DE4007947C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bearbei­ ten von Werkstücken mit Laserstrahlung, bei dem an der Bearbei­ tungsstelle des Werkstücks von Laserstrahlungsimpulsen ein nichtabschirmendes energieeinkoppelndes Plasma induziert wird, und bei dem die Bearbeitungsstelle während des Vorhandenseins von Plasma mit der Strahlung einer weiteren Energiequelle zusätzlich beaufschlagt wird.

Ein Verfahren mit den vorgenannten Verfahrensschritten ist aus der GB 21 75 737 A bekannt. Die Laserstrahlung wird von einem CO₂-Laser erzeugt und als weitere Energiequelle wird ein YAG-Laser eingesetzt. Beide Laser werden gleichzeitig eingesetzt, was das Ziel hat, die je nach Wellenlänge unterschiedliche Oberflächenreflexion im Sinne einer Verbesserung der Energieeinkopplung zu nutzen.

Aus der DE 38 20 848 A1 ist ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mit Laserstrahlung bekannt, bei dem Laserstrahlung einer einzigen Energiequelle mit unterschiedlichen Intensitäten angewendet wird. Das bekannte Verfahren wird so durchgeführt, daß die Intensität der Laserstrahlung bis zum Erreichen der zur laserstrahlungsinduzierten Plasmabildung erforderlichen, dem Grenzwert I_C entsprechenden Schwellintensität oder wenig darüber gesteigert wird, wobei die Plasmabildung an der Bearbeitungsstelle von einer Meßeinrichtung überwacht wird. Die letztlich erreichte bzw. eingestellte Intensität der Laserstrahlung wird für eine vorbestimmte Zeit beibehalten, wonach eine Abregelung der Intensität auf einen ein Plasmaerlöschen bewirkenden Wert erfolgt. Danach wird die Intensität der Laserstrahlung bis zum Beginn eines neuen Regelzyklus auf einem Wert gehalten, bei dem der Werkstückwerkstoff plasmabildungsfrei über Schmelztempera­ tur erwärmt bleibt. Mit diesem bekannten Verfahren wird er­ reicht, daß unter Überwachung auf Plasmabildung mit hohen In­ tensitäten der Laserstrahlung schnell gefügt werden kann, ohne daß die Gefahr besteht, dünne Werkstücke zu durchbohren. Bei diesem Verfahren ist es allerdings erforderlich, ein Plasmaer­ löschen in Kauf zu nehmen, um erst danach die Intensität der Laserstrahlung wieder so weit zu steigern, daß Plasmabildung stattfindet, so daß die bekanntlich besonders starke Energie­ einkopplung durch das Plasma ausgenutzt werden kann.

Aus der DE 34 24 825 A1 ist es bereits bekannt, Werkstücke mit Laserstrahlung zu bearbeiten, mit der an der Bearbeitungs­ stelle des Werkstücks ein nichtabschirmendes energieeinkoppeln­ des, laserstrahlungsinduziertes Plasma erzeugt wird, indem die Laserstrahlung mit einer Intensität I_C eingestrahlt wird, die zwischen einem unteren Grenzwert I_C, bei dem die Erzeugung eines Oberflächenplasmas beginnt, und einem oberen Grenzwert I_D liegt, bei dem eine laserstrahlungsinduzierte Detonationswelle erzeugt wird. Dieses bekannte Verfahren wird so durchgeführt, daß die Intensität I_L eines einzigen Lasers unter fortlaufender Überwachung der Plasmabildung an der Bearbeitungsstelle des Werkstücks geregelt wird. Bei einer Vielzahl von Anwendungen des Schneidens, Bohrens und Schweißens mit Laserstrahlung liegen die Grenzwerte I_C und I_D so sehr dicht beieinander und werden darüber hinaus durch Fluktuationen beeinflußt, die aus der Schmelzbadbewegung, der Wärmeleitung und evtl. einem Einfluß eines der Bearbeitungsstelle zugeleiteten Gases herrühren kön­ nen. Dabei kann es dazu kommen, daß die Regelmöglichkeiten nicht zu dem gewünschten Ergebnis führen. Auch kann die Rege­ lung sehr aufwendig werden, weil die Regelfrequenzen des Regel­ kreises den GHz-Bereich erreichen können.

Aus einer Demonstration, ICALEO′88, Okt. 30/Nov. 4, 1988, Santa Clara, California, ist es bekannt, ein Werkstück mit zwei Lasern unter Bildung von laserstrahlungsinduziertem Plasma zu bearbeiten, wobei die Laser voneinander unterschiedliche Wel­ lenlängen aufweisen. Diese Laser arbeiten jedoch nicht einander abwechselnd.

Aus der US 48 70 244 ist ein Verfahren zum Schneiden oder Bohren von Werkstücken mit zwei Lasern bekannt, bei dem das Werkstück mit der Strahlung eines Lasers zunächst angeschmolzen wird, wonach die Schmelze mittels einer Detonationswelle ausgeblasen wird, die von der Strahlung des zweiten Lasers induziert wird. Der Einsatz von Detonationswellen ist im Hinblick auf das Bearbeitungsergebnis jedoch nicht unproblematisch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß eine einander abwechselnde Bestrahlung der Bearbeitungsstelle des Werkstücks mit den Strahlungen zweier Energiequellen ausgenutzt wird, um die mit hohem Wirkungsgrad und hoher Qualität erfolgende Bear­ beitung durchführen zu können, ohne dabei den oberen Intensi­ täts-Grenzwert I_D zu überschreiten.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Laserstrahlungsimpulse für eine vorbestimmte Impulsdauer mit einer Intensität eingestrahlt werden, die zwischen einem unteren Grenzwert, bei dem die Erzeugung eines Oberflächenplasmas beginnt, und einem oberen, die Erzeugung einer laserstrahlungsinduzierten Detonationswelle markierenden Grenzwert liegt, daß der Beginn der Zusatzbestrahlung nach dem Beginn der Plasmaerzeugung erfolgt, daß die Zusatzstrahlung ein Vielfaches länger als die Impulsdauer und mit einer Intensität angewendet wird, die eine zusatzstrahlungsinduzierte Detonationswelle vermeidet, und daß ein neuer Bestrahlungszyklus vor der Rückbildung des energieeinkoppelnden Plasmas gestartet wird.

Für die Erfindung ist von Bedeutung, daß der Einsatz der plasmainduzierenden Laserbestrahlung und der Energiestrahlung einer weiteren Energiequelle als Zusatzbestrahlung abwechselnd erfolgt, indem der Beginn dieser Zusatzbestrahlung nach dem Be­ ginn der plasmainduzierenden Laserbestrahlung einsetzt. Es wird also so verfahren, daß mit dem Laser innerhalb der vorbestimm­ ten kurzen Zeit ein Plasma erzeugt wird, indem die Intensität I_L mit Sicherheit unterhalb des oberen Grenzwerts I_D liegt, so daß eine Detonationswelle vermieden wird. Erst nach dem Beginn der Plasmaerzeugung mit dem Laser wird die Zusatzbestrahlung angewendet, und zwar mit einer eine zusatzstrahlungsinduzierte Detonationswelle vermeidenden Intensität, wodurch das Verfahren mit einfachen Mitteln beherrschbar wird, also insbesondere ohne einen erheblichen regeltechnischen Aufwand durch Prozeßbeobach­ tung und dementsprechende Prozeßsteuerung, weil die Intensitä­ ten des Lasers und der Zusatzstrahlung unter Berücksichtigung ihres zeitlich aufeinander erfolgenden Einsatzes so gewählt werden können, daß Detonationswellenbildung zu vermeiden ist.

Die Verwendung des Lasers zur Erzeugung eines strahlungs­ induzierten Plasmas in Abwechslung mit einer weiteren Energie­ quelle hat zur Folge, daß als weitere Energiequelle jede Strah­ lungsquelle eingesetzt werden kann, deren Strahlung durch das von dem Laser erzeugte Plasma in hohem Maße absorbiert werden kann. Das ist beispielsweise die Strahlung von Elektronen­ strahl- oder Teilchenstrahlquellen, jedoch auch Hochfrequenz­ strahlung, die elektrische Entladung von Hochspannungsquellen oder eine Gasbrennerstrahlung. Die Einkopplung der Energie der Zusatzstrahlung erfolgt über einen Zeitraum, der ein Vielfaches größer ist, als die vorbestimmte kurze, der Plasmabildung die­ nende Zeit der Laserstrahlungsinduktion. Erst wenn diese Zeit der Zusatzbestrahlung etwa der Abklingzeitkonstanten des ener­ gieeinkoppelnden Plasmas entspricht, wird der Laser erneut ein­ geschaltet. Dabei ist davon auszugehen, daß die Zusatzstrahlung bei der Einkopplung ihrer Energie über das Plasma zur Plasma­ bildung beiträgt, so daß die Abklingzeitkonstante wesentlich größer ist, als diejenige Abklingzeitkonstante, die sich aus dem Abklingen des Plasmas nach Abschalten der plasmainduzieren­ den Laserstrahlung ohne Zusatzstrahlung ergäbe.

Durch das erneute Einschalten des Lasers zur Plasmainduk­ tion nach einer der Abklingzeitkonstanten τ_r entsprechenden Zeit wird die Repetitionsrate des Lasers so groß wie möglich gehal­ ten. Da das Plasma nach der der Abklingzeitkonstanten entspre­ chenden Zeit noch nicht vollständig erloschen ist, findet in­ nerhalb von τ_r eine Energieeinkopplung durch das Plasma statt. Auf diese Weise wird der Absorptionszustand über das Plasma quasi kontinuierlich aufrechterhalten. Diese ununterbrochene Energieeinkopplung über das Plasma steigert die Einkopplungs­ rate der Energie über die integrierte Bearbeitungszeit erheb­ lich, so daß der Wirkungsgrad der Bearbeitung entsprechend an­ steigt. Es wird also ein schnelles Bearbeiten des Werkstücks erreicht, verbunden mit einer großen Sicherheit gegen Detona­ tionswellenentstehung, so daß einerseits die Bearbeitungssi­ cherheit gesteigert wird, andererseits aber auch die Bearbei­ tungsqualität.

Vorteilhafterweise wird das Verfahren so durchgeführt, daß der Beginn der Zusatzbestrahlung zeitlich etwa mit dem Ende der durch den plasmainduzierenden Laser erfolgenden Plasmabildung zusammenfällt. Zunächst wird also die Plasmainduktion durchge­ führt, und im Anschluß daran erfolgt die Zusatzbestrahlung mit großer mittlerer Leistung.

Bei den meisten Anwendungsfällen wird das Verfahren so durchgeführt, daß die vorbestimmte kurze Zeit etwa im Bereich von 10 bis 100 ns und die Dauer der Zusatzbestrahlung im Bereich von Mikro- bis Millisekunden liegt.

Als weitere Energiequelle wird ein zusätzlicher Laser ver­ wendet, was den Vorteil hat, daß die Abstimmung des Einsatzes dieses Zusatzlasers in Abhängigkeit vom Einsatz des plasmaindu­ zierenden Lasers steuerungstechnisch besonders einfach zu ver­ wirklichen ist und baulich-räumliche Vorteile mit sich bringt.

Das Verfahren kann so durchgeführt werden, daß als plasma­ induzierender Laser ein Excimer-, Argon-, Stickstoff- oder Festkörperlaser und als die weitere Energiequelle ein CO₂-Laser verwendet wird. Diese plasmainduzieren­ den Laser sind aufgrund ihrer kürzeren Laserwellenlängen insbe­ sondere dafür geeignet, bei hoher Pulsleistung und Intensität Plasma zu zünden, während der Zusatzlaser aufgrund seiner größeren Wellenlänge und der damit verbundenen größeren Pulsdauer bzw. aufgrund eines kontinuierlichen Betriebs über eine längere Zeit, die der Abklingzeitkonstanten τ_r entspricht, Zusatzstrah­ lungsenergie mit großer mittlerer Leistung einstrahlt.

Die Plasmabildung erfolgt, weil Werkstoff des Werkstücks verdampft wird. Zur Verdampfung des Werkstoffs ist es also er­ forderlich, daß die Intensität der Laserstrahlung größer ist, als ein Grenzwert I_v, die sogenannte Verdampfungs-Schwellinten­ sität. Der abströmende Materialdampf tritt in Wechselwirkung mit der Laserstrahlung und es tritt eine Plasmabildung dann auf, wenn die Intensität der Laserstrahlung den Grenzwert I_C für die Erzeugung eines Oberflächenplasmas überschreitet. In der Regel ist der Grenzwert I_v kleiner, als der Grenzwert I_C bzw. als der noch höher liegende Grenzwert I_D. Die vorgenannten Grenzwerte sind jedoch von dem Werkstoff und von der Geometrie der bearbeiteten Werkstücke abhängig. Es kann beispielsweise sein, daß I_v größer als I_D ist. Das ergibt sich beispielsweise bei der Bearbeitung von Aluminium, insbesondere wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit dieses Werkstoffs. In einem derartigen Fall erfolgt beim Verdampfen von Werkstoff unmittelbar die Ausbil­ dung einer Detonationswelle, durch die Werkstoffdampf und -schmelze in chaotischer Weise aus der Bearbeitungszone ausge­ trieben werden, so daß die Bearbeitung unterbrochen ist und die Qualität und der Wirkungsgrad sehr schlecht sind. Es ist aber auch gefunden worden, daß die Grenzwerte I_C und I_D von der Wel­ lenlänge der verwendeten Strahlung abhängen. Das Verfahren wird daher so durchgeführt, daß beim Bearbeiten eines Werkstücks, bei dem die Werkstoffverdampfungs-Schwellintensität I_v in einem Teilbereich eines Wellenlängenspektrums größer als der die laserstrahlungsinduzierte Detonationswelle betreffende Grenzwert I_D ist, ein plasmainduzierender Laser verwendet wird, dessen Wellenlänge außerhalb des Teilbereichs liegt. Damit wird erreicht, daß eine Zündung des Plasmas ohne die Gefahr einer sofortigen Detonationswellenbildung erfolgt. Dieses Verfahren ist insbesondere in Verbindung mit dem abwechselnden Bearbeiten des Werkstücks durch einen plasmainduzierenden Laser und eine weitere Energiequelle von Vorteil, weil dadurch auch kritische Werkstücke bzw. Werkstücke aus kritischen Werkstoffen und mit kritischer Geometrie bei hohem Wirkungsgrad mit guter Qualität bearbeitet werden können, ohne dabei den Grenzwert I_D zu überschreiten.

In Weiterbildung des vorgenannten Verfahrens wird ein Zu­ satzlaser verwendet, dessen Wellenlänge in dem Teilbereich des Wellenlängenspektrums liegt. Es ergibt sich also ein besonders vorteilhaftes Verfahren mittels zweier Laser für Werkstücke der vorbeschriebenen kritischen Konstellation.

Die vorbeschriebenen Verfahren können durchgeführt werden, indem sie vor einem kontinuierlichen Bearbeitungseinsatz hin­ sichtlich ihrer kritischen Größen experimentell eingestellt werden. D. h. die Intensität I_L des Lasers und die Intensität der Energiestrahlung der weiteren Energiequelle werden experimentell bestimmt, ebenso wie die zeitliche Abwechslung der beiden Energiequellen, also die vorbestimmte kurze Zeit des plasmainduzierenden Lasers, die Abklingzeitkonstante τ_r bzw. die Dauer der Zusatzbestrahlung und der Beginn der jeweiligen Bestrahlung. Es kann aber auch vorteilhaft sein, das Verfahren so durchzuführen, daß das Abklingen des Plasmas meßtechnisch ermitteltt wird. Damit wird sichergestellt, daß das Plasma nicht infolge von nicht vorhersehbaren Einflüssen auf den Bearbeitungsprozeß zum Erlöschen kommt, beispielsweise infolge von Toleranzen der Werkstückgeometrie oder der Werkstoffzusammensetzung.

Bei der Verwendung zweier Laser zur Werkstückbearbeitung ist es vorteilhaft, wenn das Plasma der Bearbeitungsstelle des Werkstücks durch die Bearbeitungsoptiken zweier Laser meßtech­ nisch überwacht wird. Dabei wird zeitlich lückenlos überwacht, ob an der Bearbeitungsstelle Plasma vorhanden ist, weil entwe­ der der eine oder der andere Laser in Betrieb ist. Die Überwa­ chung erfolgt zugleich mit einfachen Mitteln, weil die Bearbei­ tungsoptiken der Laser für die meßtechnische Überwachung heran­ gezogen werden.

Als Meßgröße zur Überwachung des Plasmas wird dessen Leuchtstärke verwendet. Dabei kommen insbesondere übliche, auf die Leuchtstärke reagierende Dioden zum Einsatz, mit deren Hil­ fe unter Einsatz üblicher Prozeßrechner leicht festgestellt werden kann, ob die Leuchtstärke des Plasmas beispielsweise um den e-ten Teil abgesunken ist. Die Zeit, die vom Zuschalten der weiteren Energiequelle bis zu diesem Zeitpunkt verstrichen ist, entspricht der Abklingzeitkonstanten τ_r, so daß danach die Zu­ schaltung des plasmainduzierenden Lasers veranlaßt werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Laseransteuerung bzw. die Abhängigkeit der Laserintensität von der Zeit,

Fig. 2 die Abhängigkeit der Elektronendichte n_e von der Zeit, und

Fig. 3 die Abhängigkeit der Reflexion bzw. der Laserinten­ sität von der Wellenlänge.

Gemäß Fig. 1 wird zum Zeitpunkt t = 0 ein plasmaindu­ zierender Laser 1 angesteuert, und strahlt mit der Intensität I_L1 für eine Zeit von τ₁ = 100 ns bis zum Zeitpunkt t₁. Infolge­ dessen wird auf der Bearbeitungsstelle des Werkstücks Werkstoff verdampft und ein Plasma ausgebildet, dessen Elektronendichte n_e in der Zeit τ₁ von 0 bis t₁ bis auf einen oberen Grenzwert n_emax < f(I_{D λ 1}) ansteigt. Der Zeitpunkt t₁ wird z. B. experimentell er­ mittelt und dementsprechend wird der Laser 1 von einer Steuer­ einrichtung beaufschlagt. Es ist aber auch möglich, diesen Zeitpunkt z. B. anhand der Leuchtstärke des Plasmas meßtechnisch zu überwachen und bei Erreichen von n_emax den Laser 1 abzuschal­ ten. In diesem Augenblick oder bedarfsweise auch vorher, aber nach dem Einschalten des Lasers 1, wird als weitere Energie­ quelle ein Laser 2 zugeschaltet, der mit der Intensität I_L2 ein­ strahlt. Die Einstrahlungsdauer τ_r von t₁ bis t₂ beträgt etwa 100 µs, ist also um das Tausendfache größer, als die Zeitspanne τ₁. Daher ist ersichtlich, daß während der Zeitspanne τ₁ trotz hoher Pulsleistung und Intensität wegen der Kürze der Zeitspan­ ne verhältnismäßig wenig Energie ins Werkstück eingekoppelt wird. Während der Zeitspanne τ_r erfolgt trotz geringerer Inten­ sität der Laserstrahlung eine große Energiezufuhr infolge kon­ tinuierlicher oder mit großer Pulsdauer eingestrahlter Laser­ strahlung. Der Prozeß ist jedoch instabil, da die Energieein­ strahlung der zusätzlichen Energiequelle bzw. des Zusatzlasers, also des Lasers 2, mit einer Intensität erfolgt, die eine zu­ satzstrahlungsinduzierte Detonationswelle vermeidet und in der Regel kleiner als I_C ist, damit die Zusatzstrahlung nicht selbst Plasma induziert und dabei die Gefahr besteht, daß der Grenz­ wert I_D infolge von z. B. schutzgasbeeinflußten Fluktuationen überschritten wird.

Wird der Laser 1 zum Zeitpunkt t₁ abgeschaltet, so sinkt die Elektronendichte n_e vom Wert n_emax gemäß einer e-Funktion gestrichelt gegen 0. Die Abklingzeitkonstante eines solchen Prozesses wäre τ₀, also diejenige Zeit, in der die Elektronen­ dichte von n_emax auf 1/e×n_emax abgesunken ist. Durch die Strah­ lung des Zusatzlasers wird jedoch das Abklingen des vom Lasers 1 induzierten Plasmas verlangsamt. Die Elektronendichte n_e sinkt gemäß Fig. 2 entsprechend einer e-Funktion und wie mit ausgezo­ genem Strich dargestellt ab, und zwar mit einer Abklingzeitkon­ stanten τ_r = f(1/e×n_emax), die die Zeitspanne von t₁ bis t₂ für das Einschalten des Lasers 2 bestimmt. Zum Zeitpunkt t₂ wird der Laser 1 wieder eingeschaltet und strahlt für die Zeitspanne ≈ τ₁ = t₂ bis t₃ auf die Bearbeitungsstelle ein, und zwar gemäß Fig. 1 mit einer Intensität I_L1 die größer ist, als I_C und kleiner als I_D. Damit wird ein neuer Bearbeitungszyklus der Bestrahlung des Werkstücks mit den Lasern 1 und 2 begonnen. Aus Fig. 2 ist er­ sichtlich, daß der Laser 1 auch etwas früher oder etwas später eingeschaltet werden kann, als es der Abklingzeitkonstanten τ_r entspricht. Von Bedeutung ist, daß das Plasma nicht erlischt, die Elektronendichte n_e also nicht unter einen Wert n_emin sinkt.

In Fig. 3 ist die Abhängigkeit der Reflexion und der Inten­ sitätsgrenzwerte der Laserstrahlung bzw. der Energiestrahlung von der Wellenlänge für ein bestimmtes Werkstück am Beispiel von Silber dargestellt. Die Reflexion liegt bei Wellenlängen von etwa 0,1 bis 0,3 µm im Bereich von 0,2 und steigt dann sprungartig im Bereich von 0,3 bis 0,5 µm auf größer 0,9. Dem­ entsprechend verläuft auch der Grenzwert I_v, der der Reflexion etwa proportional ist. Insbesondere zeigt sich, daß der Grenz­ wert I_v, also diejenige Strahlungsintensität, bei der Werkstoff­ verdampfung beginnt, mit zunehmenden Wellenlängen der Strah­ lung, also beispielsweise des von einem Laser eingestrahlten Lichts, in geringem Maße zunimmt. Außerdem ist ersichtlich, daß der Grenzwert I_D bei größeren Wellenlängen der verwendeten Ener­ giestrahlung abnimmt. Diese Abhängigkeit des Grenzwerts I_D ist damit zu erklären, daß die Energieabsorption im hier relevanten Intensitäts- und Temperaturbereich infolge der inversen Brems­ strahlung proportional mit dem Quadrat der Laserwellenlänge skaliert. Die Abnahme ist so stark, daß der Grenzwert I_v in ei­ nem Teilbereich B2 des hier betrachteten Wellenlängenspektrums oberhalb des Grenzwerts I_D liegt. Das bedeutet, daß bereits bei geringen Strahlungsintensitäten einer Strahlung mit einer Wel­ lenlänge des Teilbereichs B2 sofort eine Detonationswelle auf­ tritt, wenn eine Materialverdampfung stattfindet. Infolgedessen wird das Werkstück erfindungsgemäß derart bearbeitet, daß als plasmainduzierender Laser 1 ein solcher verwendet wird, dessen Wellenlänge λ₁ = 308 nm außerhalb des vorgenannten Teilbereichs B2 liegt, wobei die Intensität I_L1 < als I_{D g 1} ist. Der Laser 1 ist beispielsweise ein XeCl-Excimer-Laser. Der Laser 2 kann dann bei einer Wellenlänge λ₂ = 10,6 µm des Teilbereichs B2 be­ trieben werden, jedoch mit einer Intensität I_L2, die jedenfalls kleiner ist, als I_{D λ 2}. Der Laser 2 ist also beispielsweise ein CO₂-Laser.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere für das Bearbeiten von Aluminium, Bunt- und Edelmetallen eingesetzt, die mit den konventionellen Verfahren nur unzureichend bearbei­ tet werden können. Es ist jedoch auch möglich, das erfindungs­ gemäße Verfahren bei Stahl einzusetzen, um dort mit einfachen Mitteln besonders risikofrei, aber doch mit besonderer Bearbei­ tungsqualität arbeiten zu können.

Als Bearbeitungsverfahren kommen insbesondere das Schnei­ den und das Schweißen in Betracht.

Beim Schneiden wird mit dem plasmainduzierenden Laser in der Schnittfuge das Plasma gezündet und trägt so verstärkt zum Austrieb der Werkstoffschmelze über den induzierten Druck bei. Die Zusatz-Energiequelle bzw. der Zusatzlaser führt über eine verhältnismäßig längere Zeit Energie nach, die über das Plasma eingekoppelt wird, so daß hinreichend dicke Schmelzezonen ent­ stehen. Diese Schmelze wird durch kontinuierlich zugeschalteten Schneidgasstrom unter Verstärkung der Wirkung des Plasmas aus der Schnittfuge ausgetrieben.

Beim Schweißen mit Laserstrahlung ist die Dampfkapillare ein wesentliches Element. In der Dampfkapillaren stehen die Oberflächenspannung der Schmelze und der Dampfdruck des Plasmas so in Gleichgewicht, daß ein Tiefschweißeffekt auftritt. Dieses Gleichgewicht wird durch das erfindungsgemäße Verfahren positiv beeinflußt, so daß die Anwendung spezieller Schweißschutzgase zur Beeinflussung der Absorptionseigenschaften des Plasmas ver­ ringert bzw. vollständig vermieden werden können.

Claims (10)

1. Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mit Laserstrah­ lung, bei dem an der Bearbeitungsstelle des Werkstücks von Laserstrahlungsimpulsen ein nichtabschirmendes energieeinkoppelndes Plasma induziert wird, und bei dem die Bearbeitungsstelle während des Vorhandenseins von Plasma mit der Strahlung einer weiteren Energiequelle zusätzlich beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß die Laserstrahlungsimpulse für eine vorbestimmte Impulsdauer (τ₁) mit einer Intensität (I_L) eingestrahlt werden, die zwischen einem unteren Grenzwert (I_C), bei dem die Erzeugung eines Oberflächenplasmas beginnt, und einem oberen, die Erzeugung einer laserstrahlungsinduzierten Detonationswelle markierenden Grenzwert (I_D) liegt,
• b) daß der Beginn (t₁) der Zusatzbestrahlung nach dem Beginn der Plasmaerzeugung erfolgt,
• c) daß die Zusatzstrahlung ein Vielfaches länger als die Impulsdauer (τ₁) und mit einer Intensität (I_L2) angewendet wird, die eine zusatzstrahlungsinduzierte Detonationswelle vermeidet, und
• d) daß ein neuer Bestrahlungszyklus vor der Rückbildung des energieeinkoppelnden Plasmas gestartet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beginn (t₁) der Zusatzbestrahlung zeitlich etwa mit dem Ende der durch den plasmainduzierenden Laser erfolgenden Plasmabildung zusammenfällt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsdauer (τ₁) etwa im Bereich von 10 bis 100 ns und die Dauer der Zusatzbestrahlung (τ_r) im Bereich von Mikro- bis Millisekunden liegt

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als weitere Energiequelle ein zusätzlicher Laser verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als plasmainduzierender Laser ein Excimer-, Argon-, Stickstoff- oder Festkörperlaser und als die weitere Energiequelle ein CO₂-Laser verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß beim Bearbeiten eines Werkstücks, bei dem die Werkstoffverdampfungs-Schwellintensität (I_v) in einem Teilbereich (B2) eines Wellenlängenspektrums größer als der die laserstrahlungsinduzierte Detonationswelle betreffende Grenzwert (I_D) ist, ein plasmainduzierender Laser verwendet wird, dessen Wellenlänge (λ₁) außerhalb des Teilbereichs (B2) liegt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zusatzlaser verwendet wird, dessen Wellenlänge (λ₂) in dem Teilbereich (B2) des Wellenlängenspektrums liegt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Abklingen des Plasmas meßtechnisch ermittelt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma der Bearbeitungsstelle des Werkstücks durch die Bearbeitungsoptiken zweier Laser meßtechnisch überwacht wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßgröße zur Überwachung des Plasmas dessen Leuchtstärke verwendet wird.