DE4200656C1 - Removal of material by laser beam - by directing beam opt. at angle to workpiece and passing reactive substance, esp. oxygen, into laser unit head - Google Patents

Abstract

In the removal of material by laser beam, the beam (7) is directed perpendicularly or at an angle on to the workpiece surface (22) and a reactive substance, pref. O2, is passed in metered quantities into the laser unit head and reacts at the point of focus of the beam on the workpiece. The beam is moved along closely adjacent lines until the required material is removed. ADVANTAGE - Clean surface with uniform depth of removal.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtragen mittels Laserstrahls, bei dem der leistungsgesteuerte Laserstrahl etwa senkrecht auf die abzutragende Werkstückoberfläche auftrifft, ein gasförmiges Reaktionsmittel auf den sich bildenden schmelzflüssigen Auftreffbereich (Brennfleck) geleitet wird und der Laserstrahl zusammen mit dem Reaktionsmittel-Strom in dicht nebeneinanderlie­ genden Bahnen über den abzutragenden Bereich des Werk­ stücks geführt wird, wobei der linienförmige Materialab­ trag etagenweise bis zum Erreichen der vorgegebenen Ab­ tragstiefe wiederholt wird.The invention relates to a method for removal by means Laser beam, in which the power-controlled laser beam approximately perpendicular to the workpiece surface to be removed strikes, a gaseous reactant on the molten impact area that forms (Focal spot) is directed and the laser beam together with the reactant stream in close proximity  tracks over the area of the plant to be removed piece is guided, the linear material from on each floor until the specified Ab is reached depth is repeated.

Bei bekannten Laserstrahl-Abtragsverfahren, z. B. gemäß DE-PS 39 23 356, DE-OS 38 01 068, JP-A-59-47 068, wird der etwa senkrecht auf die abzutragende Werkstückfläche auf­ treffende Laserstrahl in dicht nebeneinanderliegenden und sich seitlich überlappenden Bahnen geführt, um das im mit­ wandernden Brennfleck verdampfte und verflüssigte Material abzutragen. Durch die seitliche Überlappung der aufeinan­ derfolgenden Abtragsbahnen ergibt sich ein insgesamt flä­ chiger Abtrag in dem zu bearbeitenden Werkstückbereich. Dieser linienförmige bzw. flächige Materialabtrag wird etagenweise wiederholt, bis die vorbestimmte Abtragstiefe beispielsweise eines herzustellenden Hohlraums erreicht ist. Zur Steigerung der Abtragsmenge wird auf den vom vor­ zugsweise gepulsten Laserstrahl erzeugten Brennfleck ein in der Regel gasförmiges Reaktionsmittel, meist techni­ scher Sauerstoff, in einem scharf gebündelten Strahl ge­ leitet, das mit dem Werkstoff im Brennfleck exotherm reagiert und damit die Wärmeentwicklung im Brennfleck wesentlich steigert. Eine weitere Funktion des scharfen Reaktionsmittelstrahls besteht in einer möglichst inten­ siven und vollständigen Abführung des schmelzflüssigen und dampfförmigen Materials aus dem Brennfleck, damit dieses Material sich nicht hinter den weiterwandernden Brennfleck absetzen und wieder verfestigen kann. Um insbesondere die­ se Abtragsfunktion voll erfüllen zu können, wird das Reak­ tionsgas in einem scharf gebündelten Strahl im Überschuß geleitet, so daß eine möglichst große kinetische Energie für den Ausblaseffekt zur Verfügung steht. Ferner wurde es bei diesem herkömmlichen Laser-Abtragsverfahren als uner­ läßlich angesehen, daß durch den scharf auftreffenden Gas­ strahl innerhalb des fließfähigen Brennfleckmaterials Fließbewegungen erzeugt und eine möglichst schockartige Abkühlung der Dampf- und Flüssigphase erzielt werden, da­ mit das schmelzflüssige Material in feinsten bereits ver­ festigten Partikeln herausgeblasen werden kann. Das auf diese Weise abgetragene Material lagert sich als staubför­ miger Niederschlag auf den Werkstückoberflächen, insbeson­ dere auf den bereits abgearbeiteten Oberflächen sowie auf allen im Arbeitsbereich befindlichen Bauteilen, ab. Der auf den abgetragenen Werkstückoberflächen abgesetzte meist schwarze Niederschlag verändert die optischen Parameter des Werkstückes und muß bei dem folgenden Abtragszyklus wieder aufgeschmolzen werden, wodurch sich die Abtragslei­ stung vermindert. Der auf den weiteren Maschinenteilen ab­ gelagerte Niederschlag kann die Funktionsfähigkeit dieser Bauelemente beeinträchtigen, z. B. die Lebensdauer der Präzisionsteile, Lager od. dgl., verkürzen und auch die optischen Systeme verdunkeln.In known laser beam ablation processes, e.g. B. according DE-PS 39 23 356, DE-OS 38 01 068, JP-A-59-47 068, the approximately perpendicular to the workpiece surface to be removed hitting laser beam in close to each other and overlapping webs to the side migrating focal point evaporated and liquefied material to ablate. Due to the side overlap of each other The following removal paths result in a total area removal in the workpiece area to be machined. This linear or flat material removal is repeated in stages until the predetermined depth of cut reached for example a cavity to be produced is. To increase the amount of material removed, use the from preferably pulsed laser beam generated focal spot usually gaseous reactant, mostly techni shear oxygen, in a sharply focused beam conducts that exothermic with the material in the focal spot reacts and thus the heat development in the focal spot significantly increases. Another function of the sharp Reagent agent jet consists of one that is as inert as possible sive and complete discharge of the molten and vaporous material from the focal spot so this Material does not get behind the focal spot can settle and solidify again. To especially the The Reak will be able to fully fulfill this removal function tion gas in a sharply focused jet in excess passed so that the greatest possible kinetic energy  is available for the blow-out effect. Furthermore it became in this conventional laser ablation process as unimportant considered casual that by the sharp impinging gas jet within the flowable focal spot material Flow movements generated and a shock-like as possible Cooling of the vapor and liquid phase can be achieved because with the molten material in the finest ver solidified particles can be blown out. That on material removed in this way is stored as dust moderate precipitation on the workpiece surfaces, in particular on the already finished surfaces as well all components in the work area. The mostly deposited on the removed workpiece surfaces black precipitation changes the optical parameters of the workpiece and must in the following ablation cycle be melted again, which increases the reduced. The on the other machine parts stored precipitation can affect the functionality of this Impair components, e.g. B. the lifespan of Precision parts, bearings or the like, shorten and also the darken optical systems.

Aus der DE-A-40 25 577 ist ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur Steuerung der Laserleistung in Abhängigkeit vom Abstand der Werkstückoberfläche bekannt, bei welcher ein Laser-Meß-Strahl auf die Werkstückoberfläche fokussiert und aus dem von der Meßstelle reflektierten Licht die Brennpunktabweichung des Laserstrahls von der Werkstück­ oberfläche gemessen wird, um die Intensität des gesonder­ ten Arbeits-Laser-Strahls entsprechend dem erfaßten Ab­ stand zu steuern. Auch durch eine derartige Steuerung der Laserleistung können die vorstehend angeführten Nachteile des herkömmlichen Laser-Abtragsverfahrens nicht beseitigt werden.DE-A-40 25 577 describes a method and a device device for controlling the laser power depending on Distance of the workpiece surface is known, at which a Laser measuring beam focused on the workpiece surface and from the light reflected by the measuring point Focal point deviation of the laser beam from the workpiece surface is measured to determine the intensity of the particular th working laser beam corresponding to the detected Ab stood to control. Also by controlling the Laser power can have the disadvantages mentioned above  of the conventional laser ablation process is not eliminated will.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Laser-Abtragsverfahren für unterschiedliche Materialien aufzuzeigen, bei dem die unerwünschten Niederschläge des aus dem Brennfleck ausge­ tragenen Materials vermieden und blanke Abtragsflächen bei gleichmäßiger Abtragstiefe erhalten werden.The object of the invention is a laser ablation process for different materials, where the unwanted precipitation of the focal point worn material avoided and bare removal surfaces uniform cutting depth can be obtained.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das gasförmige Reaktionsmittel mit gegenüber der herkömmlichen Vorgehensweise wesentlich geringerer Strö­ mungsenergie und mit einer an die im Brennfleck ablaufen­ den Reaktionen angepaßten Menge auf den Brennfleck derart geführt wird, daß sie das im - weiterwandernden - Brenn­ fleck gebildete Reaktionsmaterial zu einem bogenförmig ge­ formten Span verfestigt.This object is achieved in that the gaseous reactants with opposite conventional approach much lower currents energy and with one to run off in the focal spot the amount adapted to the reactions to the focal spot in such a way is led that they in the - moving on - Brenn Stain-formed reaction material to form an arc shaped chip solidified.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, ein in seiner chemischen Zusammensetzung auf das Material des Werkstücks abgestimmtes Reaktionsgas in gezielter Dosierung und mit relativ geringer kinetischer Energie auf den heißen Brenn­ fleck zu leiten, damit im Brennfleckmaterial die erwünsch­ ten Reaktionen zwischen dem Gas und dem Werkstückmaterial ablaufen, ohne daß jedoch das Material in der bisher übli­ chen Weise vom Hilfsgas schockartig gekühlt und ausgebla­ sen wird. Obwohl bisher die im Material des Schmelzflecks ablaufenden komplexen physikalischen, chemischen und thermodynamischen Reaktionen bei der erfindungsgemäßen Spanbildung noch nicht vollständig geklärt werden konnten, kann doch als gesichert gelten, daß durch die dosierte Zu­ führung des Reaktionsgases mit wesentlich verringerter kinetischer Energie auf das schmelzflüssige Brennfleckma­ terial die exothermen Reaktionen mit insgesamt vermin­ derter Intensität ablaufen und sich eher auf die Ober­ flächenschichten des Brennfleckmaterials beschränken. Ein weiterer wesentlicher Faktor beim erfindungsgemäßen Vorge­ hen wird in der besonderen Kühlwirkung des Brennfleckmate­ rials durch das eher diffuse, also großflächig auftreffen­ de, Reaktionsmittel gesehen. Dadurch findet praktisch keine Verwirbelung des schmelzflüssigen Brennfleckmate­ rials statt, sondern die Kühlung und damit die Verfesti­ gung des Material beginnt in den Oberflächenschichten und bewirkt, daß sich die bereits frühzeitig erstarrten Ober­ flächenschichten bei der in die Tiefe weitergehenden Ab­ kühlung zusammenziehen. Dabei wird das in Vorschubrichtung hintere Ende dieser Materialschichten angehoben, wobei eine Trennlinie im Bodenbereich des noch schmelzflüssigen Brennfleckmaterials entsteht und sich der so gebildete "Span" fortlaufend bogenförmig vom Grund des Brennflecks abhebt.The invention is based on the knowledge, one in its chemical composition on the material of the workpiece coordinated reaction gas in targeted dosing and with relatively low kinetic energy on the hot burner to guide the stain so that the desired in the focal spot material reactions between the gas and the workpiece material run without, however, the material in the previously usual Chen way of the auxiliary gas cooled and blown out will. Although so far in the material of the melting spot expiring complex physical, chemical and thermodynamic reactions in the invention Chip formation could not be fully clarified, can still be considered certain that through the dosed Zu leadership of the reaction gas with significantly reduced  kinetic energy on the molten focal spot the exothermic reactions with a total of min more intense and focus more on the upper restrict surface layers of the focal spot material. A another essential factor in the pre-invention hen is in the special cooling effect of the Brennfleckmate rials due to the more diffuse, i.e. large-area impact de, reactant seen. This makes it practical no swirling of the molten focal spot rials instead, but the cooling and thus the hardening material begins in the surface layers and causes the waiters who have frozen early surface layers for the deepening Ab contract cooling. This will be in the feed direction rear end of these layers of material being raised, with a dividing line in the bottom area of the still molten Focal spot material arises and the so formed "Span" continuously arched from the bottom of the focal spot takes off.

Gegenüber den bekannten Laser-Abtragsverfahren ergeben sich bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mehrere für die praktische Verfahrensführung wesentliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Da das Brenn­ fleckmaterial nicht mehr unkontrollierbar als feinstkörni­ ge Partikel aus dem Brennfleck ausgetrieben wird, sondern in Form von verfestigten Spänen mit wählbaren Abmessungen anfällt, werden Verschmutzungen der bereits abgearbeiteten Werkstückfläche und der im Arbeitsbereich befindlichen Maschinenteile verhindert. Beispielsweise entfällt wei­ testgehend die bisher unvermeidbare Verdunkelung von Sichtfenstern und ggf. optischen Sensoren sowie die ver­ schleißende Wirkung des Niederschlags auf die mechanisch empfindlichen Bauteile. Ein bezüglich der Arbeitsqualität bedeutsamer Vorteil liegt in der auf die Spanbildung zu­ rückzuführenden gleichbleibenden Abtragstiefe, die bessere Oberflächen ohne die bisher mitunter auftretenden Ein­ brennlöcher ergibt. Ein insbesondere betriebstechnisch bedeutsamer Vorzug des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in dem Umstand, daß die bisher zur Erzeugung eines scharf gebündelten Gasstrahls stets erforderliche Düse entfallen kann. Zur bestmöglichen Ausnutzung der Gasstrahlenergie mußte nämlich die Düse mit ihrer Ausblasöffnung möglichst nahe am Auftreffpunkt des Laserstrahls positioniert wer­ den, was die Anordnung von Zusatzelementen, z. B. von Sen­ soren, in der Nähe des Brennflecks behinderte. Durch die erfindungsgemäß dosierte Gaszufuhr in einer beruhigten Strömung kann zwischen der Werkstückfläche und dem Aus­ trittsende des Laserkopfes ein größerer Abstand von z. B. einigen Zentimetern eingehalten werden, so daß die Zusatz­ elemente besser positioniert werden können. Dieser ver­ größerte Abstand zwischen dem Laserkopf und der Werkstück­ oberfläche ermöglicht darüber hinaus die Herstellung von tieferen Hohlräumen im Werkstück, da keine Kollisionen bei der Z-Achsen-Zustellung der Düse mit dem Werkstück auftre­ ten.Compared to the known laser ablation processes yourself when using the method according to the invention several essential for the practical procedure Advantages over the state of the art. Because the focal stain material no longer uncontrollable than fine grain particles are expelled from the focal spot, but in the form of solidified chips with selectable dimensions accumulates, soiling of the already processed Workpiece surface and that in the work area Machine parts prevented. For example, white does not apply test the previously unavoidable darkening of Viewing windows and possibly optical sensors as well as the ver  abrasive effect of precipitation on the mechanical sensitive components. One regarding the quality of work a significant advantage lies in the chip formation traceable constant depth of cut, the better Surfaces without the previously occurring on burn holes results. A particularly operationally significant advantage of the method according to the invention in the fact that the hitherto to produce a sharp bundled gas jet, the nozzle required is always eliminated can. For the best possible use of gas jet energy namely had the nozzle with its blow-out opening as possible who is positioned close to the point of impact of the laser beam what the arrangement of additional elements such. B. from Sen handicapped near the focal spot. Through the According to the invention metered gas supply in a calm Flow can occur between the workpiece surface and the out kick end of the laser head a larger distance of z. B. a few centimeters are adhered to, so that the addition elements can be positioned better. This ver largest distance between the laser head and the workpiece surface also enables the production of deeper cavities in the workpiece, as there are no collisions the Z-axis infeed of the nozzle with the workpiece ten.

Zweckmäßige Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfin­ dung sind Gegenstand der Unteransprüche.Appropriate further training and refinements by Erfin are subject of the subclaims.

So hat sich insbesondere bei der Bearbeitung von Stahl- Werkstücken die Verwendung von technischem Sauerstoff oder von mit Sauerstoff angereicherter Luft als Reaktionsgas besonders bewährt. Je nach dem zu bearbeitenden Werkstück­ material können jedoch auch andere technische Gase, z. B. organische oder stickstoffhaltige Gase und/oder über­ hitzter Dampf, vorzügliche Abtragsergebnisse liefern. Auch hinsichtlich der Steuerung der für einen Abtragsvorgang wesentlichen Betriebsparameter, insbesondere der Laserlei­ stung, wirkt sich das erfindungsgemäße Verfahren positiv aus. Durch die in der erfindungsgemäßen Weise ablaufenden chemischen Reaktionen im Brennfleck zwischen dem Werkstoff und dem Oxidationsmedium bleibt die Kontur des Brennflecks auch bei Verwendung von gepulsten CO₂-Lasern während der Impulspausen erhalten, was sich günstig auf die Ergebnisse der Abstandsmessung zwischen der Werkstückoberfläche und dem Laserkopf bzw. auf die Fokussierung des Laserstrahls auswirkt. Demzufolge sollte gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Laserleistung und/oder die Vorschubgeschwindigkeit unter Berücksichtigung der strömungstechnischen Parameter der Reaktionsmittelzufuhr gesteuert werden. Durch eine derartige Abstimmung der verschiedenen Parameter kann darüber hinaus auch die Form und die Größe der erzeugten Späne verändert werden. In diesem Zusammenhang hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Leistung des gepulsten CO₂-Lasers bei konstanter Pulsfrequenz durch Modulation der Pulsamplituden und/oder der Pulslängen zu steuern, um eine möglichst konstante Ab­ tragstiefe und damit entsprechend glatte Oberflächen zu erhalten. Auch durch die Steuerung der Vorschubgeschwin­ digkeit kann die Bildung und die Form der Späne beeinflußt werden.The use of technical oxygen or oxygen-enriched air as the reaction gas has proven particularly useful in the machining of steel workpieces. Depending on the workpiece to be machined, other technical gases, e.g. B. organic or nitrogenous gases and / or over heated steam, deliver excellent removal results. The method according to the invention also has a positive effect on the control of the operating parameters essential for a removal process, in particular the laser line. Due to the chemical reactions taking place in the focal spot between the material and the oxidation medium in the manner according to the invention, the contour of the focal spot is retained even when using pulsed CO ₂ lasers during the pulse pauses, which has a favorable effect on the results of the distance measurement between the workpiece surface and the laser head or affects the focusing of the laser beam. Accordingly, according to a further development of the method according to the invention, the laser power and / or the feed rate should be controlled taking into account the flow parameters of the reactant supply. By coordinating the various parameters in this way, the shape and size of the chips produced can also be changed. In this context, it has proven to be expedient to control the power of the pulsed CO ₂ laser at a constant pulse frequency by modulating the pulse amplitudes and / or the pulse lengths in order to obtain a depth that is as constant as possible and thus correspondingly smooth surfaces. The formation and shape of the chips can also be influenced by controlling the feed speed.

Im folgenden wird die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der schematischen Zeichnung im einzelnen beschrieben.The following is the implementation of the invention Procedure based on the schematic drawing in detail described.

In dem auf einem ortsfesten Maschinenständer 1 befestigten Gehäuse 2 ist ein Führungsrohr 3 in Richtung des Doppel­ pfeils motorisch verschiebbar geführt, an dessen hinterem Ende ein Laseraggregat 4 montiert ist und dessen vorderes Ende im folgenden mit Laserkopf 5 bezeichnet wird. Im Füh­ rungsrohr ist eine Fokussieroptik 6 für den strichpunk­ tiert dargestellten Laserstrahl 7 angeordnet, welche den Laserstrahl 7 auf den Brennfleck 8 fokussiert. Am vorderen Ende des Laserkopfes 5 befindet sich ein Abstandssensor 9, der über eine elektrische Leitung 10 mit einer Steuerein­ heit 11 verbunden ist. In einer in den Laserkopf 5 ausmün­ denden Gasleitung 12 ist ein Dosierventil 13 eingeschal­ tet, dessen Stellglied von der Steuereinheit 11 betätigt wird. In der Steuereinheit 11 erzeugte Daten werden über eine Leitung 15 dem Laseraggregat 4 zur Steuerung der Laserenergie über Pulslängen- und/oder Pulsamplituden-Mo­ dulation zugeführt. Ferner ist auf einem vertikalen Werk­ stücktisch 16 ein Werkstück 17 in üblicher Weise aufge­ spannt, in das eine Ausnehmung 18 eingearbeitet werden soll.In the fastened on a stationary machine stand 1 housing 2, a guide tube arrow performed 3 displaceable by a motor in the direction of double, is mounted at its rear end, a laser unit 4 and is referred to the front end in the following with the laser head. 5 In the Füh approximately a focusing optics 6 for the dash-dotted laser beam 7 is arranged, which focuses the laser beam 7 on the focal spot 8 . At the front end of the laser head 5 there is a distance sensor 9 which is connected to a control unit 11 via an electrical line 10 . In a gas line 12 opening into the laser head 5 , a metering valve 13 is switched on, the actuator of which is actuated by the control unit 11 . Data generated in the control unit 11 are fed via a line 15 to the laser unit 4 for controlling the laser energy via pulse length and / or pulse amplitude modulation. Furthermore, on a vertical work piece table 16, a workpiece 17 is clamped in the usual manner, into which a recess 18 is to be incorporated.

Wie dargestellt, erzeugt der auf die Werkstückoberfläche auftreffende Laserstrahl 7 einen Brennfleck 8, in welchem das Material schmelzflüssig und ggf. auch dampfförmig vor­ liegt. Das über die Leitung 12 in dosierter Menge zuge­ führte Reaktionsgas, vorzugsweise technischer Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft, strömt mit nur ge­ ringfügig über dem Atmosphärendruck liegendem Druck aus der Öffnung an der Stirnseite des Laserkopfes mit relativ geringer Strömungsgeschwindigkeit aus und trifft in einem relativ breiten Strahl auf die den Brennfleck 8 enthalten­ de Werkstückoberfläche auf. Das Reaktionsgas ist hinsicht­ lich Durchsatzmenge und Strömungsenergie so dosiert, daß sich neben einem energetisch gewünschten exothermen Reak­ tionsablauf im Brennfleck 8 eine Kühlwirkung des heißen Brennfleckmaterials insbesondere in seinen oberen Berei­ chen ergibt, welche zu einer relativ frühzeitigen Verfe­ stigung dieser Oberflächenbereiche führt. Die kinetische Energie des Reaktionsgases und der sich im Brennfleck ent­ wickelnden Reaktionsprodukte wird auf einem relativ niedrigem Niveau gehalten, damit möglichst kein Material durch die gasförmigen Produkte aus dem Brennfleck ausge­ trieben wird. Als Resultat dieser Vorgehensweise bildet sich das allmählich erstarrende Brennfleckmaterial zu einem Span 20 aus, der sich hinter dem in Vorschubrichtung weiterwandernden Brennfleck 8 bogenförmig vom Werkstück 17 weg wölbt, wobei sich eine Trennfuge 21 zwischen der abge­ arbeiteten Oberfläche 22 des Werkstücks und der Unterseite 23 des Spans bildet.As shown, the laser beam 7 striking the workpiece surface produces a focal spot 8 in which the material is molten and possibly also in vapor form. The supplied via line 12 in a metered amount of reaction gas, preferably technical oxygen or oxygen-enriched air, flows from the opening at the end of the laser head at a relatively low flow rate with only slightly above atmospheric pressure and strikes in a relatively wide range Beam onto the workpiece surface containing the focal spot 8 . The reaction gas is dosed with regard to throughput and flow energy so that in addition to an energetically desired exothermic reaction sequence in focal spot 8, there is a cooling effect of the hot focal spot material, particularly in its upper regions, which leads to a relatively early compaction of these surface areas. The kinetic energy of the reaction gas and the reaction products developing in the focal spot is kept at a relatively low level, so that as far as possible no material is expelled from the focal spot by the gaseous products. As a result of this procedure, the gradually solidifying focal spot material forms into a chip 20 which bulges away from the workpiece 17 behind the focal spot 8 moving further in the feed direction, with a separating gap 21 between the surface 22 of the workpiece being machined and the underside 23 of the workpiece Spans forms.

Die Praxis hat gezeigt, daß die Dicke der gebildeten Späne und damit auch der fortschreitende Verlauf der Trennfuge 21 von den während des Bearbeitungsvorganges auftretenden Schwankungen der Betriebsparameter des Laserstrahls, z. B. der Taktfrequenz eines gepulsten CO₂-Lasers, praktisch nicht beeinflußt wird, was eine gleichbleibende Abtrags­ tiefe ohne die bei dem herkömmlichen Verfahren regelmäßig auftretenden Einbrennvertiefungen ergibt. Die Form und auch die Dicke der Späne können jedoch in weiten Grenzen beeinflußt werden durch gezielte Veränderung von Betriebs­ parametern, beispielsweise der relativen Vorschubgeschwin­ digkeit, der Laserleistung, der Gasdosierung und der Gas­ zusammensetzung. Durch die aufeinander abgestimmte Ein­ stellung dieser Betriebsparameter kann die Abtragsleistung einerseits und auch die Beschaffenheit bzw. die Rauhigkeit der bearbeiteten Werkstücksflächen optimiert werden. Als wesentlich bei der praktischen Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens hat sich die gegenüber dem her­ kömmlichen Vorgehen um ein Mehrfaches verringerte Menge an Reaktionsgas erwiesen, das mit praktisch vernachlässigba­ rer kinetischer Energie auf die Oberfläche des gesamten schmelzflüssigen Brennflecks auftrifft und mit dessen oberen Materialschichten exotherm reagiert, ohne daß je­ doch eine intensive Durchmischung des Materials und/oder ein Austreiben aus dem Schmelzfleck durch den Gasstrom er­ folgt. In praktischen Versuchen wurde bei Einsatz eines gepulsten CO₂-Lasers mit 100 W Leistung eine Abtragsrate von 10 bis 20 mm³/min in einem Stahlwerkstück erreicht, wobei der Durchsatz an technischem Sauerstoff als Reak­ tionsgas bei etwa 300 bis 600 l/min lag. Bei der bekannten Laser-Abtragung wurden üblicherweise 3000 l/min an tech­ nischem Sauerstoff benötigt, wobei zur Ausbildung der re­ lativ scharfen Gasstrahlen aufwendig gefertigte Düsen ein­ gesetzt werden mußten. Durch Einstellung der Prozeßparame­ ter konnte eine Rauhigkeit R_2-DIN von kleiner 10 µm der Bodenfläche erzielt werden, was um ein Mehrfaches günsti­ ger als die bisher erzielbaren Resultate ist. Da ferner das Schmelzfleckmaterial beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht sofort durch den Gasstrom ausgetrieben wird, sondern sich ein dauernder kontinuierlich wandernder Brennfleck ergibt, kann auch bei Verwendung von gepulsten Lasern eine genauere Prozeßsteuerung erfolgen, bei welcher ein physi­ kalischer Parameter des Brennflecks, z. B. die Wärmestrah­ lung des Brennfleckmaterials und/oder das emittierte Streulicht, als Grundlage verwendet werden. Zur Durchfüh­ rung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind gepulste ebenso wie kontinuierliche Laser geeignet. Neben den intensiv exotherm wirkenden sauerstoffhaltigen Reaktionsmitteln können auch andere Gase, insbesondere Stickstoffverbin­ dungen, allein oder in Kombination mit reaktiven Flüssig­ keiten bzw. Suspensionen, eingesetzt werden. Die gezielte Zufuhr von geringen Mengen an Reaktionsmittel in breitem langsamen Strom auf den Brennfleck hat sich nicht nur bei metallischen Werkstückmaterialien, wie z. B. Stahl, Kupfer, Titan und deren Legierungen, sondern auch bei Werkstücken aus Keramik und insbesondere Graphit, be­ züglich einer wesentlich verbesserten Oberflächenbe­ schaffenheit und eines gleichmäßigeren Materialabtrags besonders bewährt.Practice has shown that the thickness of the chips formed and thus also the progressive course of the parting line 21 from the fluctuations in the operating parameters of the laser beam occurring during the machining process, e.g. B. the clock frequency of a pulsed CO ₂ laser is practically not affected, which results in a constant removal depth without the burn-in wells that occur regularly in the conventional method. The shape and thickness of the chips can, however, be influenced within a wide range by deliberately changing operating parameters, for example the relative feed speed, the laser power, the gas metering and the gas composition. Through the coordinated setting of these operating parameters, the material removal rate on the one hand and also the nature or the roughness of the machined workpiece surfaces can be optimized. An essential factor in the practical implementation of the method according to the invention has been the fact that the amount of reaction gas which has been reduced several times compared to the conventional method has been found. without an intensive mixing of the material and / or an expulsion from the melting spot by the gas flow. In practical tests, a removal rate of 10 to 20 mm ³ / min was achieved in a steel workpiece when using a pulsed CO ₂ laser with 100 W power, the throughput of technical oxygen as the reaction gas being about 300 to 600 l / min. In the known laser ablation, 3000 l / min of tech nical oxygen were usually required, and elaborately manufactured nozzles had to be used to form the relatively sharp gas jets. By adjusting the process parameters, a roughness R _2-DIN of less than 10 µm of the floor area could be achieved, which is several times cheaper than the results that could previously be achieved. Furthermore, since the melting spot material in the method according to the invention is not immediately expelled by the gas stream, but rather a continuous, continuously moving focal spot results, a more precise process control can also take place when using pulsed lasers, in which a physical parameter of the focal spot, e.g. B. the heat radiation development of the focal spot material and / or the emitted scattered light can be used as a basis. Both pulsed and continuous lasers are suitable for carrying out the method according to the invention. In addition to the intensely exothermic oxygen-containing reactants, other gases, in particular nitrogen compounds, can be used alone or in combination with reactive liquids or suspensions. The targeted supply of small amounts of reactant in a wide slow stream to the focal spot has not only with metallic workpiece materials, such as. B. steel, copper, titanium and their alloys, but also with workpieces made of ceramic and in particular graphite, be particularly proven with respect to a substantially improved surface finish and a more uniform material removal.

Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nicht auf die dargestellte Vorrichtung beschränkt. So kann der Laserkopf beispielsweise auch mit vertikaler Achse ausgerichtet sein, wobei der Laserstrahl über geeignete Reflektoren ein- oder mehrmals umgelenkt wird. Darüber hinaus kann die Zufuhr des Reaktionsgases auch durch ge­ sonderte Zufuhrelemente erfolgen, die seitlich neben dem Laserkopf angeordnet sind und eine gezielte Mengenvertei­ lung des Gasstromes auf dem Brennfleck ermöglichen.The method according to the invention is carried out not limited to the device shown. So can the laser head, for example, also with a vertical axis be aligned, the laser beam using suitable Is deflected one or more times. About that In addition, the supply of the reaction gas can also by ge separate feed elements are made, which is next to the side Laser head are arranged and a targeted distribution of quantities allow the gas flow to develop on the focal spot.

Claims (7)

1. Verfahren zum Abtragen mittels Laserstrahls, bei dem

• - der leistungsgesteuerte Laserstrahl senkrecht oder schräg auf der abzutragenden Werkstückoberfläche auftrifft,
• - ein Reaktionsmittel auf den sich im Werkstück ausbil­ denden schmelzflüssigen Auftreffbereich geleitet wird und
• - der Laserstrahl in dicht nebeneinanderliegenden Bahnen über den abzutragenden Bereich des Werkstücks geführt wird,
• - wobei der linienförmige Materialabtrag etagenweise bis zum Erreichen der vorgegebenen Abtragstiefe wiederholt wird, dadurch gekennzeichnet,
• - daß das Reaktionsmittel mit geringer Strömungsgeschwin­ digkeit und mit einer an die im heißen Auftreffbereich des Laserstrahls (Brennfleck) ablaufenden Reaktionen angepaßten Durchsatzmenge auf den Brennfleck derart geleitet wird, daß sich das Reaktionsmaterial im Brennfleck zu einem sich bogenförmig vom Grund ablösen­ den Span verfestigt.

1. Method for ablation using a laser beam, in which

• the power-controlled laser beam strikes the workpiece surface to be removed vertically or obliquely,
• - A reactant is directed to the molten impact area forming in the workpiece and
• the laser beam is guided in closely adjacent paths over the area of the workpiece to be removed,
• the linear material removal being repeated in stages until the predetermined removal depth is reached, characterized in that
• - That the reaction medium with low flow rate and with a flow rate adapted to the running in the hot impact region of the laser beam (focal spot) reactions to the focal spot is such that the reaction material in the focal spot solidifies to form an arc from the bottom of the chip.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Reaktionsmittel ein reaktives Gas, vorzugsweise technischer Sauerstoff, verwendet wird.2. The method according to claim 1, characterized, that a reactive gas, preferably as the reactant technical oxygen is used. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserleistung und/oder die Vorschubgeschwindigkeit unter Berücksichtigung der Dosierung des Reaktionsmittels gesteuert wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized, that the laser power and / or the feed rate taking into account the dosage of the reactant is controlled. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung des gepulsten CO₂-Lasers bei konstanter Pulsfrequenz durch Amplitudenmodulation und/oder durch Pulslängenmodulation mit jeweils kurzzeitig vergrößerter Anfangsamplitude des jeweiligen Impulses gesteuert wird.4. The method according to claim 3, characterized in that the power of the pulsed CO ₂ laser is controlled at a constant pulse frequency by amplitude modulation and / or by pulse length modulation, each with a briefly increased initial amplitude of the respective pulse. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgas in einem breiten, den Brennfleck ab­ deckenden Strom und mit einem nur geringen Überdruck auf den Brennfleck geleitet wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized, that the reaction gas in a wide, the focal spot covering current and with only a slight overpressure the focal spot is directed. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgas durch gesonderte Zufuhrelemente in einer gezielten Verteilung auf den Brennfleck geleitet wird. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized, that the reaction gas by separate feed elements in directed distribution to the focal spot becomes.   7. Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Laser­ aggregat, einer Fokussieroptik für den Laserstrahl, einer Zufuhreinrichtung für mindestens ein Reaktionsgas und eine motorisch bewegbare Halterung für das zu bearbeitende Werkstück, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhreinrichtung für das Reaktionsgas eine breite Ausströmöffnung im Laserkopf und Dosiermittel (13) für den Gasstrom aufweist.7. Device for performing the method according to one of claims 1 to 6, with a laser unit, a focusing optics for the laser beam, a feed device for at least one reaction gas and a motor-movable holder for the workpiece to be machined, characterized in that the feed device for the reaction gas has a wide outflow opening in the laser head and dosing means ( 13 ) for the gas flow.