente en un punto de imagen definido, esto es, la mancha focal. Es necesario para esto que estén ajustados entre ellos los parámetros de distancia y ángulo entre el eje del haz de radiación y el eje del sistema, por un lado, y la divergencia del haz de radiación, por otro. Sirve para este fin la adaptación de divergencia prevista por medio de elementos ópticos adecuados, por ejemplo una disposición telescópica.

Este principio básico puede materializarse ahora de maneras muy diferentes. Por ejemplo, mediante un complejo módulo de rotación pueden agruparse la rotación del perfil de intensidad del haz de radiación alrededor de su eje de rotación, por un lado, y la rotación del haz de radiación completo alrededor del eje del sistema, por otro. En una ejecución preferida según las reivindicaciones 12 ó 24 puede servir para ello una disposición de cinco espejos montada de forma giratoria, la cual actúa como una especie de "engranaje óptico", y en una variante de realización preferida según las reivindicaciones 13 ó 25 esta disposición provoca la rotación del perfil de intensidad alrededor del eje de radiación con el doble de velocidad de rotación 2\omega_{1} del módulo de rotación y la rotación discrecionalmente ajustable del haz de radiación alrededor del eje del sistema con la misma velocidad de rotación \omega_{1} del módulo de
rotación.

Sin embargo, representa aquí cierta desventaja la relación fija entre estas dos velocidades de rotación. Si el haz de radiación posee una distribución de intensidad que se desvía notablemente de la simetría de revolución, esto puede conducir a que se originen ondulaciones en la pared del agujero taladrado a consecuencia de efectos de flotación entre las dos velocidades de rotación y se perjudique sensiblemente a la redondez absoluta deseada del agujero taladrado. Por este motivo, es ventajoso separar alternativamente una de otra, según las reivindicaciones 13 ó 28, las dos unidades para la rotación del perfil de intensidad alrededor del eje de radiación, por un lado, y para la rotación del haz de radiación alrededor del eje del sistema, por otro, y ajustar las dos velocidades de rotación una a otra de modo que sean inconmensurables, con lo que se evitan tales efectos de flotación y, por tanto, faltas de redondez de la pared del agujero taladrado que puedan atribuirse a ellos. Otra ventaja de la separación entre las dos rotaciones, es decir, su realización por medio de dos unidades separadas, es la de que existe una amplia libertad en lo que respecta especialmente a la realización de la rotación del haz de radiación completo alrededor del eje del sistema. Esto puede ser necesario, por ejemplo, cuando sean necesarios ángulos especialmente grandes entre el eje de radiación y el eje del sistema en el lugar de ubicación de la mancha focal, es decir, cuando tenga que generarse un agujero cónico con un ángulo de abertura especialmente grande.

Si se ha definido de esta manera la forma de principio del agujero taladrado, los demás pasos del procedimiento de la invención según la reivindicación 1 sirven para asegurar una calidad óptima de los cantos en los lados superior e inferior de los agujeros, así como la protección de la superficie de la pieza de trabajo que rodea al agujero contra salpicaduras de material, recondensación de vapor del material e influencia térmica no deseada.

La utilización de un gas de trabajo y de protección adecuado para el proceso de taladrado con miras a soplar el entorno de la mancha focal es necesaria para la consecución de una alta calidad de la superficie de las paredes del agujero taladrado. Como gas de trabajo y de protección pueden servir gases inertes, oxígeno o mezcla de ambos. En el caso del oxígeno, su acción se basa, por ejemplo, en la introducción de una fuente de energía adicional por efecto de la reacción exoterma del gas, por ejemplo con materiales férreos, o, en el caso de gases inertes, en una acción alisadora del plasma caliente que se forma a partir del gas de trabajo por la intensa radiación del láser y que posee contacto directo con la superficie de la pieza de trabajo.

Según la reivindicación 3, se prefieren especialmente mezclas gaseosas de oxígeno y un gas noble, por ejemplo argón, que combinen óptimamente los dos efectos uno con otro. Debido a la aportación de oxígeno se consigue sobre todo que las porciones fundidas inevitables debido a la gran alimentación de energía y a la rápida oxidación de la masa fundida caliente se vean impedidas de formar perlas y depósitos de material fundido bastante grandes, de modo que tanto las paredes interiores del agujero taladrado como las superficies en los lados superior e inferior del agujero se mantengan libres de residuos de fusión de tamaño bastante grande. La optimización del gas de trabajo juega un papel enteramente decisivo justamente en la producción de taladros de precisión como los de boquillas de inyección de carburante, ya que la influenciación de la calidad de la superficie del propio taladro y de su entorno por porciones de material fundido debe limitarse ineludiblemente a un mínimo.

En combinación con el proceso de taladrado de tres etapas se prefiere según la reivindicación 11 una adaptación de la presión -con la que se sopla el gas de trabajo sobre el entorno de la mancha focal- a las diferentes etapas del proceso de taladrado. En el tramo de inicio del proceso de taladrado las distintas series de impulsos están caracterizadas por una baja presión del gas en el intervalo comprendido entre 0 y 1 bar. En las pausas de taladrado se expulsan por soplado residuos y porciones fundidas no deseadas a una elevada presión del gas en el intervalo de 1 a 20 bares. Además, el tramo de taladrado y el tramo de conformación del agujero taladrado se caracterizan por un crecimiento constante de la presión desde la presión inicial que se emplea en el tramo de inicio del proceso de taladrado hasta valores finales de hasta un máximo de 20 bares.

La supresión eficiente del reacoplamiento de radiación entre la pieza de trabajo y el láser de CO_{2} por medio de una unidad de desacoplamiento selectiva en longitud de onda sirve también para asegurar la alta calidad del agujero taladrado. Dado que el láser en un lado y la pieza de trabajo en el otro lado representan un sistema acoplado por radiación, la función de láser resulta fuertemente perjudicada, como es sabido, por el reacoplamiento de radiación, de modo que el sistema tiene tendencia a realizar oscilaciones parásitas. Éstas son muy intensas especialmente al comienzo de la mecanización, cuando la pieza de trabajo actúa como un espejo casi plano, y durante el funcionamiento eléctricamente pulsado del láser. Las medidas conocidas y utilizadas hasta ahora para este desacoplamiento se basan en el acoplamiento entre un desfasador de \lambda/4 y un espejo ATFR en el trayecto de los rayos. Sin embargo, dado que la acción del espejo ATFR depende de la longitud de onda, se manifiestan una y otra vez deficiencias en la acción de este sistema debido a que el láser de CO_{2} se desvía a otros dominios de longitudes de onda, por ejemplo a las bandas de 9,2 ó 9,6 \mum. Por tanto, según la reivindicación 38, se introduce adicionalmente de conformidad con la invención un elemento selectivo en longitud de onda (y, por tanto, selectivo en frecuencia) en el trayecto de los rayos que impida una desviación de esta clase.

En una ejecución preferida del procedimiento de la invención según la reivindicación 1 o del dispositivo de la invención según la reivindicación 20 se emplea, además, una lámina protectora estrechamente aplicada a la superficie de la pieza de trabajo, preferiblemente una lámina protectora metálica y de manera especialmente preferida una lámina de aluminio o de cobre, para asegurar una calidad óptima de los cantos en el lado superior del agujero y para proteger la superficie de la pieza de trabajo que rodea al agujero contra salpicaduras de material, recondensación de vapor del material e influencia térmica no deseada. El espesor de la lámina protectora ha de adaptarse aquí de modo que, para realizar un taladrado pasante de la misma, sea necesaria solamente una pequeña fracción de la energía disponible en un impulso de radiación individual. Preferiblemente, según la reivindicación 36, el espesor de la lámina protectora es para ello de 10 a 20 \mum.

Según los requisitos tecnológicos, esta lámina protectora puede mantenerse en posición estacionaria para un tren de impulsos completo, con lo que se utiliza siempre el mismo agujero de disparo pasante. Sin embargo, dado que en este caso se reduce el efecto de protección de la lámina protectora después de varios impulsos, se tiene que, en una realización preferida de la invención según la reivindicación 15, la lámina protectora continúa moviéndose de impulso a impulso durante el proceso de taladrado con tanta rapidez que la radiación incida siempre sobre un elemento de superficie de esta lámina aún no solicitado con radiación, es decir que cada impulso vuelva a taladrar nuevamente su agujero de paso a través de la lámina protectora.

A continuación, se explican con más detalle el procedimiento según la invención y el dispositivo según la invención ayudándose de las figuras 1 a 16.

La figura 1 muestra la disposición total para taladrar agujeros finísimos por medio de un láser de CO_{2} según la presente invención.

La figura 2 ilustra la conformación de impulsos por medio de una activación síncrona de un láser de CO_{2} y un modulador de radiación de láser por interferencia.

La figura 3 clarifica el principio del taladrado con haz de radiación rotativo.

La figura 4 ilustra el trayecto esquemático de los rayos en el módulo de rotación para la realización simultánea de una rotación del perfil de intensidad del haz de radiación alrededor de su eje de radiación y una rotación del haz de radiación completo alrededor del eje del sistema con una distancia y un ángulo definidos entre el eje del haz de radiación y el eje del sistema.

La figura 5 muestra el principio del ajuste de posición y dirección del rayo desacoplado en el módulo de rotación.

La figura 6 y la Figura 7 muestran una forma de realización del módulo de rotación en dos vistas diferentes.

La Figura 8 ilustra el taladrado con una combinación de módulo de rotación y cabeza de mecanización rotativa.

La figura 9 ilustra el principio conocido del decalaje definido de los rayos por medio de una placa planoparalela.

La figura 10 clarifica la producción de una rotación del haz de radiación por medio de una placa planoparalela.

La figura 11 muestra la generación de una rotación del haz de radiación por medio de una combinación de un espejo oscilante y un axicono en una primera forma de realización.

La figura 12 muestra la generación de una rotación del haz de radiación por medio de una combinación de un espejo oscilante y un axicono en una segunda forma de realización.

La figura 13 clarifica la generación de una rotación del haz de radiación por medio de una combinación de un escáner x-y y un axicono.

La figura 14 clarifica el principio de la protección de lado superior de un agujero por medio de una lámina protectora movida.

La figura 15 ilustra la protección de paredes situadas enfrente del agujero taladrado por medio de un fluido absorbente circulante.

La figura 16 muestra una realización de la protección de paredes opuestas por medio de un fluido absorbente al taladrar boquillas de inyección.

La figura 1 ilustra en primer lugar la cooperación de todos los componentes relevantes para la realización de los pasos del procedimiento según la invención. Un rayo láser 2 de CO_{2} generado en un potente láser 1 de CO_{2} con un elevado índice de calidad de radiación K próximo a 1 es conformado por un modulador 3 de radiación por interferencia de modo que se obtengan los impulsos óptimos necesarios para el proceso de taladrado. A continuación, el rayo láser 2 de CO_{2} pasa por una unidad 4 simbólicamente representada para la supresión selectiva en longitud de onda del reacoplamiento de radiación, la cual consiste en un elemento óptico 5 selectivo en longitud de onda y un espejo ATFR 6. El elemento 5 selectivo en longitud de onda puede estar formado aquí, por ejemplo, por un prisma, una rejilla o uno o varios espejos selectivos en longitud de onda y, por tanto, selectivos en frecuencia. La posición de los elementos 5 y 6 en el trayecto del rayo no está fijamente prescrita, de modo que éstos pueden disponerse por fuera del láser 1 de CO_{2} como se representa en la figura 1, pero también pueden integrarse en el láser 1 de CO_{2}. Un desfasador subsiguiente 7 de \lambda/4 tiene una doble función: En primer lugar, sirve para la transformación de la radiación de láser linealmente polarizada 2 en una radiación de láser circularmente polarizada y, en segundo lugar, en cooperación con la unidad 4 sirve para la supresión selectiva en longitud de onda del reacoplamiento de radiación. A continuación del desfasador 7 de \lambda/4 sigue otro espejo de desviación 8. Un telescopio 9 atravesado seguidamente por la radiación sirve para la adaptación de especialmente el diámetro y la divergencia del haz de radiación al proceso dinámico de su enfoque sobre una pieza de trabajo 14, a la que preceden una unidad 10 para la rotación del perfil de intensidad alrededor del eje de radiación y una unidad 11 para la rotación del haz de radiación así conformado alrededor del eje del sistema con una distancia y un ángulo definidos, pero libremente ajustables, entre el eje del haz de radiación y el eje del sistema. El orden de sucesión de las unidades 10 y 11 es aquí arbitrario. Una lente de enfoque 12 reúne las porciones de radiación en una mancha focal 26 (véase la figura 3) aplicada a la superficie de la pieza de trabajo, sirviendo una lámina protectora 13 para proteger esta superficie de la pieza de trabajo. Un líquido 15 que circula a lo largo del lado inferior de la pieza de trabajo sirve para absorber la radiación 2 del láser de CO_{2} que atraviesa el agujero taladrado y, por tanto, para proteger la pared opuesta al agujero taladrado contra efectos térmicos no deseados.

La figura 2 ilustra la generación de impulsos de radiación de forma definida en el modulador 3 de radiación de láser por interferencia según el procedimiento de la invención. El principio básico de esta conformación es el siguiente: Desde un emisor de cadencia común 17 se emiten impulsos de control sincronizados tanto para un aparato de control 18 del láser 1 de CO_{2} como para un sistema de control 19 del modulador 3 de radiación de láser por interferencia. A través del aparato de control 18 se pulsa eléctricamente el láser 1 de CO_{2} y se le induce a emitir impulsos con una evolución temporal típica 16. Se amputa en estos impulsos, por medio del modulador 3 de radiación de láser por interferencia, una zona sensiblemente más estrecha con una evolución de potencia temporal 21 que contiene, por un lado, únicamente porciones de radiación de buena calidad de radiación y, por otro lado, está adaptada en la duración de sus impulsos de modo que se asegure una interacción óptima con la pieza de trabajo en el proceso de taladrado.

Tanto el láser 1 de CO_{2} como el modulador 3 de radiación de láser por interferencia son activados para ello por medio de impulsos de control sincronizados provenientes del emisor de cadencia común 17 de modo que se genere una radiación eléctricamente pulsada en sincronismo temporal del láser 1 de CO_{2} y, por otro lado, se sintonice el modulador 3 de radiación de láser por interferencia por medio de su característica de transmisión. Estos dos procesos, que se desarrollan simultáneamente, se pueden sincronizar ahora de modo que el máximo de potencia de los impulsos acortados "amputados", es decir, el rebasamiento del máximo de transmisión del modulador de radiación de láser por interferencia, coincida exactamente con el máximo de potencia de los impulsos de salida eléctricamente generados del láser 1 de CO_{2}. Esto puede efectuarse a través de un desplazamiento temporal correspondiente de los impulsos de control para el aparato de control 18 del láser 1 de CO_{2}, por un lado, y para el sistema de control 19 del modulador, por otro. De esta manera, se pueden satisfacer óptimamente los objetivos requeridos por la conformación externa de los impulsos de radiación y de las secuencias de impulsos de radiación debido a que la consecución del máximo de potencia de los impulsos eléctricos puede elegirse de antemano mediante una activación correspondiente de modo que dicha consecución tenga lugar 100 a 300 \mus después de la iniciación de la oscilación del láser 1 de CO_{2}, es decir, en un intervalo de tiempo en el que se alcanza ya una buena calidad de radiación del láser y ha terminado la fase de estabilización de oscilación "irregular" del láser 1 de CO_{2}. Es de gran importancia que las porciones de radiación con baja calidad de radiación, es decir, los aproximadamente 100 primeros \mus del impulso de radiación eléctricamente activado, sean segregadas por el modulador 3 de radiación de láser por interferencia y no perjudiquen así al enfoque de la radiación total, por cuanto que especialmente estas porciones de radiación que se enfocan ciertamente peor, conducen, por ejemplo, a un calentamiento no deseado y eventualmente incluso a la iniciación de la fusión del borde del agujero taladrado. Como se representa en la figura 2, el modulador 3 de radiación de láser por interferencia está dispuesto para ello por fuera del resonador del láser 1 de CO_{2}. Como resultado, el modulador 3 de radiación de láser por interferencia suministra un rayo láser pulsado 20 de CO_{2}.

En las figuras no se representa la secuencia de impulsos preferida para un taladrado óptimo de un agujero taladrado 28. Preferiblemente, el proceso de taladrado se descompone en tres tramos en los que se varían las potencias de pico de los respectivos impulsos individuales para optimizar el agujero taladrado.

El proceso de taladrado comienza con un tramo de inicio que está constituido por una o varias series de impulsos, preferiblemente por 10 a 100 impulsos en cada serie. El primer impulso presenta una potencia de pico que corresponde al umbral de erosión del respectivo material mecanizado, mientras que se incrementan sucesivamente las potencias de pico de los impulsos siguientes. De esta manera, se produce en el primer tramo de taladrado un taladro inicial de unas pocas décimas de mm de profundidad, a la vez que se evitan perlas de material fundido y residuos.

En un tramo de taladrado que sigue al tramo de inicio se generan una o varias series de impulsos, en las que cada serie consiste preferiblemente también en 10 a 100 impulsos, cuyas potencias de pico están situadas tan por encima de las del tramo de inicio que se hace avanzar un agujero taladrado en el sentido de la profundidad y hasta obtener un taladro pasante.

El tramo de taladrado va seguido de un tramo de conformación del agujero taladrado que se caracteriza por una prosecución del proceso de taladrado con máxima potencia de pico. La máxima potencia de pico se caracteriza porque no se funde nuevamente el canto superior del agujero formado en los tramos de inicio y en los tramos de taladrado precedentes, empleándose el movimiento combinado de rotación del rayo láser alrededor del eje del sistema y del perfil de radiación alrededor del eje de radiación para lograr la forma prefijada del agujero, por ejemplo un cono ensanchado hacia abajo.

La potencia de pico de los respectivos impulsos individuales del tren de impulsos que realiza el taladro puede regularse por medio del sistema de activación eléctrica 18 del láser 1 de CO_{2} o por medio de un segundo modulador de radiación de láser por interferencia, no representado, en el intervalo comprendido entre un 10% y un 100% de la máxima potencia del láser.

La figura 3 ilustra un factor enteramente diferente al taladrar un agujero taladrado 28 de forma definida con un rayo láser rotativo 23 en la pieza de trabajo 14. Para conseguir que todas las porciones del rayo láser 2 de CO_{2}, con independencia de su respectivo lugar de incidencia en una lente de enfoque 24, se concentren también con precisión en un rayo láser enfocado 28 sobre la mancha focal 26, hay que procurar que la divergencia de las porciones del rayo láser rotativo 23 sea de una naturaleza tal que aparentemente todas las porciones del rayo vengan de un punto de salida virtual 27 de la radiación de láser. Este punto es entonces el punto objeto de la lente de enfoque 24 que se forma limpiamente por medio de dicha lente de enfoque 24 en la mancha focal 26. En esta representación se ha supuesto que la generación de una rotación del perfil de intensidad alrededor del eje de radiación y la generación de una rotación del haz de radiación alrededor del eje del sistema se realizan conjuntamente en un módulo de rotación 22.

En la representación esquemática de la figura 4 se explica con detalle el funcionamiento de este módulo de rotación 22 con su acción combinada para la rotación del rayo láser 2 de CO_{2} tanto alrededor de su eje propio como alrededor del eje del sistema. Este módulo consta de cinco espejos 40, 41, 42, 46, 47, de los que los tres primeros espejos 40, 41, 42 están dispuestos en un primer plano funcional 36 que es perpendicular al eje 38 de un rayo incidente 39. El rayo incidente 39 consiste en el rayo láser 20 de CO_{2} pulsado por medio del modulador 3 de radiación de láser por interferencia. El eje 38 del rayo incidente 39 define aquí un eje de rotación 45 del módulo de rotación 22.

El primer espejo 40 desvía el rayo incidente 39 en 90º, en un elemento de rayo 43 hacia el segundo espejo 41 y éste hace que el elemento de rayo 43 reflejado por el primer espejo 41 sea desviado nuevamente en 90º, en un segundo elemento de rayo 44, hacia el tercer espejo 42, y ello concretamente de modo que los dos elementos de rayo 43 y 44 del rayo láser estén situados en este primer plano funcional 36. El tercer espejo 42 vuelve a desviar perpendicularmente en 90º el elemento de rayo incidente 44 hacia fuera del primer plano funcional 36 y en dirección a un segundo plano funcional 37 del módulo de rotación 22. Este plano funcional 37 es también perpendicular al eje original 38 del rayo y, por tanto, también al eje de rotación 45 del módulo de rotación 22. En este plano funcional 37 se encuentran el cuarto espejo 46 y el quinto espejo 47, el cual se denomina en lo que sigue también espejo de desacoplamiento 47 del módulo de rotación 22. El cuarto espejo 46 refleja nuevamente en 90º el rayo reflejado por el tercer espejo 42, en un elemento de rayo 67 dentro de este segundo plano funcional 37, en dirección al eje de rotación 45 y hacia el espejo de desacoplamiento 47, estando dispuesto este último de modo que desvíe el elemento de rayo 67 reflejado por el cuarto espejo 45, en 90º o discrecionalmente en otro ángulo, desde el módulo de rotación 22 y hacia un rayo desacoplado
48.

Si el espejo de desacoplamiento 47 está situado sobre el eje de rotación 45 y, por tanto, sobre el eje 38 del rayo incidente 39 y si el elemento de rayo 67 reflejado por el cuarto espejo 45 es desviado en 90º por el espejo de desacoplamiento 47 hacia el rayo desacoplado 48, coinciden entonces el eje 38 del rayo incidente 39 y el eje del rayo desacoplado 48, de modo que un giro del módulo de rotación 22 alrededor del eje de rotación 45 con una frecuencia circular \omega_{1} provoca un giro del rayo desacoplado 48 alrededor de su eje propio con la frecuencia angular 2\omega_{1} (véase también la figura 5). El espejo de desacoplamiento 47 tiene una posibilidad de ajuste 49 (véase la figura 5) de posición y dirección del rayo desacoplado 48. Mediante la posibilidad de ajuste 49 del espejo de desacoplamiento 47 se facilita una rotación adicional del rayo desacoplado 48 alrededor del eje del sistema cuando este eje del sistema no es idéntico al eje del rayo desacoplado.

La figura 5 ilustra de manera algo más exacta la acción de esta posibilidad de ajuste 49 de posición y dirección del rayo desacoplado 48 en el módulo de rotación 22. Las magnitudes decisivas para la acción del haz de radiación durante el enfoque son un desplazamiento z y un ángulo \alpha. La magnitud z es el desplazamiento del eje del rayo 48 desacoplado del módulo de rotación 22 con respecto al eje del sistema y \alpha es la variación de dirección del rayo 48 desacoplado del módulo de rotación 22. Si se desplaza el espejo de desacoplamiento 47 en la medida del desplazamiento z y se le inclina en la medida del ángulo \alpha, se obtiene un rayo desacoplado 50 deflectado en posición y dirección.

Las figuras 6 y 7 muestran en representación tridimensional dos vistas diferentes de una forma de realización especial del módulo de rotación 22 descrito en relación con la figura 4. Las partes iguales se identifican aquí con números de referencia iguales. Los elementos de accionamiento necesarios para la rotación de este sistema alrededor de su eje de rotación 45 no están contenidos en estas representaciones. Para conseguir las desviaciones del rayo incidente 39 que se han descrito con ayuda de la figura 4, puede apreciarse en las figuras 6 y 7 que los espejos 40, 41, 42 están dispuestos en el primer plano funcional 36 del módulo de rotación y que los espejos 46 y 47 están dispuestos en el segundo plano funcional 37 de dicho módulo, pero están inclinados con respecto a los planos funcionales 36 y 37, respectivamente.

Puede apreciarse que el módulo de rotación 22 posee una considerable masa (solamente ya a causa de los cinco espejos necesarios 40, 41, 42, 46, 47) y, por este motivo, su rotación a un coste razonable puede efectuarse tan sólo con moderadas velocidades. Sin embargo, se pueden materializar sin problemas frecuencias circulares \omega_{1} del sistema del orden de magnitud de 10 s^{-1}.

La producción de agujeros cónicos según el principio básico representado en la figura 3 tropieza con límites cuando el ángulo del cono ha de ser relativamente grande, por ejemplo mayor de 20º. Es necesario entonces un desplazamiento z tan grande del eje del rayo 49 desacoplado del módulo de rotación 22 con respecto al eje del sistema que en el proceso de enfoque por medio de la lente de enfoque 24 entran en acción en alta medida los errores de formación de imagen de la lente de enfoque 24, de modo que se empeora apreciablemente el enfoque y, por tanto, se incrementa de manera no deseada el diámetro mínimo que se puede conseguir en el agujero taladrado. Otra desventaja del módulo de rotación 22 con su acción combinada para la rotación del rayo láser 2 de CO_{2} tanto alrededor de su eje propio como alrededor del eje del sistema, que combina así la unidad 10 para la rotación del perfil de intensidad y la unidad 11 para la rotación del haz de radiación alrededor del sistema, reside en que la frecuencia circular 2\omega_{1} de la rotación del rayo láser 2 de CO_{2} alrededor de su eje propio es un múltiplo (el doble) de la frecuencia circular \omega_{1} del módulo de rotación, la cual corresponde en esta ejecución a la frecuencia circular del rayo láser 2 de CO_{2} alrededor del eje del sistema, lo que puede provocar efectos de flotación que perjudican a la redondez del agujero taladrado 28. Para evitar este efecto es necesaria una separación de las dos unidades 10 y 11.

La figura 8 muestra una vía de escape para tales casos. Se utiliza aquí el módulo de rotación 22 solamente para hacer que el perfil de intensidad del rayo láser 23 gire alrededor de su eje con la frecuencia circular \omega_{1}, de modo que el módulo de rotación 22 funciona como unidad 10 para la rotación del perfil de intensidad. Sin embargo, la rotación del rayo láser rotativo completo 23 alrededor del eje del sistema se materializa por medio de una cabeza de mecanización 51 que gira con una frecuencia circular \omega_{2} y que, por tanto, forma la unidad 11 para la rotación del haz de radiación alrededor del eje del sistema. La cabeza de mecanización 51 consta de dos espejos de desviación 52 y 53, así como de la lente de enfoque 24. La figura 8 muestra el modo en que pueden materializarse también por medio de la rotación de la cabeza de mecanización 51 unos ángulos muy grandes entre la normal a la pieza de trabajo 14 en la mancha focal 26 y el eje de incidencia de la radiación del rayo láser enfocado 25, sin que se manifiesten errores de formación de imagen de la lente 24. Por tanto, se pueden materializar grandes ángulos de abertura del agujero taladrado 28. Como es natural, hay que hacer observar aquí también nuevamente que giran un total de masas relativamente grandes, de modo que la frecuencia \omega_{2} no deberá adoptar valores demasiado grandes. Sin embargo, son posibles aquí también velocidades de rotación que sean completamente suficientes para el procedimiento, por ejemplo nuevamente alrededor de 10 revoluciones/segundo.

Las figuras 9 a 13 muestran otras formas de realización para la rotación del haz de radiación alrededor del eje del sistema por separado del dispositivo para la rotación del perfil de intensidad.

En primer lugar, las figuras 9 y 10 ilustran aquí el principio de generación de tal rotación por medio de una placa planoparalela 54 de un espesor d, hecha de un material transparente que se caracteriza por un índice de refracción n. En la figura 9 se representa primeramente el principio en sí conocido de un decalaje de radiación definido \Delta a través de la placa planoparalela 54. El decalaje de radiación \Delta entre un rayo 55 incidente sobre la placa 54 bajo un ángulo de incidencia \gamma y un rayo decalado 57 se calcula aquí a partir de los parámetros d (espesor de la placa) y n (índice de refracción del medio óptico) y del ángulo de incidencia de radiación \gamma con respecto a la normal de incidencia 56 según la relación siguiente:

\Delta \approx \frac{n-1}{n\cdot d\cdot tg\gamma}

La figura 10 muestra la aplicación de este principio en un dispositivo en el que la placa planoparalela inclinada 54 rota con la frecuencia circular \omega_{2} alrededor de un eje 59 del rayo incidente, con lo que se consigue que rote alrededor del eje 59 un rayo decalado 60 que, en el rayo láser enfocado 25, es enfocado en la mancha focal 26 a través de la lente de enfoque 24. Dado que el decalaje \Delta del rayo incidente 53 es también relativamente pequeño en el caso de placas relativamente gruesas 54, se pueden conseguir tan sólo ángulos de abertura relativamente pequeños del taladro cónico 28 de la pieza de trabajo 14. Sin embargo, ventajas de esta disposición son la constitución relativamente sencilla, la posibilidad de ajuste muy preciso del decalaje \Delta y, por tanto, en último término, la forma del agujero producido 28 y, por último, también el hecho de que, debido al pequeño decalaje de radiación \Delta en el rango de mm, se permanece prácticamente siempre dentro del rango de una formación de imagen relativamente buena de la lente de enfoque 24, con lo que los errores de la lente tienen tan sólo una insignificante importancia.

Las figuras 11 y 12 muestran dos formas de realización para la rotación del haz de radiación alrededor del eje del sistema por medio de una combinación de un espejo oscilante 61, que se caracteriza por un ángulo de cuña \beta, y un axicono 64 en combinación con la lente de enfoque 24. Estas disposiciones tienen la ventaja de que pueden mantenerse muy compactas y la rotación del haz se efectúa por medio de un principio de reflexión muy simple y, por tanto, de funcionamiento muy seguro en el espejo oscilante 61, el cual es inducido por un motor 62 a realizar una rotación alrededor de un eje de rotación 63. Lo nuevo según la invención en estas disposiciones es el hecho de que el gran ángulo de abertura del cono de radiación que se genera a partir del rayo incidente 55 por medio del espejo oscilante 61 es compensado por el axicono 64 con un ángulo de refracción correspondiente, de modo que se puede cumplir muy bien con la importante condición de que todos los rayos del rayo de enfoque 25 tienen que concentrarse en la mancha focal común 26 por medio de la lente de enfoque 24 dispuesta a continuación del axicono 64.

Una ventaja especial de la disposición mostrada en la figura 12, que puede realizarse también con una construcción muy compacta, es el hecho de que el rayo incidente 55 es enfocado primero por la lente de enfoque 24 con errores de formación de imagen muy pequeños y únicamente a continuación, en el recorrido hasta la mancha focal, es puesto en rotación por el espejo oscilante 61 y se compensa el ángulo de abertura del haz rotativo por medio del axicono 64. De esta manera, se pueden conseguir ángulos de abertura muy grandes y, por tanto, también ángulos muy grandes del agujero taladrado 28, sin que se presenten distorsiones del haz originadas por errores de formación de imagen de la óptica de enfoque.

La disposición según la figura 13 es universal en lo que respecta a la forma generada del agujero taladrado 28. En lugar del espejo oscilante 61, se utiliza aquí un escáner x-y 65 con el que en principio, aparte de la sencilla rotación del rayo incidente 55, se pueden generar también otros recorridos geométricos completamente diferentes del rayo desviado, es decir, por ejemplo, cuadriláteros, elipses, etc. También aquí se compensa en último término por medio del axicono 64 la gran deflexión del rayo generada por el escáner x-y 65, si bien se tienen que establecer ciertos compromisos en el caso de formas que se aparten del círculo. En esta forma de realización la lente de enfoque 24 está dispuesta nuevamente a continuación del axicono 64.

En la figura 14 se representa una posible disposición de principio para guiar la lámina protectora 13 sobre la superficie de la pieza de trabajo 14. La parte esencial está constituida aquí por dos pequeños rodillos de apriete 66 que, por un lado, cuidan de que la lámina protectora 13 se aplique firmemente a la superficie de la pieza de trabajo 14, pero que, por otro lado, admiten también la posibilidad de mover esta lámina 13 por delante del lugar de mecanización del agujero 28 a taladrar con tanta rapidez que cada impulso individual o determinadas secuencias de impulsos seleccionadas del rayo enfocado 25 encuentren una nueva respectiva superficie de la lámina protectora 13 aún no solicitada por radiación y se puedan optimizar de esta manera el proceso de taladrado y la protección de la superficie de la pieza de trabajo 14 contra una solicitación con material vaporizado o con masa fundida. En esta representación se insinúa ya también que en el lado posterior del agujero taladrado 28 circula un líquido absorbente 15 que cuida de que una pared 31 opuesta al agujero taladrado no sea solicitada con la radiación residual 29 que eventualmente atraviese el agujero taladrado 28.

Las figuras 15 y 16 ilustran de forma detallada este importantísimo factor para el taladrado de precisión de pequeñas piezas de trabajo, como, por ejemplo, boquillas de inyección de carburante.

En la figura 15 se representa una vez más el principio básico, es decir que, después del taladrado del agujero definido 28 por medio de la radiación de láser enfocada 25 en la pieza de trabajo 14, una cierta radiación residual 29 incidiría, sin precauciones especiales, en la pared opuesta 31 y solicitaría allí una zona 30. En la fase final de la producción del agujero, es decir, cuando está ampliamente formada la abertura de salida, esta radiación residual 29 puede ser tan fuerte que esta zona 30 solicitada con radiación se caliente fuertemente, se funda o incluso se vaporice, de modo que existe una amenaza de daño de la pared 31. Para impedir esto se introduce entre la pieza de trabajo 14 y la pared 31 opuesta al agujero taladrado 28 el líquido 15 absorbente de la radiación residual de láser 29, el cual circula con tanta rapidez que no sea evaporado por la radiación residual 29 -que atraviesa el agujero perforado 28- en, por ejemplo, una proporción tal que se pueda producir un daño de la pared opuesta 31, sino que se absorba realmente toda la radiación residual 29 en el líquido 15. Dado que en el procedimiento según la invención se emplea un láser de CO_{2}, se puede emplear, como líquido absorbente 15, agua que eventualmente esté mezclada con medios para impedir la corrosión, ya que se absorbe en agua la longitud de onda de la radiación emitida por el láser de CO_{2}. El empleo de agua como líquido absorbente produce un especial ahorro de costes.

La figura 16 muestra estas condiciones para el caso del taladrado de boquillas de inyección de carburante en un cuerpo 32 de boquilla de inyección por medio del rayo láser 25 enfocado por la lente de enfoque 24. Se ha confeccionado ya un agujero taladrado 33 y se trabaja en el presente momento en el agujero taladrado 28. En este caso, se puede materializar una forma de realización ventajosa de tal manera que se inyecte el líquido absorbente 15 en el cuerpo 32 de la boquilla de inyección por medio de una boquilla 35 de modo que el líquido 15 choque con la resistente pared de la parte superior de la boquilla de inyección 32, que no contiene ningún taladro, y sea influenciado desde allí de la manera representada en su flujo 34 a fin de que este líquido circule a la izquierda y a la derecha a lo largo de las paredes relevantes para el taladro 28. Se asegura así de manera sencilla y eficiente que la radiación residual 29 que eventualmente atraviese el agujero taladrado 28 no lesione en ningún caso la pared opuesta en el sitio 30.

En las figuras no se representa un dispositivo para soplar la mancha focal 26 y el entorno del lado superior del agujero taladrado 28, con el cual se insufle en la zona de trabajo un gas de trabajo y de protección, por ejemplo oxígeno, gases inertes o mezclas de ambos, por ejemplo una mezcla de oxígeno y argón.

Cuando se emplea el proceso de taladrado de tres etapas, se varía también la presión del gas de conformidad con la evolución temporal del proceso de taladrado para lograr un resultado de taladrado óptimo. En el tramo de inicio del proceso de taladrado las series de impulsos individuales se caracterizan por una baja presión del gas en el intervalo comprendido entre 0 y 1 bar. En las pausas de taladrado se retiran por soplado los residuos y las porciones no deseadas de masa fundida a una alta presión en el intervalo de 1 a 20 bares. Además, el tramo de taladrado y de conformación del agujero taladrado se caracteriza por un crecimiento constante de la presión desde la presión inicial -que se emplea en el tramo de inicio del proceso de taladrado- hasta valores finales de hasta un máximo de 20 bares.

Con el procedimiento según la invención y el dispositivo según la invención se pueden taladrar agujeros que presenten un diámetro de aproximadamente 70 \mum para una profundidad de 1 mm, posean bordes de entrada y de salida de arista viva, así como flancos de agujero lisos, y sean de una configuración simplemente cónica. No se presentan residuos de fusión ni variaciones térmicamente originadas en la estructura del material adyacente. Las tolerancias geométricas de los taladros representan un pequeño porcentaje.

Lista de símbolos de referencia

1

Láser de CO_{2}

2

Rayo láser de CO_{2}

3

Modulador de radiación de láser por interferencia

4

Unidad para la supresión selectiva en longitud de onda del reacoplamiento de radiación

5

Elemento óptico selectivo en longitud de onda

6

Espejo ATFR

7

Desfasador de \lambda/4

8

Espejo de desviación

9

Telescopio

10

Unidad para la rotación del perfil de intensidad

11

Unidad para la rotación del haz de radiación alrededor del eje del sistema

12

Óptica de enfoque

13

Lámina protectora

14

Pieza de trabajo

15

Líquido absorbente de la radiación de láser

16

Evolución temporal de la potencia de la radiación de láser de CO_{2} eléctricamente pulsada

17

Emisor de cadencia para impulsos de control sincronizados

18

Aparato de control para láser de CO_{2}

19

Activación del modulador

20

Rayo láser de CO_{2} pulsado por modulador _{ }

21

Evolución temporal de la potencia de los impulsos de láser acortados

22

Módulo de rotación

23

Rayo láser rotativo

24

Lente de enfoque

25

Rayo láser enfocado

26

Mancha focal (punto de imagen de la lente 24)

27

Punto de salida virtual de la radiación de láser (punto objeto de la lente de enfoque 24)

28

Agujero taladrado de forma definida

29

Radiación residual que atraviesa el agujero taladrado

30

Zona de la pared opuesta solicitada con radiación

31

Pared opuesta al agujero taladrado

32

Cuerpo de boquilla de inyección

33

Agujero perforado ya confeccionado

34

Líquido absorbente circulante

35

Boquilla para líquido absorbente

36

Primer plano funcional del módulo de rotación

37

Segundo plano funcional del módulo de rotación

38

Eje del rayo incidente

39

Rayo incidente

40

Primer espejo

41

Segundo espejo

42

Tercer espejo

43

Elemento de rayo

44

Elemento de rayo

45

Eje de rotación del módulo de rotación

46

Cuarto espejo

47

Espejo de desacoplamiento del módulo de rotación (quinto espejo de desviación)

48

Rayo desacoplado

49

Posibilidad de ajuste para espejo de desacoplamiento

50

Rayo desacoplado deflexionado en posición y dirección

51

Cabeza de mecanización rotativa

52

Espejo de desviación

53

Espejo de desviación

54

Placa planoparalela de material transparente

55

Rayo incidente

56

Normal de incidencia

57

Rayo decalado

59

Eje del rayo incidente y de la rotación de la placa

60

Rayo decalado

61

Espejo oscilante

62

Motor

63

Eje de rotación

64

Axicono

65

Escáner x-y

66

Rodillo de apriete

67

Elemento de rayo

d

Espesor de la placa planoparalela

n

Índice de refracción de la placa planoparalela

E

Potencia del láser

t

Tiempo

z

Desplazamiento del eje del rayo desacoplado del módulo de radiación con respecto al eje del sistema

\alpha

Variación de dirección del rayo desacoplado del módulo de rotación

\beta

Ángulo de cuña del espejo oscilante

\gamma

Ángulo de incidencia del haz de radiación sobre la placa planoparalela

\Delta

Decalaje del haz de radiación por medio de la placa planoparalela

\omega_{1}

Frecuencia circular del módulo de rotación

\omega_{2}

Frecuencia circular de la rotación del rayo total alrededor del eje del sistema

Claims (41)

1. Procedimiento para taladrar agujeros con impulsos láser de CO_{2} empleando un láser (1) de CO_{2}, caracterizado por los pasos siguientes:

a)

transformación de la radiación linealmente polarizada del láser de CO_{2} en una radiación circularmente polarizada;

b)

inserción de elementos ópticos para adaptar el diámetro y la divergencia del haz de radiación;

c)

rotación del perfil de intensidad del haz de radiación alrededor de su eje de radiación;

d)

rotación de todo el haz de radiación alrededor del eje del sistema con una distancia y un ángulo definidos, pero libremente ajustables, entre el eje del haz de radiación y el eje del sistema, de tal manera que, durante el enfoque subsiguiente del haz de radiación así conformado por medio de la óptica de enfoque (12) sobre el sitio de mecanización deseado, se garantice que, por un lado, se reúnan todas las porciones de radiación en esta mancha focal (26) y, por otro lado, la divergencia de la radiación, después de pasar por la mancha de enfoque (26), esté adaptada de modo que se origine la forma de agujero deseada,

e)

efectuándose la conformación de impulsos de radiación o secuencias de impulsos de rotación a partir de la radiación (2) del láser (1) de CO_{2} por fuera del resonador del láser;

f)

soplándose el entorno de la mancha focal (26) con un gas de trabajo y de protección;

g)

suprimiéndose el reacoplamiento de radiación entre la pieza de trabajo y el láser de CO_{2} por medio de una unidad de desacoplamiento (4) selectiva en longitud de onda; y

h)

protegiéndose elementos constructivos del componente opuestos al agujero taladrado contra acciones no deseadas de la radiación residual que atraviesa el agujero taladrado por medio de un líquido que circula en el lado inferior de la pieza de trabajo mecanizada.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se dispone una lámina protectora metálica (13) sobre la superficie del componente.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque, para la operación de soplado del entorno de la mancha focal (26), se emplea una mezcla de oxígeno y un gas inerte, preferiblemente argón.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se emplea como líquido un líquido (15) que absorbe la radiación de láser con suficiente fuerza.

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se emplea una disposición telescópica (9) en calidad de elementos ópticos para la adaptación del diámetro y la divergencia del haz de radiación.

6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la conformación de los impulsos de láser se efectúa por fuera del resonador del láser de tal manera que se "amputen" de la radiación de láser continua o de los impulsos de radiación (16) del láser (1) de CO_{2} eléctricamente pulsado unos impulsos (21) que se caractericen por su simetría en la evolución temporal de la potencia y por duraciones de impulso \tau_{imp} en el intervalo de órdenes de magnitud de 1 \mus \leq \tau_{imp} \leq 100 \mus.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque la generación de los impulsos de radiación se efectúa por medio de un modulador acustoóptico o un modulador (3) de radiación de láser por interferencia dispuesto fuera del resonador del láser.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque la generación de la radiación eléctricamente pulsada del láser (1) de CO_{2} y la conformación de estos impulsos por el modulador (3) de radiación de láser por interferencia se efectúan por medio de impulsos de control sincronizados proveniente de un emisor de cadencia común (17) de modo que el máximo de potencia de los impulsos acortados "amputados" (21) coincida exactamente con el máximo de potencia de los impulsos de salida (16) del láser (1) de CO_{2}.

9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se regula por medio de un sistema de activación eléctrica (18) de láser (1) de CO_{2} o por medio de un segundo modulador de radiación la potencia de pico de los respectivos impulsos individuales (21) del tren de impulsos que realiza el taladro en el intervalo comprendido entre 10% y 100% de la potencia máxima del láser durante el proceso de taladrado.

10. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado porque se descompone el proceso de taladrado en tres tramos, a saber, un tramo de inicio, un tramo de taladrado y un tramo de conformación del agujero taladrado, presentando el tramo de inicio una o varias series de impulsos, preferiblemente 10 a 100 impulsos, poseyendo el primer impulso una potencia de pico que corresponde al umbral de erosión del material a mecanizar, y caracterizándose los impulsos siguientes por un incremento sucesivo de la potencia de pico, presentando el tramo de taladrado una o varias series de impulsos, preferiblemente 10 a 100 impulsos, cuyas potencias de pico están tan por encima de las del tramo de inicio que se haga avanzar el agujero taladrado en el sentido de la profundidad y hasta la obtención de un taladro pasante, y presentando el tramo de conformación del agujero unas series de impulsos cuyas potencias de pico se eligen de modo que no se funda nuevamente el canto superior del agujero, y empleándose el movimiento combinado de rotación del haz de radiación alrededor del eje del sistema y del perfil de radiación alrededor del eje de radiación para lograr la forma prefijada del agujero, por ejemplo un cono ensanchado hacia abajo.

11. Procedimiento según la reivindicación 10, caracterizado porque la presión del gas de trabajo y de protección se ajusta a la evolución temporal del proceso de taladrado, preferiblemente de tal manera que en el tramo de inicio se emplee una presión de gas comprendida entre 0 y 1 bar, en las pausas de taladrado se emplee una presión de gas en el intervalo de 1 a 20 bares y tanto en el tramo de taladrado como en el tramo de conformación del agujero se emplee una presión de gas variable que aumente desde la presión inicial empleada en el tramo de inicio hasta una presión de gas de hasta un máximo de 20 bares.

12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la rotación del perfil de intensidad del haz de radiación y la rotación del propio haz de radiación se materializan por medio de una disposición de cinco espejos montada de forma giratoria, esto es, el módulo de rotación (22), que actúa como una especie de "engranaje óptico" y que produce la rotación del perfil de intensidad alrededor del eje de radiación con el doble de la velocidad de rotación 2\omega_{1} del módulo de rotación (22) y la rotación discrecionalmente ajustable del haz de radiación alrededor del eje del sistema con la misma velocidad de rotación \omega_{1} del módulo de rotación (22).

13. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, para materializar ángulos \geq 10º entre el eje de radiación y el eje del sistema en el emplazamiento de la mancha focal (26), se utiliza una combinación de una unidad para la rotación del perfil de intensidad (10), preferiblemente el módulo de rotación (22), y una unidad para la rotación del haz de radiación alrededor del eje del sistema (11).

14. Procedimiento según la reivindicación 13, caracterizado porque la velocidad de rotación (\omega_{1}) de la unidad (10) y la velocidad de rotación (\omega_{2}) de la unidad (11) son inconmensurables.

15. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 14, caracterizado porque la lámina protectora (13) sigue siendo movida de un impulso a otro o de un tren de impulsos a otro durante el proceso de taladrado de modo que la radiación incida siempre sobre un elemento de superficie de esta lámina que no esté aún solicitado con radiación.

16. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la unidad de desacoplamiento selectiva en longitud de onda presenta un espejo ATFR (6) y porque en un sitio ampliamente arbitrario en el trayecto de radiación entre el espejo final del resonador del láser y el módulo de rotación (22) se dispone al menos un elemento (5) selectivo en frecuencia.

17. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 16, caracterizado porque se emplea agua en calidad de líquido absorbente (15).

18. Procedimiento según la reivindicación 17, caracterizado porque se mezcla el agua con medios para impedir la corrosión.

19. Dispositivo para taladrar agujeros, especialmente para la realización del procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, que comprende

-

un potente láser (1) de CO_{2} de alto índice de calidad de radiación K > 0,8,

-

medios para transformar la radiación linealmente polarizada del láser en una radiación circularmente polarizada,

-

medios para adaptar la divergencia del haz de radiación al proceso dinámico de su enfoque sobre la pieza de trabajo (14),

-

una unidad (10) para generar una rotación del perfil de intensidad alrededor del eje de radiación y una unidad (11) para realizar una rotación del haz de radiación así conformado alrededor del eje del sistema con una distancia y un ángulo definidos, pero libremente ajustables, entre el eje del haz de radiación y el eje del sistema,

-

un modulador (3) de radiación de láser por interferencia dispuesto por fuera del resonador del láser para conformar impulsos de radiación definidos (21) a partir de la radiación de láser original (2),

-

una unidad (4) selectiva en longitud de onda para suprimir el reacoplamiento de radiación entre la pieza de trabajo (14) y el láser (1) de CO_{2}, y

-

una boquilla (35) para inyectar un líquido (15) que circule a la largo del lado inferior de la pieza de trabajo y que absorba la radiación de láser de CO_{2} que atraviese el agujero taladrado.

20. Dispositivo según la reivindicación 19, caracterizado porque, para transformar la radiación linealmente polarizada del láser (1) en una radiación circularmente polarizada, sirve un desfasador (7) de \lambda/4, preferiblemente una placa de \lambda/4 hecha de un material transparente para la radiación (2) del láser de CO_{2}, o un espejo desfasador de \lambda/4.

21. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 19 y 20, caracterizado porque, para adaptar la divergencia del haz de radiación al proceso dinámico de su enfoque sobre la pieza de trabajo (14), se utiliza un telescopio (9), preferiblemente un telescopio del tipo de Galileo.

22. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 19 a 21, caracterizado porque se utiliza un módulo de rotación (22) para la rotación combinada del perfil de intensidad de la radiación de láser alrededor del eje de radiación y la rotación de todo el haz de radiación alrededor del eje del sistema.

23. Dispositivo según la reivindicación 22, caracterizado porque el módulo de radiación (22) consta de cinco espejos (40, 41, 42, 46, 47), estando dispuestos los tres primeros espejos (40, 41, 42) en un primer plano funcional (36) perpendicular al eje (38) del rayo incidente (39) de modo que el primer espejo (40) desvíe el haz en 90º hacia el segundo espejo (41), éste desvía nuevamente el haz en 90º hacia el tercer espejo (42) de modo que los dos elementos de rayo (43) y (44) estén situados en el primer plano funcional (36), y el tercer espejo refleje nuevamente el haz en 90º perpendicularmente hacia fuera del primer plano funcional (36) en dirección al segundo plano funcional (37) -que es igualmente perpendicular al eje de radiación original (38) y, por tanto, también al eje de rotación (45) del módulo de rotación (22)- y lo envía hacia el cuarto espejo (46) situado en este plano, el cual desvía nuevamente el rayo en 90º en este segundo plano funcional (37) en dirección al eje de rotación (45) y lo refleja sobre el "espejo de desacoplamiento" (47) del módulo de rotación (22), estando dispuesto este último espejo de modo que desvíe el haz en 90º desde el módulo de rotación (22) hacia el trayecto de radiación adicional, y poseyendo este espejo unos medios (49) para ajustar la posición y la dirección del rayo desacoplado (48).

24. Dispositivo según la reivindicación 23, caracterizado porque el quinto espejo (47) está dispuesto de modo que el rayo desacoplado (48) discurra exactamente en la prolongación del eje (38) del rayo incidente (39) y el módulo de rotación (22) funcione como una especie de "engranaje óptico" para que, al producirse una revolución del módulo de rotación (22) alrededor de su eje (45), el perfil de intensidad del rayo desacoplado (48) gire dos veces alrededor de su eje de radiación.

25. Dispositivo según la reivindicación 24, caracterizado porque el quinto espejo es desplazable en la dirección del elemento de rayo (67), es decir, perpendicularmente al eje (38) del rayo incidente o al eje de rotación (45) del módulo de rotación (22), de modo que se pueden ajustar distancias arbitrarias (z) entre el eje (38) del rayo incidente y el eje del rayo desacoplado (48).

26. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 23 a 25, caracterizado se pueden ajustar ángulos (\alpha) en el intervalo comprendido entre 0º y 20º por medio de las posibilidades de ajuste (49) del espejo de desacoplamiento (47).

27. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 19 a 21, caracterizado porque se utilizan dos unidades separadas (10, 11) para la rotación del perfil de intensidad (10) y del haz de radiación alrededor del eje del sistema (11), las cuales presentan frecuencias circulares (\omega_{1} y \omega_{2}) diferentes, preferiblemente inconmensurables, de su rotación.

28. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 19 a 21 ó 27, caracterizado porque la unidad (11) para la rotación del haz de radiación alrededor del eje del sistema está formada por una cabeza de mecanización rotativa (51) que contiene dos espejos de desviación (52) y (53), así como la lente de enfoque (24), y que gira con la frecuencia circular (\omega_{2}).

29. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 19 a 21 ó 27, caracterizado porque la unidad (11) para la rotación del haz de radiación alrededor del eje del sistema está formada por una placa planoparalela de espesor (d) que está inclinada bajo el ángulo (\gamma) con respecto al eje del sistema y que gira con la frecuencia circular (\omega_{2}).

30. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 19 a 21 ó 27, caracterizado porque la unidad (11) está formada por una combinación de un espejo oscilante (61) -que se caracteriza por un ángulo de cuña (\beta) y que es accionado por un motor (62) con una frecuencia circular (\omega_{2}) de modo que se origine a partir del rayo incidente (55) con eje de radiación estable en el espacio un haz que gira en forma de círculo- y un axicono (64) dispuesto inmediatamente delante de la lente de enfoque (24).

31. Dispositivo según la reivindicación 30, caracterizado porque la lente de enfoque (24) está antepuesta al sistema espejo oscilante (61)-axicono (64).

32. Dispositivo según la reivindicación 30 ó 31, caracterizado porque se utiliza en lugar del espejo oscilante (61) un escáner x-y rápido (65).

33. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 19 a 32, caracterizado porque el dispositivo presenta unos rodillos de apriete (66) que presionan una lámina protectora (13), en forma tirante pero móvil, sobre el lado superior de la pieza de trabajo (14), y que son movidos adicionalmente por un dispositivo durante el proceso de taladrado con tanta rapidez que cada impulso de mecanización individual encuentre un elemento de superficie de la lámina protectora (13) que no haya sido previamente solicitado todavía con radiación.

34. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 19 a 33, caracterizado porque la lámina protectora (13) es metálica.

35. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 19 a 34, caracterizado porque la lámina protectora (13) presenta un espesor de aproximadamente 10 a 20 \mum.

36. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 19 a 35, caracterizado porque el líquido (15) absorbente de la radiación de láser es llevado por medio de un sistema de inyección, preferiblemente una boquilla (35), al espacio comprendido entre el lado inferior del agujero taladrado de forma definida (28) y la zona de la pared opuesta (30) de modo que el líquido absorbente circulante (34) absorba completamente la radiación de láser.

37. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 19 a 36, caracterizado porque la unidad (4) para la supresión selectiva en longitud de onda del reacoplamiento de radiación entre la pieza de trabajo (14) y el láser (1) de CO_{2} se materializa por medio de tres componentes, a saber, el desfasador (7) de \lambda/4, un espejo ATFR (6) y elementos ópticos (5) selectivos en longitud de onda.

38. Dispositivo según la reivindicación 37, caracterizado porque los elementos ópticos (5) selectivos en longitud de onda están dispuestos en la zona del recorrido de radiación entre el espejo final del láser (1) de CO_{2} y la unidad (10) para la rotación del perfil de intensidad.

39. Dispositivo según la reivindicación 37 ó 38, caracterizado porque un prisma o una rejilla sirve de elemento (5) selectivo en longitud de onda.

40. Dispositivo según la reivindicación 37 ó 38, caracterizado porque uno o varios espejos selectivos en frecuencia sirven para la selección de frecuencia.

41. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 37 a 40, caracterizado porque al menos un componente de la unidad (4) para la supresión selectiva en longitud de onda está dispuesto por fuera del resonador del láser.