DD288933A5 - METHOD FOR LASER MATERIAL PROCESSING WITH DYNAMIC FOCUSING - Google Patents

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DD288933A5
DD288933A5 DD89334030A DD33403089A DD288933A5 DD 288933 A5 DD288933 A5 DD 288933A5 DD 89334030 A DD89334030 A DD 89334030A DD 33403089 A DD33403089 A DD 33403089A DD 288933 A5 DD288933 A5 DD 288933A5
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focusing
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DD89334030A
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Gisbert Staupendahl
Manfred Poehler
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Friedrich-Schiller-Universitaet,De
Veb Komb. Feinmechanische Werke,De
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung mit dynamischer Fokussierung, das einerseits neuartige technologische Wirkungen ermoeglicht und andererseits durch die Vermeidung bzw. Minimierung unerwuenschter Nebeneffekte, z. B. beim Laserbrennschneiden von Eisenwerkstoffen, hoechste Praezision und Effektivitaet der Bearbeitung gewaehrleistet. Ziel der Erfindung ist eine hohe Gebrauchswertsteigerung einer Lasermaterialbearbeitungsanlage im Hinblick auf Applikationsbreite, Bearbeitungsqualitaet und Reproduzierbarkeit des technologischen Resultates. Gemaesz der Erfindung wird diese Aufgabe geloest, indem der Laserstrahl zunaechst in einer speziellen Anordnung zur variablen Laserstrahlteilung und Fuehrung der Teilstrahlen in zwei Arbeitsstrahlen mit unterschiedlichen raeumlichen Ausbreitungseigenschaften aufgeteilt, diese beiden Teilstrahlen dann kollinear ueberlagert und anschlieszend so auf das Werkstueck fokussiert werden, dasz verfahrensgemaesz durch Hin- und Herschalten der Laserleistung zwischen den beiden Teilstrahlen eine dynamische Veraenderung der Fokusparameter, insbesondere ihre optimale Anpassung an die Dynamik des Wechselwirkungsvolumens im Werkstueck, realisiert werden kann.{Lasermaterialbearbeitung; dynamische Fokussierung; Laserbrennschneiden; Fokusparameter}The invention relates to a method for laser material processing with dynamic focusing, on the one hand allows novel technological effects and on the other hand by avoiding or minimizing undesirable side effects, eg. As in the laser cutting of iron materials, highest precision and effectiveness of processing guaranteed. The aim of the invention is a high utility value increase of a laser material processing system in terms of application width, processing quality and reproducibility of the technological result. Gemaesz the invention, this object is achieved by the laser beam initially divided in a special arrangement for variable laser beam splitting and guiding the sub-beams in two working beams with different spatial propagation properties, these two sub-beams then superimposed collinear and anschlieszend be focused on the Werkstueck, soz by method Switching the laser power back and forth between the two sub-beams, a dynamic change of the focus parameters, in particular their optimal adaptation to the dynamics of the interaction volume in the workpiece, can be realized {Laser material processing; dynamic focusing; Laser cutting; Focus parameter}

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung mit dynamischer Fokussierung, dessen Hauptanwendungsgebiet das Laserschneiden unterschiedlichster Werkstoffe, insbesondere von Metallen dargestellt und das durch die Vermeidung bzw. Minimierung unerwünschter Nebeneffekte, z.B. beim Laserbrennschneiden von Eisenwerkstoffen, der Bildung einer Riefenstruktur an den Schnittflächen und der Bartbildung durch anhaftende Schlacke an der Schnittunterkante, ferner eine Vergrößerung der bearbeitbaren Werkstoffdicke sowie eine Verringerung der Empfindlichkeit des Bearbeitungsprozesses gegen unerwünschte Verschiebungen der Fokuslage höchste Präzision und Effektivität der Bearbeitung gewährleistet und das darüber hinaus einem dem Fräsen analogen definierten Materialabtrag bis in größere Werkstofftiefen mittels Hochleistungslasern neue Perspektiven eröffnet.The invention relates to a process for laser material processing with dynamic focusing, the main field of application of which is the laser cutting of very different materials, in particular of metals, and which is achieved by avoiding or minimizing unwanted side effects, e.g. In the laser cutting of iron materials, the formation of a scoring structure at the cutting surfaces and the formation of a beard by adherent slag at the cutting edge, further increasing the machinable material thickness and reducing the sensitivity of the machining process against unwanted shifts of the focus ensures the highest precision and effectiveness of processing and that about In addition, a defined material removal analogous to milling opens up new perspectives down to larger material depths using high-power lasers.

Charakteristik des bekonnte'i Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Es gibt eine Vielzahl von Untersuchungen, die sich mit dem Einfluß der Fokussierungsparameter auf den Materialbearbeitungsprozeß mit Hochleistungslasern befassen.There are a variety of studies dealing with the influence of the focusing parameters on the material processing process with high power lasers.

Generell kann festgestellt werden, daß dabei Variationen der Fokuslage bisher lediglich mit rein mechanischen Mitteln realisiert wurden. So kann eine Verbreiterung der Härtespur beim Laserhärten durch transversale Oszillationen des Fokus mittels eines Schwingspiegels erreicht werden (vgl. z. B. H.Junge, Dissertation A, Zentralinstitut für Festkörperphysik und Werkstofforschung, Dresden, 1987).In general, it can be stated that variations of the focus position have hitherto only been realized by purely mechanical means. Thus, broadening of the hardness track during laser hardening can be achieved by transversal oscillations of the focus by means of a vibrating mirror (compare, for example, H. Junge, Dissertation A, Zentralinstitut für Festkörperphysik und Material Research, Dresden, 1987).

Verschiebungen der Fokuslage in Strahlrichtung erfordern bisher eine Verschiebung der gesamten Fokussiereinrichtung, so daß eine schnelle Veränderung der Fokuslage z. B. deren Anpassung an die Dynamik im Wechselwirkungsvolumen in Zeiten im ms-Bereich, unmöglich ist.Shifts of the focus position in the beam direction previously require a shift in the entire focusing device, so that a rapid change in the focal position z. B. their adaptation to the dynamics in the interaction volume in times in the ms range, is impossible.

Es wurde gefunden, daß es insbesondere beim Laserbrennschneiden von Eisenwerkstoffen mit COj-Hochleistungslasern, einer der häufigsten Laseranwendungen in der Materialbearbeitung, sowohl unerwünschte transversale, d. h. senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung auftretende als auch longitudinalo, d. h. in Strahlausbreitungsrichtung auftretende Effekte gibt. Zu den longitudinalen Effekten ist generell die hohe Empfindlichkeit des Schneidprozesses gegenüber der Position des Fokus relativ zum Werkstück zu rechnen. Sie muß auf wenige Zehntel mm genau eingehalten werden, damit bei den herkömmlichen Verfahren mit fixierten Fokusslerparametern reproduzierbare technologische Resultate erzielt werden. Dabei ein Optimum zu finden ist schwierig, denn die Untersuchungen beweisen, daß bei der Bearbeitung eines Werkstückes der Dicke dIt has been found that, particularly in the laser flame cutting of ferrous materials with COj high power lasers, one of the most common laser applications in material processing, both undesired transverse, i.e. H. occurring perpendicular to the beam propagation direction as well as longitudinally, d. H. in beam propagation direction occurring effects are. In general, the high sensitivity of the cutting process to the position of the focus relative to the workpiece is to be expected of the longitudinal effects. It must be kept exactly to a few tenths of a mm, so that reproducible technological results are achieved in the conventional methods with fixed Fokusslerparametern. It is difficult to find an optimum, because the investigations prove that when machining a workpiece of thickness d

a) der Prozeßbeginn im allgemeinen am günstigsten bei der Fokuslage direkt auf der Oberseite des Werkstückes erfolgt;a) the beginning of the process is generally most favorable at the focal position directly on the top of the workpiece;

b) optimale Resultate für den gesamten Schneidprozeß bei einer Fokuslage bei Vs d innerhalb des Werkstoffes zu erwarten sind undb) optimum results for the entire cutting process at a focal position at Vs d within the material are to be expected, and

c) die unerwünschte Bartbildung durch anhaftende Schlacke an der Unterseite des Werkstückes dann minimal wird, wenn der Fokus bei d, also an der Werkstückunterseite liegt.c) the unwanted beard formation by adhering slag on the underside of the workpiece is then minimal when the focus is at d, so on the workpiece base.

Alle bisherigen technischen Lösungen zum Laserschneiden geben sich mit einem Kompromiß bezüglich der Fokuslage, meist mit dem Kompromiß b), zufrieden und zielen lediglich darauf ab, durch eine auf die unterschiedlichste Weise realisierbare Abstandsregelung die Lage des Fokus relativ zum Werkstück weitgehend konstant zu halten. So werden z. B. in der DE-OS 3411140 und der DE-OS 3521918 Möglichkeiten zur genauen Ausrichtung des Fokus sowie in der DS-OS 3037981 und der US-PS 4761534 Varianten der Konstanthaltung der Fokuslage relativ zum Werkstück beschrieben.All previous technical solutions for laser cutting are satisfied with a compromise with respect to the focal position, usually with the compromise b), and are merely aimed at keeping the position of the focus relative to the workpiece largely constant by means of a distance control that can be realized in the most diverse ways. So z. B. in DE-OS 3411140 and DE-OS 3521918 possibilities for precise alignment of the focus as well as in DS-OS 3037981 and US-PS 4761534 variants of keeping the focus position constant relative to the workpiece described.

Zu den transversalen Effekten, die durch die Wechselwirkung Laserstrahlung-Werkstoff Im Fokusvolumen verursacht werden,To the transversal effects caused by the interaction of laser radiation material in the focus volume,

gehört die Riefenbildung an den Schnittflächen. Dieser Effekt beeinflußt In hohem Maße die Qualität des Leserschneidens, sodaß zahlreiche Autoren seine physikalisch-technischen Ursachen untersuchten (vgl. z. B. Arata u.a., Trans. SWRI Vol.8, No. 2,pp. 15-26 (1979); Schuöcker, Walter in «Laser/Optoelektronik In der Technik" Hsg. W. Weidelich, Springer-Verlag BeThe scoring at the cut surfaces belongs. This effect greatly influences the quality of the reader's cutting, so that numerous authors investigated its physical-technical causes (see, for example, Arata et al., Trans. SWRI Vol.8, No. 2, pp. 15-26 (1979); Schuöcker, Walter in "Laser / Optoelectronics In Technology" Ed. W. Weidelich, Springer-Verlag Be

Heidelberg, New York, Tokyo 198Θ, S. 359-364).Heidelberg, New York, Tokyo 198Θ, pp. 359-364). Bisher ist als technische Lösung zur Minimierung der Riefenbildung lediglich eine Optimierung aller Schneidparameter undSo far, as a technical solution for minimizing the scoring only an optimization of all cutting parameters and

dabei insbesondere die Verwendung definierter Laserimpulse bekannt (vgl. z. B. J. Powell u. a. Proc. of 3rd Int. Conf. on Lasers inIn particular, the use of defined laser pulses is known (see, for example, J. Powell et al., Proc. of 3rd International Conf. on Lasers in

Manufacturing, 3-5 June 1986, Paris, pp. 67-75).Manufacturing, 3-5 June 1986, Paris, pp. 67-75). Die Fokussierungsparameter werden dabei zeitlich konstant gehalten. Die erreichbaren Verbesserungen der Riefenstruktur sindThe focusing parameters are kept constant over time. The achievable improvements of the score structure are

relativ gering.relatively low.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Lasermaterialbearbeitung mit dynamischer Fokussierung, um erstens insbesondere beim Laserschnelden.z.B. dem Laserbrennschneiden von Eisenwerkstoffen mit C02-Hochlel8tungslasorn, unerwünschte Nebeneffekte ,wie die Bildung einer Riefen&truktur an den Schnittflächen und die Bartbildung durch anhaftende Schlacke an der Schnittunterkante, weitgehend zu unterdrücken, zweitens die Dicke der bearbeitbaren Werkstücke zu steigern, drittens die vor allem beim Laserschneiden von Metallen sehr große Empfindlichkeit der Schneidparameter gegen kleinste Schwankungen des Abstandes Fokus-Werkstück zu verringern und viertens auf optimale Weise den flächenhaften definierten Materialabtrag bis in größere Werkstofftiefen zu ermöglichen, so daß In der Summe eine Lasermaterialbearbeitungsanlage im Hinblick auf Bearbeitungsqualität, Reproduzierbarkelt des technologischen Resultates und Effektivität bei beringen zusätzlichen Kosten eine hohe Gebrauchswertsteigerung erfährt.The object of the invention is to provide a method for laser material processing with dynamic focusing, firstly laser cutting, for example laser cutting of iron materials with CO 2 high-magnification lasers, undesired side effects, such as the formation of a groove structure on the cut surfaces and the formation of a beard by adhering slag on the surface Thirdly, to reduce the thickness of the workpieces that can be machined, thirdly, to reduce the sensitivity of the cutting parameters, which is particularly great in the laser cutting of metals, to very small variations in the distance between the work and the workpiece To allow material depths, so that in total a laser material processing plant in terms of processing quality, Reproduzierbarkelt the technological result and effectiveness at beringen additional costs e experiences a high utility value increase.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung mit dynamischer Fokussierung zu entwickeln, welches die Bearbeitungsergebnisse herkömmlicher Verfahren, die im allgemeinen auf der Einstellung eines zwar optimierten, aber starren Abstandes des Fokus relativ zum Werks.1 'Ick und einer fest vorgegebenen Intensitätsverteilung im Fokusvolumen beruhen, In wesentlichen Parametern, wie Bearbeitungsqualität, Reproduzierbarkeit und maximal bearbeitbare Werkstückdicke dadurch übertrifft, daß die Fokussierungsparameter der Eigendynamik des Wechselwirkungsprozesses Laserstrahlung-Werkstoff im Fokusvolumen weitgehend angepaßt werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß folgendermaßen gelöst:The invention has for its object to develop a method for laser material processing with dynamic focusing, which the processing results of conventional methods, which generally on the setting of an optimized, but rigid distance of the focus relative to the factory. 1 'Ick and a fixed intensity distribution in the focal volume is based, in essential parameters, such as processing quality, reproducibility and maximum machinable workpiece thickness characterized exceed that the focusing parameters of the inherent dynamics of the interaction process laser radiation material are substantially matched in the focus volume. This object is achieved according to the invention as follows:

Es wurde bereits dargelegt, daß die Dynamik im Fokusvolumen, insbesondere hervoigerufen durch die Eigenschaften des Schmelzbades des bearbeiteten Werkstoffes, beim Laserschneiden zu unerwünschten transversalen und longitudinalen Effekten führt.It has already been stated that the dynamics in the focus volume, in particular caused by the properties of the molten bath of the machined material, lead to undesired transverse and longitudinal effects in laser cutting.

Deren Minimierung einerseits sowie die Erzielung neuartiger technologischer Effekte z. B. bei der Bearbeitung spröder Materialien wie Glas und Keramik und beim definierten flächenhaften Matertalabtrag bis in größere Werkstofftiefen andererseits können nach der erfindungsgemäßen Verahrenswelse dadurch erreicht werden, daß die Parameter des Fokus, d. h. sein effektiver Durchmesser, die Intensitätsverteilung über seinon Querschnitt und seine Lage rilativzum Werkstück, zeltlich variabel gestaltet werden, daß eine „dynamische" Fokussierung realisiert wird.Their minimization on the one hand and the achievement of novel technological effects z. As in the processing of brittle materials such as glass and ceramic and the defined planar Matertalabtrag to larger material depths on the other hand can be achieved by the inventive catfish in that the parameters of the focus, d. H. its effective diameter, the intensity distribution across its cross-section, and its position relative to the workpiece, are made to be variably variable in frequency to realize "dynamic" focusing.

Voraussetzung für eine solche dynamische Fokussierung ist, daß auf die Fokussieroptik der Materialbearbeitungseinrichtung zwei kollineare Strahlenbündel mit je nach Anwendungsfall wahlweise unterschiedlichem Strahldurchmesser oder unterschiedlicher Divergenz oder beidem fallen. Die Erzeugung dieser Strahlenbündel kann vorteilhaft erfolgen mittels einoi Anordnung zur variablen Laserstrahlung und Führung der Teilstrahlen, insbesondere für COrHochleistungslaserstrahlung, bei der die Strahlung des Lasers auf einen Modulator fällt, der als Interferometeranordnung mit wahlweise schnell variierbarer Reaktivität ausgebildet ist. Dieser Modulator ist unter einem Winkel zwischen seiner optischen Achse und der Richtung der Laserstrahlung angeordnet, der einerseits so klein ist, daß die Interferenzfähigkeit des Modulatorsystems nur unwesentlich beeinflußt wird und andererseits so groß ist, daß eine unerwünschte Rückkopplung des vom Modulator reflektierten Strahlungsanteils mit dem Laserresonator ohne die Verwendung optischer Hilfsmittel vermieden wird. Dieser reflektierte Strahlungsanteil wird entweder direkt oder über Hiifsspiegel zur Bearbeitungsstelle geleitet. Der transmittierte Strahlungsanteil wird durch die geeignete Anordnung optischer Mittel in seinen räumlichen Ausbreitungseigenschaften, insbesondere seiner Divergenz und seinem Strahldurchmesser, in gewünschter Welse geändert und so durch den Modulator »liriickgeschickt, daß sich dieser doppelt transmittierte Strahl kollinar dem reflektierten Strahl überlagert. Das Leistungsverhältnis zwischen diesen beiden Arbeitsstrahlen kann in von den Parametern des Modulators vorgegebenen Grenzen und mit Frequenzen innerhalb des ebenfalls durch den Modulator vorgegebenen Bereiches beliebig variiert werden. Beide Strahlenbündel werden nun durch die Fokussieroptik so in das Bearbeitungsvolumen fokussiert, daß sie auf Grund ihrer unterschiedlichen räumlichen Ausbreitungseigenschaften entweder unterschiedliche Fokusdurchmesser oder unterschiedliche Fokuslagen oder beides aufweisen. Die dynamische Fokussierung wird durch Hin- und Herschalten der Strahlungsleistung zwischen den beiden Teilstrahlen mittels der Interferometeranordnung erreicht, und das erfindungsgemäße Verfahren läuft nun so ab, daß der gesamte Materialbearbeitungsprozeß aus seiner Folge schnell ablaufender einzelner Arbeitszyklen besteht, wobei jeder dieser Arbeitszyklen durch drei Verfahrensschritte charakterisiert werden kann.The prerequisite for such a dynamic focusing is that the collimating optics of the material processing device fall two collinear beam bundles with, depending on the application, optionally different beam diameters or different divergence or both. The generation of these beams can be advantageously carried out by means of einoi arrangement for variable laser radiation and guiding the partial beams, in particular for CO r high-power laser radiation, wherein the radiation of the laser falls on a modulator, which is designed as an interferometer with optionally rapidly variable reactivity. This modulator is arranged at an angle between its optical axis and the direction of the laser radiation, which is on the one hand so small that the interference capability of the modulator system is only insignificantly affected and on the other hand is so large that an undesirable feedback of the reflected radiation from the modulator with the laser resonator without the use of optical aids is avoided. This reflected radiation component is directed either directly or via Hiifsspiegel to the processing site. The transmitted radiation component is changed by the appropriate arrangement of optical means in its spatial propagation properties, in particular its divergence and beam diameter, in the desired catwalk and so liriick sent through the modulator that this double-transmitted beam Kolloll superimposed on the reflected beam. The power ratio between these two working beams can be varied as required by the parameters of the modulator limits and frequencies within the range also specified by the modulator. Both beams are now focused by the focusing optics in the processing volume that they have due to their different spatial propagation properties either different focus diameter or different focal positions or both. The dynamic focusing is achieved by switching the radiation power between the two partial beams back and forth by means of the interferometer arrangement, and the method according to the invention now proceeds in such a way that the entire material processing process consists of its sequence of fast individual working cycles, each of these working cycles being characterized by three method steps can be.

Im ersten Verfahrensschritt wird maximal viel Leistung dem Teilstrahl zugeführt, dessen Fokussierparameter optimalen Startbedingungen entsprechen. Bei den meisten Applikationen wird dies eine Lage des Fokus an der Oberfläche des Werkstückes sein.In the first method step, a maximum of power is supplied to the partial beam whose focusing parameters correspond to optimum starting conditions. For most applications, this will be a location of focus on the surface of the workpiece.

Im zweiten Verfahrensschritt erfolgt ein schnelles Umschalten der Laserleistung In den zweiten Teilstrahl In Zeiten τ, die derIn the second method step, a fast switching of the laser power into the second partial beam takes place in times τ, which is the Dynamik des Wechselwirkungsvolumens Im Werkstoff angopaßtslnd, vorzugsweise Im Zeitbereich 10"3s StS KT1S. AufDynamics of the interaction volume in the material adaptive, preferably in the time range 10 " 3 s StS KT 1 S. Auf Grund der anderen Fokussierungsparameter dieses Teilstrahles können durch ein geeignet gewähltes Zeitregime die ParameterBecause of the other focusing parameters of this sub-beam, the parameters can be determined by a suitably selected time regime

des Fokus dem Wechselwirkungsproxeß so nachgeführt werden, daß die gewünschte untenstehend näher erläuterte Wirkungeintritt.Focus the interaction Proxeß be tracked so that the desired effect explained below in more detail occurs.

Im dritten Verfahrensschritt werden durch Rückschaltung der Laserleistung in den ersten Teilstrahl die Fokussierparameter inIn the third method step, by focusing the laser power back into the first partial beam, the focusing parameters in Zeiten, die analog dem zweiten Verfahrensschritt, die aber auch wesentlich kürzer sein können, wieder in den AusgangszustandTimes that are analogous to the second process step, which can also be much shorter, back to the initial state

gebracht.brought.

Während des gesamten Arbeitszyklus bleibt dabei die in das Wechselwirkungsvolumen eingebrachte GesamtstrahlungsleistungDuring the entire work cycle, the total radiation power introduced into the interaction volume remains

praktisch konstant, wenn das System der variablen Laserstrahlleistung und Führung der Teilstrahlung weitgehend verlustfreiarbeitet. Die durch die dargestellte Verfahrensweise erzielbaren Wirkungen sollen am Beispiel der transversalen und derlongitudinal Effekte beim Laserschneiden näher erläutert werden.practically constant, if the system of variable laser beam power and guidance of partial radiation works largely lossless. The effects achievable by the illustrated procedure will be explained in more detail using the example of the transverse and longitudinal effects in laser cutting.

Nach dem Modell von Arata beruht der transversale Effekt „Riefenbildung" beim Laserbrennschneiden von EisenwerkstoffenAccording to the model of Arata, the transverse effect "scoring" is the result of laser cutting of iron materials

mit COj-Hochlelstungslasern auf einem in wenigen ms ablaufenden zyklischen Prozeß des „Zündens" der exothermen Reaktionim Fokusvolumen, der raschen Expansion des Schmelzvolumens und der Erstarrung des geschmolzenen Materials, wenn diewith COj high-power lasers on a cyclic process of "igniting" the exothermic reaction in the focus volume, the rapid expansion of the melt volume and the solidification of the molten material in a few ms when the

Reaktionsfront den Bereich des Fokus verläßt. Anschließend erfolgt wieder die Zündung usw. mit der Folge einer periodischenReaction front leaves the area of focus. Subsequently, the ignition takes place again, etc., with the result of a periodic Riefenstruktur der Schnittfläche. Gemäß der Erfindung wird diesem Pulsleren des Schmelzbades Im Fokusvolumen und damitRidge structure of the cut surface. According to the invention, this pulsing of the molten bath in the focus volume and thus

der Riefenbildung dadurch entgegengewirkt, daß der Fokusdurchmesser genau In dem Moment verkleinert wird, wenn dasthe scoring formed counteracted by the fact that the focus diameter is reduced exactly in the moment when the

Schmelzbad Im Begriff Ist zu expandieren. Ist die Expansion abgefangen, wird or wieder etwas vergrößert usw., so daß in derMolten bath is about to expand. If the expansion is intercepted, or something is increased again, etc., so that in the Endkonsequenz durch diese Gegensteuerung eine wesentliche Verringerung der Riefenbildung erreicht wird.Endkonsequenz by this countermeasure, a significant reduction of scoring is achieved. Mehrfach sind die Wirkungen des Verfahrens auf die longitudinal Effekte.Multiple are the effects of the process on the longitudinal effects.

- Es wurde bereits dargelegt, daß für unterschiedliche Erscheinungen beim Laserbrennschneiden von Eisenwerkstoffen unterschiedliche Fokuslagpn ein optimales Ergebnis bringen. Da durch das erfindungsgemäße Verfahren innerhalb eines Arbeitszyklus die Fokuslage zwischen zwei Extremen pendelt, die den Jeweiligen Prozeßparametern angepaßt werden können, sind wesentlich günstigere technologische Resultate erzielbar. Dazu gehören ein optimaler Prozeßstart durch Anfangslage des Fokus an der Oberseite des Werkstückes und minimale Bartbildung infolge anhaftens. Schlacke durch Endlage des Fokus an der Unterseite des Werkstückes.- It has already been stated that for different phenomena in the laser cutting of iron materials different Fokuslagpn bring an optimal result. Since the focus position oscillates between two extremes within a work cycle by the method according to the invention, which can be adapted to the respective process parameters, substantially more favorable technological results can be achieved. This includes an optimal process start by the initial position of the focus on the top of the workpiece and minimal beard formation due to sticking. Slag due to the end position of the focus on the underside of the workpiece.

- Die ständige Oszillation des Fokus zwischen diesen beiden Extremlagen bewirkt als weiteren Effekt eine Verbesserung der Parallelität der Schnittfuge, insbesondere z. D. den Ausgleich periodischer Variationen der Schnittfugenbreite in Strahlrichtung, die auftreten, wenn das Schneidgas bei sehr hohem Truck als Hyperschallwelle in die Schnittfuge eingekoppelt wird.- The constant oscillation of the focus between these two extreme positions causes a further effect to improve the parallelism of the kerf, in particular z. D. the compensation of periodic variations in the kerf width in the jet direction, which occur when the cutting gas is coupled with a very high truck as a hypersonic wave in the kerf.

- Da die Fokuslage praktisch dem Wechselwirkungsprozeß »nachgeführt" wird, können größere Werkstoffdicken als bei feststehendem Fokus mit der gleichen Laserleistung durchbohrt bzw. getrennt werden.Since the focus position is practically "tracked" in the interaction process, larger material thicknesses than the one with a fixed focus can be pierced or separated with the same laser power.

- Die effektive Verlängerung des Fokusschlauches durch die verfahrensgemäße Oszillation der Fokuslage bewirkt ferner, praktisch als einfachsta Wirkung, eine geringere Empfindlichkeit des Bearbeitungsprozesses gegen Schwankungen der relativen Lage Fokus-Werkstück, so daß in einer Reihe von Anwendungsfällen sogar auf eine Abstandsregelung verzichtet werden kann.- The effective extension of the focus tube by the procedural oscillation of the focus position also causes virtually simplistic effect, a lower sensitivity of the machining process against fluctuations in the relative position focus workpiece, so that can be dispensed with in a number of applications even on a distance control.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigenThe invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the accompanying drawings show

Fig. 1: eine Anordnungsvariante zur variablen Laserstrahlteilung und Führung der Teilstrahlen mit drei Spiegeln zur Formung1 shows an arrangement variant for the variable laser beam division and guidance of the partial beams with three mirrors for shaping

und Führung des transmittierten Strahles; Fig. 2: die Fokussierung zweier Arbeitsstrahlen mit gleicher Divergenz aber unterschiedlichem Durchmesser in dasand guiding the transmitted beam; Fig. 2: the focusing of two working beams with the same divergence but different diameter in the

Wechselwirkungsvolumen; Fig. 3: Die Fokussierung zweier Arbeitsstrahlen mit gleichem Durchmesser aber unterschiedlicher Divergenz in dasInteraction volume; Fig. 3: The focus of two working beams with the same diameter but different divergence in the

Wechselwirkungsvolumen.Interaction volume.

In der in Fig. 1 dargestellten Anordnungsvariante zur variablen Laserstrahlteilung und Führung der Teilstrahlen fällt die Strahlung 2desCO2-Hochleistungslasers lauf die von der Versorgungseinrichtung 4 angesteuerte Interferometeranordnung 3, die vorzugsweise durch den Modulator gemäß DD-WP 234208 gebildet wird. Dessen optische Achse 5 ist unter einem Winkel a gegen die Richtung des Laserstrahles 2 geneigt. Der Modulator spaltet diesen Strahl auf in den reflektierten Anteil 6 und den transmittierten Anteil 7, der durch ein von den Spiegeln 8 und 9 gebildetes Teleskop geformt und mittels des justierbaren Spiegels 10 ein zweites Mal durch das FPI geschickt wird. Dieser doppelt transmittierte Anteil 11 wird dem reflektieren Strahl 6 kollinear überlagert und beide werden gemeinsam der Arbeitsaufgabe zugeführt.In the arrangement variant shown in FIG. 1 for variable laser beam splitting and guiding of the partial beams, the radiation 2desCO 2 high-power laser passes the interferometer arrangement 3 controlled by the supply device 4, which is preferably formed by the modulator according to DD-WP 234208. Its optical axis 5 is inclined at an angle α to the direction of the laser beam 2. The modulator splits this beam into the reflected portion 6 and the transmitted portion 7 formed by a telescope formed by the mirrors 8 and 9 and sent by the adjustable mirror 10 a second time through the FPI. This doubly transmitted portion 11 is collinearly superimposed on the reflected beam 6 and both are jointly supplied to the work task.

Fig. 2 illustriert die Wirkung des Verfahrens beim Auftreffen zweier Arbeitsstrahlen 12 und 13 mit unterschiedlichem Strahldurchmesser aber gleicher Divergenz auf die Fokussieroptik 14. Der Strahl 12 mit dem größeren Durchmesser wird auf einen kleineren Brennfleck 15 im Wechselwirkungsvolumen 16 des Werkstückes 17 konzentriert, der Strahl 13 mit dem kleineren Durchmesser erzeugt einen größeren Brennfleck 18.Fig. 2 illustrates the effect of the method when two working beams 12 and 13 with different beam diameter but equal divergence to the focusing optics 14. The beam 12 with the larger diameter is concentrated on a smaller focal spot 15 in the interaction volume 16 of the workpiece 17, the beam thirteenth with the smaller diameter produces a larger focal spot 18th

In Fig. 3 wird die Wirkung des Verfahrens bei Nutzung zweier Arbeitsstrahlen 19 und 20 mit gleichem Durchmesser aber unterschiedlicher Divergenz veranschaulicht. Der leicht konvergente Strahl 19 erzeugt die Fokuslage 21, der leicht divergente Strahl 20 die Fokuslage 22. Da die Strahldurchmesser am Ort der Fokussieroptik 14 gleich sein sollen und für die Erzeugung einer Differenz der Fokuslagen von wenigen mm, dies ist für die meisten praktischen Anwendungen ausreichend, ein geringer Divergenzunterschied der beiden Strahlen genügt, haben beide Fokusse annähernd gleichen Durchmesser, wenn mit den z. B. für das Laserbrennschneiden von Eisenwerkstoffen typischen praktikablen Brennweiten der Fokussieroptik 14 in der Größenordnung 100mm bearbeitet wird.In Fig. 3, the effect of the method using two working beams 19 and 20 is illustrated with the same diameter but different divergence. The slightly convergent beam 19 produces the focus position 21, the slightly divergent beam 20 the focus position 22. Since the beam diameters at the location of the focusing optics 14 should be the same and for producing a difference in focal positions of a few mm, this is sufficient for most practical applications , a small difference in divergence of the two beams is sufficient, both foci have approximately the same diameter, if with the z. B. for laser cutting of iron materials typical practicable focal lengths of the focusing optics 14 in the order of 100mm is processed.

Claims (1)

Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung mit dynamischer Fokussierung, bei welchem auf die Fokussleroptik einer Materialbearbeitungseinrichtung zwei kollinare Strahlenbündel mit je nach Anwendungsfall wahlweise unterschiedlichem Strahldurchmesser oder unterschiedlicher Divergenz oder beidem fallen, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Fokussieroptik (14) die beiden Strahlenbündel (12,13) bzw. (19,20) so in das Bearbeitungsvolumen (16) fokussiert werden, daß auf Grund ihrer unterschiedlichen räumlichen Ausbreitungseigenschaften beide Toilstrahlen entweder unterschiedliche Fokusdurchmesser oder unterschiedliche Fokuslagen oder beides aufweisen und der gesamte Materialbearbeitungsprozeß aus einer Folge schnell ablaufender einzelner Arbeitszyklen besteht, wobei solch ein einzelner Arbeitszyklus dadurch realisiert wird, daß im 1. Verfahrensschritt maximal viel Leistung einem der beiden Teilstrahlen zugeführt wird, im allgemeinen wird dies der Teilstrahl sein, dessen Fokussierparameter optimalen Startbedingungen entsprechen; im 2. Verfahrensschritt ein schnelles Umschalten der Laserleistung in den zweiten Teilstrahl in Zeiten τ, die der Dynamik des Wechselwirkungsvolumens im Werkstoff angepaßt sind, vorzugsweise im Zeitbereich 10~3s StSIO-1S, erfolgt und im 3. Verfahrensschritt durch Rückschaltung der Laserleistung in den ersten Teilstrahl die Fokussierparameter in Zeiten, die analog dem 2. Verfahrensschritt, die aber auch wesentlich kürzer sein können, wieder in den Ausgangszustand gebracht werden.Method for laser material processing with dynamic focusing, in which the collimator optics of a material processing device two collinear beams with optionally different beam diameter or different divergence or both, depending on the application, characterized in that by means of the focusing optics (14) the two beams (12,13) or (19,20) are focused into the processing volume (16) so that, due to their different spatial propagation characteristics, both toilets have either different focus diameters or different focal positions or both and the entire material processing process consists of a series of fast-running single duty cycles individual working cycle is realized in that in the first step maximum power is supplied to one of the two partial beams, in general, this will be the partial beam whose Fokussierparame correspond to optimal starting conditions; in the second step, a fast switching of the laser power in the second partial beam in times τ, which are adapted to the dynamics of the interaction volume in the material, preferably in the time range 10 ~ 3 s StSIO -1 S, and in the third step by downshifting the laser power in the first part of the beam focusing parameters in times that are brought back to the original state analogous to the second step, which may also be much shorter. Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings
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