CH658944A5

CH658944A5 - Verfahren und vorrichtung zum modulieren eines laserstrahles.

Info

Publication number: CH658944A5
Application number: CH1630/83A
Authority: CH
Inventors: Ichiro Egashira
Original assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 1982-03-25
Filing date: 1983-03-24
Publication date: 1986-12-15
Also published as: CA1250461A; DE3310627A1; SE8301642L; SE461493B; IT8347979A1; GB2117533B; JPS58163912A; US4581515A; IT8347979A0; FR2524213B1; KR840004313A; FR2524213A1; GB2117533A; GB8308116D0; KR910003464B1; IT1167086B; SE8301642D0; AU1254683A; JPS6318168B2; AU560147B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Modulieren eines Laserstrahles gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 2.

Im Gebiet der Materialverarbeitung wie Metallbleche wird ein Laserstrahl benützt, bei dem die Leistungsdichte verändert wird.

Es ist bekannt, dass ein Laserstrahl, der mittels eines Laserresonators erzeugt wird, für Bearbeitung oder für Schneiden von verschiedenen Materialien, insbesondere von Blechen benützt werden kann, und verständlicherweise ist es erwünscht, die Bearbeitung mittels Laserstrahles genau durchzuführen. Obwohl ein Laserresonator eines Impulslasers eine genauere Verarbeitung zulässt, als dies mit einem Resonator für einen kontinuierlichen Laserstrahl möglich ist, weist der erstgenannte im Vergleich zum zweitgenannten eine grössere Abmessung auf und ist teurer bei gleicher Leistung.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, um mit einem Laserstrahl eine genaue Verarbeitung von Material zu ermöglichen, insbesondere soll die Möglichkeit geschaffen werden, einen kontinuierlichen Laserstrahl zu tasten.

Erfindungsgemäss wird dies mit einem Verfahren gemäss den Markmalen im kennzeichnenden Teil des unabhängigen Patentanspruchs 1 erreicht. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist im kennzeichnenden Teil des unabhängigen Patentanspruchs 2 gekennzeichnet. Besonders vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Seitenriss einer Maschine mit Laserstrahlbearbeitung, die mit einer Vorrichtung zum Modulieren eines Laserstrahls versehen ist,

Fig. 2 eine Schnittansicht gemäss der Schnittlinie II-II in Fig. 1 in vergrössertem Massstab,

Fig. 3 einen Längsschnitt in einer Ebene gemäss der Linie III-III in Fig. 2, '

Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung der Leistungsdichte eines Laserstrahls im Fall eines einmaligen Betriebes, und

Fig. 5 ein Diagramm der Leistungsdichte eines Laserstrahls in einem Mehrfachbetrieb.

Gemäss Fig. 1 ist eine Verarbeitungsmaschine 1 mit einem Laserresonator 3 gekuppelt, der ein Kohlendioxidgas-Laserresonator sein kann (C02-Laser). Der Laserresonator 3, der ein kommerzieller Resonator sein kann, ist so angeordnet, dass er ein Laserstrahl LB erzeugt und diesen zur Verarbeitungsmaschine 1 hin abgibt, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist und ist einstückig mit der Rückwand der Vorrichtung zum Unterbrechen des Laserstrahls verbunden.

Die Laserstrahl-Verarbeitungsmaschine 1 umfasst eine Basis 5, eine Stütze 7, die vertikal auf der Basis 5 angeordnet ist und einen freien Trägerarm 9, der mittels der Stütze 7 über der Basis 5 gehalten ist. Die Basis 5 besitzt auf ihrer Oberseite einen Arbeitstisch II mit einer Anzahl Gleitkugeln, auf denen ein Werkstück W wie ein Blech aufliegt und verarbeitet werden kann. Der Träger 9 besitzt an seinem vorderen Ende einen Verarbeitungskopf 13, der mit einer Spiegelanordnung 15 und einer Fokussierlinse 17 versehen ist. Die Spiegelanordnung 15 dient zum Reflektieren des Laserstrahls LB gegen das Werkstück W hin, und die Fokussierlinse dient zum Fokussieren des Laserstrahls LB auf das Werkstück W, zusammen mit einem Hilfsgas wie Sauerstoff. Somit ist die Laserverarbeitungsmaschine 1 mit dem oben genannten Aufbau so angeordnet, das s ihr der Laserstrahl LB vom Laserresonator 3 zugeführt wird und diesen Laserstrahl LB durch die Fokussierlinse 17 im Verarbeitungskopf 13 zum Werkstück W bringt, wie dies durch den Pfeil gegen das Werkstück hin dargestellt ist.

Um das Werkstück W zu bewegen und einzurichten,

besitzt die Laserverarbeitungsmaschine 1 einen ersten Schlitten 19, der horizontal beweglich ist und einen zweiten Schlitten 21, der mit einer Anzahl Halteklammern 23 zur Halterung des Werkstücks W versehen ist. Der erste Schlitten 19 ist auf einem Paar Schienen 25 verschiebbar angeordnet, welche Schienen sich auf der oberen Partie der Basis 5 parallel zueinander befinden, so dass der Schlitten relativ zur Verarbeitungszone unterhalb des Verarbeitungskopfes 13 bewegt werden kann. Der zweite Schlitten 21 mit den Klammern 23 ist auf dem ersten Schlitten 19 verschiebbar angeordnet, so dass er unter einem rechten Winkel zu den Schienen 25 bewegt werden kann. Beide Schlitten sind mit einem motorischen Antrieb versehen. Das Werkstück W, das mit den Klammern 23 gehalten ist, kann damit auf dem Werktisch 11 bezüglich des Verarbeitungskopfes 13 bewegt werden, indem der erste und der zweite Schlitten 19,21 bewegt werden.

In der beschriebenen Anordnung kann das Werkstück W durch den Laserstrahl LB verarbeitet werden, wenn das Werkstück sich unter dem Bearbeitungskopf 13 auf dem Werktisch 11 und den beiden Schlitten 19 und 13 befindet. Selbstverständlich wird der Laserstrahl LB aus dem Laserresonator 3 dem Verarbeitungskopf 13 zugeführt und mittels der Spiegelanordnung 15 nach unten gerichtet, wie dies durch den Pfeil dargestellt ist, und nach Fokussierung durch die Fokussierlinse 17 gegen das Werkstück W geworfen.

Fig. 2 und 3 zeigen einen Modulator 27 zur Veränderung der Leistungsdichte eines Laserstrahles. Dieser Modular 27 ist mit einer Durchleitung 29 versehen, die zur Laserstrahl-

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Verarbeitungsmaschine 1 hin führt und weist überdies eine Durchleitung 31 auf, die mit dem Laserresonator verbunden ist, so dass der Laserstrahl LB ungestört durchgeleitet werden kann. Der Leistungsdichtemodulator 27 ist mit einer Grundplatte 33 versehen, die an einer Partie der Verarbeitungsmaschine 1 mittels Haltern 35 und 37 befestigt ist. Bei einer zentralen Partie weist der Modular 27 eine Hülse 39 auf, die mit der Durchleitung 29 verbunden ist, so dass der Laserstrahl LB durch diese hindurchtreten kann. Der Modulator 27 umfasst auch einen Kühlmantel 41, der aus einem Paar Platten 43,45 besteht, die mit Abstandshaltern 47 im Abstand voneinander gehaltert sind und bei einer zentralen Partie eine Hülse 49 aufweisen, die mit der Durchleitung 31 verbunden ist. Insbesondere ist der Kühlmantel 41 derart ausgebildet, dass die Platten 43 und 45 wasserdicht mit den Abstandshaltern 47 und der Hülse 49 verbunden sind, so dass ein Kühlmittel dazwischen durchgeleitet werden kann und dazu ist auch eine Zuleitung41i und eine Ableitung 41o für das Kühlmittel vorhanden. Die Grundplatte 33 und der Kühlmantel 41 sind miteinander mittels Abstandshaltern 51 verbunden und bilden ein Gehäuse in der Art, dass die Hülsen 39 und 49 gerade aufeinander ausgerichtet sind, um einem geradlinigen Durchgang für den Laserstrahl LB zu schaffen. Somit kann der von der Durchleitung 31 kommende Laserstrahl LB aus dem Laserresonator 3 durch die Hülsen 49 und 39 und durch die Durchleitung 29 zum Verarbeitungskopf 13 der Laserverarbeitungsmaschine 1 geführt werden. Der Abstand zwischen der Grundplatte 32 und dem Kühlmantel 41 wird ebenfalls durch den Kühlmantel 41 gekühlt.

Wie Fig. 2 und 3 zeigen, umfasst der Modulator 27 eine Anzahl rotierender Strahlzerhackerscheiben 53,55,57 und 59, die je mit einer Anzahl kreisförmiger Öffnungen 53h, 55h, 57h und 59h versehen sind. Die Strahlzerhackerscheiben 53,55,57 und 59 sind im Raum zwischen der Basisplatte 33 und dem Kühlmantel 41 mittels Wellen 61,63,65 und 67 rotierbar gehaltert. Die Wellen 61,63,65 und 67 sind parallel zueinander angeordnet. Die Öffnungen 53h, 55h, 57h und 59h der Strahlzerhackerscheiben 53, 55, 57 und 59 befinden sich in gleichen radialen Abständen von den Wellen 61,63,65 und 67. Die Wellen 61,63,65 und 67 sind so angeordnet, dass die Strahlzerhackerscheiben 53,55,57 und 59 sich teilweise überdecken und überdies mit ihren Öffnungen 53h, 55h, 57h und 59h den Durchgang für den Laserstrahl LB zwischen den Hülsen 39 und 49 frei lassen, wenn sie rotiert werden. Anders gesagt, sind die Strahlzerhackerscheiben 53,55,57 und 59 so angeordnet, dass jede von ihnen den Durchgang für den Laserstrahl LB zwischen den Hülsen 39 und 49 öffnen und schliessen, wenn die Öffnungen 53h, 55h, 57h und 59h mit den Öffnungen der Hülsen koinzi-dieren. Überdies sind die Zerhackerscheiben 53,55,57 und 59 so angeordnet, dass ihre Öffnungen 53h, 55h, 57h und 59h gleichzeitig und synchron auf die Öffnungen der Hülsen ausgerichtet sind.

In der oben beschriebenen Anordnung ist jede Strahlzerhackerscheibe 53, 55, 57 und 59 in der Lage, den Durchgang des Laserstrahls LB zunehmend zu schliessen und zu öffnen, wenn die Öffnungen 53h, 55h, 57h und 59h zur vollständigen Überdeckung mit den Öffnungen der Hülsen gebracht werden. Der Durchgang für den Laserstrahl LB wird zunehmend radial vom Zentrum desselben her geöffnet und wird auch zunehmend radial von der äusseren Peripherie her verschlossen, indem die vier Strahlzerhackerscheiben 53,55,57 und 59 die Öffnungen 53h, 55h, 57h und 59h aus vier verschiedenen Richtungen zur Ausrichtung mit dem Durchgang bringen. Somit, wenn die Strahlzerhackerscheiben 53,55,57 und 59 rotiert werden, bleibt die zentrale Partie des Durchgangs für den Laserstrahl LB länger offen als die äusseren

Partien, so dass die äusseren Partien des Laserstrahls LB, die eine geringere Leistungsdichte aufweisen, abgeschwächt werden, nachdem der Laserstrahl LB durch den Modulator 27 hindurchgeleitet wurde. Wenn somit die Strahlzerhackerscheiben 53, 55, 57 und 59 rotiert werden, wird der Laserstrahl LB zerhackt und gepulst, so dass er unterbrochen als Impulse aus dem Laserresonator 3 zum Verarbeitungskopf 13 gelangt. In diesem Zusammenhang wird erwähnt, dass die Anzahl der Strahlzerhackerscheiben verändert werden kann, ohne das Wesen der Erfindung zu verändern, obwohl in diesem Ausführungsbeispiel vier solcher Scheiben als bevorzugte Ausführungsform dargestellt sind.

Wie Fig. 3 zeigt, sind die Wellen 61,63,65 und 67 der Strahlzerhackerscheiben 53, 55, 57 und 59 in Lager 69 geführt, die sich auf der Aussenseite der Basis 33 auf einer Halteplatte 71 befinden, die an der Hülse 39 im Abstand von der Basisplatte 33 fixiert ist. Die Wellen 61, 63, 65 und 67 sind damit rotierbar horizontal zwischen der Grundplatte 33 und der Halteplatte 61 mittels der Lager 69 gehaltert. Wie ebenfalls in Fig. 2 und 3 dargestellt ist, sind die Wellen 61, 63, 65 und 67 mit Riemenscheiben 73, 75, 77 und 79 versehen, über die ein endloses Band 81 geschlungen ist, um die Strahlzerhackerscheiben 53, 55, 57 und 59 anzutreiben. Die Riemenscheiben 73,75,77 und 79 haben gleiche Durchmesser und sind an den Wellen 61, 63, 65 und 67 befestigt, so dass diese zwischen der Grundplatte 33 und der Halteplatte 71 rotiert werden können. Der Riemen 81 wird durch ein Leerlaufrad 83 angespannt gehalten, das frei drehbar auf der Halteplatte 71 befestigt ist und so angeordnet ist, dass es mittels einer exzentrischen Welle die Einstellung der Spannung im Riemen 81 erlaubt. Die Welle 81 ist mittels einer Kupplung 85 mit einem Motor 87 verbunden, der ebenfalls auf der Grundplatte 33 mittels einer Motorhalteplatte 39 und einem Halter 91 befestigt ist. Somit, wenn der Motor 87 angeschaltet wird, wird die Welle 61 durch den Motor 87 angetrieben, um so nicht nur die Strahlzerhackerscheibe 53 direkt anzutreiben, sondern auch die Strahlzerhackerscheiben 55, 57 und 59 mittels der Riemenscheibe 73, dem Riemen 81, der Riemenscheiben 75, 77 und 79 und der Wellen 63, 65 und 67. Es ist selbstverständlich, dass der Motor 87 ebensogut mit einer der Wellen 63,65 oder 67 gekuppelt werden könnte, anstelle der Welle 61, wie dies hier dargestellt wurde.

Wie in Fig. 3 dargestellt, ist ein Annäherungsschalter 93 an einer Partie der Grundplatte 33 gegenüber dem Weg der Öffnungen 59h der Zerhackerscheibe 49 angeordnet. Der Annäherungsschalter 93 detektiert die Rotation der Zerhackerscheibe 59, indem die Anzahl Öffnungen 59h detektiert werden, um dadurch den Motor 87 zu steuern, um mit diesem die Rotation der Strahlzerhackerscheiben 53, 55, 57 und 59 bis zu einem vorgegebenen Wert zu rotieren. Wie dargelegt, kann die Rotation der Strahlzerhackerscheiben 53, 55, 57 und 59 durch Überwachung von nur einer Strahlzerhackerscheibe 59 gesteuert werden, weil alle Scheiben synchron mittels des Motors 87 und des Riemens 81 angetrieben sind. Wie weiter in Fig. 3 dargestellt ist, ist ein Befestigungsstift 59 mit einem Knopf 95n vorhanden, der mit ringförmigen Nuten 95ga und 95gb versehen ist. Dieser Stift 95 ist an der Grundplatte 33 gehaltert, um die Strahlzerhackerscheiben 53, 55, 57 und 59 bei Bedarf festzuhalten. Der Stift 95 ist horizontal verschieblich in einer Hülse 97 gehaltert, so dass er durch die Grundplatte 33 in eine Öffnung 53h der Strahlzerhackerscheibe 53 hineingesteckt und herausgezogen werden kann. Die Hülse 97 ist auf der Grundplatte 33 befestigt und ist mit einem Kugeleinraster 99 versehen, der federnd gegen den Stift 59 gedrückt ist, so dass er abwechselnd in eine der beiden Ringnuten 95ga und 95gb einrastet. Die Anordnung ist derart, dass der Stift 95 in eine der Öffnungen 53h der Strahlzerhackerscheibe 53 eindringt, wenn

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der Kugeleinraster 99 in eine der beiden Nuten einrastet. Insbesondere ist der Stift 95 von der Strahlzerhackerscheibe 53 entfernt gehaltert, wenn der Kugeleinraster sich in der Nut 95gb befindet und dringt in eine der Öffnungen 53h ein,

wenn der Kugeleinraster 99 in der Nut 95ga eingerastet ist. Dadurch wird die Strahlzerhackerscheibe 53 in ihrer Stellung festgehalten. Wie dargelegt, werden alle Strahlzerhackerscheiben 53, 55,57 und 59 simultan angehalten, wenn die Strahlzerhackerscheibe 53 angehalten wird, weil diese durch den Riemen 81 und die Riemenscheiben 73,75,77 und 79 miteinander gekuppelt sind. In Fig. 4 ist die Verteilung der Leistungsdichte I (W/cm2) des Laserstrahls LB für einen einmaligen Betrieb graphisch als Funktion des Radius r (cm) des Laserstrahls LB, der den Abstand vom Zentrum des Laserstrahls LB angibt, dargestellt. Die Verteilung der Leistungsdichte des Laserstrahls LB gemäss Fig. 4 wurde in der Fokussierebene, d.h. unter einem rechten Winkel zum Durchgang des Laserstrahls LB, wo dieser Laserstrahl LB durch die Fokussierlinse 17 fokussiert wird, gemessen. In Fig. 4 zeigt die Kurve A die Verteilung der Leistungsdichte des Laserstrahls LB bei kontinuierlicher Ausgangsleistung von 900 W und die Kurve C zeigt die Verteilung der Leistungsdichte des Laserstrahls LB einer kontinuierlichen Ausgangsleistung von 300 W. Die Fig. 4 zeigt die Verteilung der Leistungsdichte des Laserstrahls LB, wenn als Zeitbasis eine Sekunde genommen wurde.

Die Leistungsdichte I wird allgemein durch die folgende Formel 1 als Funktion des Durchmessers r bestimmt.

I = Ioexp(-2r2/ro2) (1)

Darin bedeuten Io : Leistungsdichte des fokussierten Strahls r: Abstand vom Zentrum des Strahls in der Fokussierebene To: Radius des Strahlpunkts im Fokus

Die Ausgangsleistung P (W) wird durch die folgenden Formeln 2 und 3 als Volumen der Umdrehung gegeben, die durch Rotation der Kurve A um die Längsachse I in Fig. 4 erhalten wird:

P=J*7tr2dI (2)

P = nrllo/2 (3)

Io= 2P/ti r§ (4)

Der Durchmesser do des Strahlpunktes im Fokus ergibt sich aus der folgenden Formel 5 :

do = 2r0 - 4HAtDo (5)

Darin bedeuten D0: Durchmesser des ursprünglichen Strahls "k: Wellenlänge des ursprünglichen Strahls f : Brennweite der Fokussierlinse

In Fig. 4 gibt die Kurve B die Verteilung der mittleren Leistungsdichte des Laserstrahls LB bei kontinuierlicher Ausgangsleistung von 900 W, die mittels des Modulators 27 erhalten wird. Als Resultat eines Versuches wird die effektive Ausgangsleistung des Lasterstrahls LB bei kontinuierlicher Ausgangsleistung von 900 Wauf 300 W reduziert. Die maximale Leistungsdichte des Laserstrahls LB war wenigstens angenähert gleich der maximalen Leistungsdichte Io des Laserstrahls LB mit kontinuierlicher Ausgangsleistung von 900 W, die gemäss den vorgenannten Formeln 4 und 5 erhalten wurde. Das Volumen einer Umdrehung, die durch Rotation der Kurve B erhalten wurde, ist gleich dem einer Umdrehung, das durch die Rotation der Kurve C erhalten wurde, weil die Ausgangsleistungen, gemäss den Kurven B und C einander gleich sind. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, ist die maximale Leistungsdichte des Laserstrahls LB gemäss der Kurve B auf derselben Höhe gehalten wie die Kurve A, obwohl die Ausgangsleistung von der ursprünglichen Leistung von 900 W reduziert war. Die Leistungsdichte des Laserstrahls LB gemäss der Kurve B in Fig. 4 ist symmetrisch um die Längsachse I verteilt, weil der Durchgang des Laserstrahls LB zunehmend vom Zentrum aus geöffnet wird und sich dann zunehmend von der äusseren Partie her schliesst, wie dies weiter oben beschrieben wurde. Die Leistungsdichte des Laserstrahls LB gemäss der Kurve B wurde durch den Modulator 27 geändert und zeigt ein Profil mit steilen Flanken, so dass der Laserstrahl LB eine genaue Bearbeitung durchführen kann. Es ist verständlich, dass der Laserstrahl LB eine genaue Bearbeitung ohne unerwünschten Einfluss durch Hitze erlaubt, wiel die periphere Partie des Laserstrahls LB, die eine niedrigere Leistungsdichte aufweist, durch den Modulator 27 eliminiert wurde.

Fig. 5 zeigt die Verteilung der Leistungsdichte I des Laserstrahls LB in mehrfachem Betrieb als Funktion des Radius r in derselben Weise wie in Fig. 4. Die Kurve D zeigt die Verteilung des Laserstrahls LB bei kontinuierlicher Ausgangsleistung von 900 W und die Kurve F zeigt die Verteilung der Leistungsdichte des Laserstrahls LB bei kontinuierlicher Ausgangsleistung von 300 W. Die Kurve E zeigt die Verteilung, die erzeugt wird, wenn der Laserstrahl LB mit kontinuierlicher Ausgangsleistung von 900 W durch den Modulator 27 moduliert wurde.

Gemäss der vorgehenden Beschreibung wird also der Laserstrahl LB gepulst und durch den Modulator moduliert, so dass eine äussere Partie, die eine niedrigere Leistungsdichte aufweist, bezüglich ihrer Energie abgeschwächt werden kann, ohne dass die maximale Leistungsdichte in der zentralen Partie verändert würde. Dementsprechend weist ein Laserstrahl LB nach Durchgang durch den Modulator 27 Impulse mit steilen Flanken auf, die dem Werkstück W durch den Verarbeitungskopf 13 mit hoher Leistungsdichte ohne unerwünschte Wärmewirkung zugeführt werden kann, um das Werkstück W genau zu bearbeiten. Es ist selbstverständlich, dass der Laserstrahl LB auch direkt dem Werkstück W zugeführt werden kann, wenn dies für weniger genaue Verarbeitung erwünscht ist.

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1. Verfahren zum Modulieren eines Laserstrahles,

dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichte des Laserstrahles durch Schliessen und Öffnen eines Durchganges für den Laserstrahl nach dem Austritt des Strahles aus dem Laserresonator geändert wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch ein Modulationsmittel zum Schliessen und Öffnen eines Durchganges nach dem Ausgang des Resonators und durch Mittel zum Antrieb des genannten Modulationsmittels.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Vorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Modulationsmittel eine Anzahl rotierender Mittel aufweist, die je zum Kreuzen des Laserstrahles angeordnet sind und je eine Anzahl Durchgänge für den Laserstrahl aufweisen.

4. Vorrichtung nach Patentanspruch 3, gekennzeichnet durch Feststellmittel zum Anhalten der rotierenden Mittel.

5. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch Mittel zum Kühlen der Modulationsmittel.

6. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgänge als Öffnungen in einer Scheibe ausgebildet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgänge als Kerben ausgebildet sind.