DE4234342C2 - Verfahren zur Materialbearbeitung mit Laserstrahlung - Google Patents

Verfahren zur Materialbearbeitung mit Laserstrahlung

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Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung mit Laserstrahlung, insbesondere zum Schweißen, Bohren, Schneiden, Wärmebehandeln, etc., wobei verschiedene Werkstoffe bearbeitet werden können.
Stand der Technik
Die im Stand der Technik offenbarten Vorrichtungen zur Materialbearbeitung mit Laserstrahlung verwenden fast ausschließlich CO2-, Excimer-, oder Nd:YAG-Laser, mit denen die erforderlichen Intensitäten von mehr als 103 W/cm2 ohne weiteres erreicht werden. Der prinzipielle Aufbau dieser Laser ist gleich. Er besteht im wesentlichen aus dem Lasermedium, dem Resonator, der Pumpquelle und der Kühlung. Das Anwendungsspektrum dieser Laser unterscheidet sich hinsichtlich der Leistungsdichte und der Wechselwirkungszeit mit dem Werkstück. Dieser Zusammenhang ist für metallische Werkstoffe für verschiedene spezifische Energien in Fig. 1 dargestellt.
Die Nachteile dieser bekannten Vorrichtungen sind zum einen der geringere Wirkungs­ grad (< 10%) und die auf durchschnittlich ca. 10.000 Stunden begrenzte Lebensdauer der Lasersysteme sowie zum anderen die hohe thermische und mechanische Empfindlich­ keit der Laser und die damit verbundene arbeits- und kostenintensive Wartung dieser Lasersysteme. Darüber hinaus haben die bekannten Lasersysteme einen hohen Bedarf an Kühlleistung, Netzteilleistung, u. ä. sowie an Raum zum Aufbau der Systeme.
Eine Alternative hierzu bilden Diodenlaser, die seit langem als Strahlquelle für die Infor­ mationstechnik mit einigen Milliwatt mittlerer Leistung eingesetzt werden. Führt man eine entsprechende Kühlung und eine Zusammenfassung mehrerer Einzelemitter zu einem Laserbarren ein, lassen sich mit diesen sehr kompakten Strahlquellen auch höhere Leistungen erzielen, so daß diese Laser auch für Materialbearbeitung eingesetzt werden können. In der Literatur sind hierzu einige Verfahren und Vorrichtungen zu Diodenlasern beschrieben, durch die hohe mittlere Leistungen zur Erzielung eines hohen Durchsatzes bzw. einer hohen Bearbeitungsgeschwindigkeit erzielt werden können. In der Patent­ schrift DE 33 10 927 C2 wird z. B. ein Verfahren beschrieben, mit dem Zigaretten mit einer Vielzahl von Laserdioden perforiert werden. Die hierbei insgesamte eingesetzte Leistung ist zwar hoch, im einzelnen Laserstrahlfokus sind jedoch nur Intensitäten < 104 W/cm2 nötig, um das Papier zu bohren. Für das Schweißen, Schneiden und Bohren von Metallen werden jedoch deutlich höhere Intensitäten < 105 W/cm2 benötigt.
Die meisten bisherigen Anwendungen von Diodenlasern betreffen das Löten, für das intensitäten im Bereich 103 W bis 104 W/cm2 benötigt werden. Für einen hohen Durchsatz ist jedoch eine hohe mittlere Leistung im Bereich einiger 100 W nötig. Da die einzelnen Dioden lediglich eine mittlere Leistung von ca. 100 mW aufweisen, werden insbesondere in den Patenten JP 2-142695, der US 4,963,714 sowie in der US 5,099,488 Verfahren und Vorrichtungen zur Kopplung einer Vielzahl von Diodenlasern zur Erzielung hoher mittlerer Leistungen beschrieben. All diesen Schriften liegt zugrunde, daß in einem ersten Schritt bereits eine Vielzahl von Einzelemittern in eine Lichtleitfaser bzw. eine Optik eingekoppelt werden und die hierbei entstehenden Teilstrahlen anschließend zu einem Gesamtstrahl zusammengesetzt werden. Durch das Zusammenfassen von Einzelemittern in eine gemeisame Übertragungsstrecke werden typischerweise 0,5 W-1 W mittlere Leistung pro Teilstrahl erzielt. Jedoch lassen sich mit diesen Teilstrahlstrahlen durch die schlechtere Strahlqualität nur Intensitäten bis maximal 3 × 104 W/cm2 erzeugen. Für das Schweißen, Schneiden, Bohren und bestimmte Verfahren des Oberflächenbehandelns sind jedoch weit höhere Intensitäten im Bereich 105 bis 106 W/cm2 notwendig. Dies kann mit den bekannten Vorrichtungen nicht erreicht werden.
Bei der vorliegenden Patentanmeldung wird demgegenüber von einer Übertragung der vom Einzelemitter erzeugten Intensität von < 106 W/cm2 ausgegangen. Unter Ein­ rechnung von Verlusten lassen sich hiermit immerhin noch einige 105 W/cm2 erreichen, die über Einzelfasern bzw. optische Systeme auf das Werkstück gelenkt werden. Dadurch läßt sich der Einsatzbereich der Diodenlaser als kompakte und kostengünstige Strahlquelle auch auf Bereiche erweitern, die bisher den Hochleistungs-Nd:YAG-Lasern und CO2- Lasern vorbehalten waren.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung mit Laserstrahlung anzugeben, welche sich auch zum Schweißen, Bohren, Schneiden, Ober­ flächenbehandeln, etc. eignet, und die die zuvor genannten Nachteile vermeidet.
Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die Merkmale der beiden nebengeordneten Ansprüche 1 und 2 gegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen sind mit den Merkmalen der Unteransprüche 3 bis 7 gekennzeichnet.
Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß durch die Kombination einer Vielzahl von Laserdioden in einer hohen Packungsdichte mit einer geeigneten Strahl­ formung und -führung die zur Materialbearbeitung, insbesondere Schneiden, Bohren, Schweißen und Oberflächenbehandlung erforderlichen Intensitäten im Fokus auf der Bearbeitungsstelle erreicht werden, wobei mit diesem Lasersystem der elektrisch/optische Wirkungsgrad von < 10% auf < 30% gesteigert wird. Damit verbunden sind als weitere Vorteile Einsparungen im Bereich der Netzteile und der Kühlung möglich. Auch wird die Größe des Lasersystems zur Materialbearbeitung entscheidend reduziert. Ebenso wird der Preis pro Watt Laserleistung, unterstützt durch den Preisverfall der Laserdioden-Bauteile (siehe Fig. 2) gesenkt und eine weitgehende Wartungsfreiheit erreicht.
Die besondere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß dem Unteran­ spruch 3 ermöglicht mit den aus der Halbleitertechnik bekannten Methoden eine einfache und damit preiswerte Herstellung der Laserdiodenarrays mit einer großen Anzahl von einzelnen Laserdioden pro Flächeneinheit.
Die Verwendung von Mikrolinsen entsprechend der Ausgestaltung nach Unteranspruch 4 hat den Vorteil, daß fast die gesamte von den Laserdioden erzeugte Laserstrahlung in den Fokus übertragen werden kann und damit beispielsweise ein Fokuspunkt mit geringem Durchmesser erzeugt werden kann, wodurch auf dem zu bearbeitenden Material eine hohe Leistungsdichte erzeugt wird.
Den Vergleich einiger Eigenschaften von Laserdioden mit Nd:YAG- und CO2-Lasern zeigt die Tabelle in Fig. 9.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist in den Fig. 3 bis 8 an Hand von Ausführungsbeispielen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1: Parameterbereich für den Einsatz von Laserdioden im Bereich der Materialbearbeitung
Fig. 2: zeitliche Entwicklung der Leistung von Laserdioden und des Preis- Leistungsverhältnisses
Fig. 3: einen Laserdiodenbarren mit einzelnen Laserdioden, montiert auf einem Kühlelement
Fig. 4: vergrößerter Ausschnitt des Laserdiodenbarrens von Fig. 3
Fig. 5: Stapelung von Laserdioden zu einem Laserdiodenarray
Fig. 6: Strahlformungsoptik mit Linsen zur Erzeugung eines Fokuspunktes
Fig. 7: Strahlformungsoptik zur Materialbearbeitung mittels Lichtleitfaser
Fig. 8: Anordnung zum Löten mit Lichtleitfaserübertragung der Laserstrahlung
Fig. 9: Tabellarischer Vergleich der Eigenschaften von Laserdioden mit Nd : YAG- und CO2-Lasern
Der in Fig. 1 gezeigte Vergleich mit den Bearbeitungs-Parameterfeldern von bekannten Materialbearbeitungsverfahren (graue Felder) zeigt, daß zu dem bereits bekannten Verfahren des Lötens als neue Bereiche für Laserdioden-Anwendungen das Schneiden, Schweißen und die Oberflächenbehandlung hinzuzurechnen ist. Damit ist die direkte Materialbearbeitung mit Laserdioden für viele Bereiche der Technik, insbesondere der Medizintechnik und des Maschinenbaus von Nutzen, wie beispielsweise die Verpackungs­ maschinentechnik sowie die Fertigungstechnik mit den Schwerpunkten Automobilindus­ trie, Luft- und Raumfahrt, etc. und vieles andere mehr.
In Fig. 3 ist ein Laserdiodenbarren (1) dargestellt, der eine Länge von 10 mm, eine Breite von 0,6 mm und eine Höhe von 0,1 mm aufweist, und dessen Längsseite 800 einzelne Laserdioden aufweist. Die von diesem Laserdiodenbarren ausgestrahlte Leistung erreicht einen Wert von bis zu 50 W. Die Qualität des Laserstrahls jeder einzelnen Laserdiode ist hierbei beugungsbegrenzt. Aufgrund der kleinen Strahlfläche von 1 × 3 µm2 besitzt die emitierte Laserstrahlung einen großen Divergenzwinkel. Die Werte des Divergenzwinkels liegen im Bereich von 1.000 mrad in der Ebene orthogonal zu der Reihe der einzelnen Laserdioden und etwa 200 mrad in der parallelen Ebene. Die maximal erreichbare Leistung der einzelnen Laserdioden ist auf einen Wert von etwa 60 mW begrenzt. Mit der zuvor genannten Größe der strahlenden Fläche von etwa 1 µm × 3 µm wird somit eine Leistungsdichte von etwa 2 × 106 W/cm2 erreicht.
Um eine Lasersystem mit einer hohen Gesamtleistung zu erhalten, muß das Lasersystem eine genügend große Anzahl an einzelnen Laserdioden aufweisen. Hierzu werden die einzelnen Laserdioden auf verschiedene Weise miteinander kombiniert.
Fig. 5 zeigt die Kombination der einzelnen Laserdioden zu einem Stapel von Laserdio­ denbarren (2), die durch Kühlelemente voneinander beabstandet sind. Die Kühlelemente haben eine Dicke von etwa 0,3 bis 2 mm. Ferner sind Öffnungen vorgesehen, durch die ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel (3) zur Abführung der beim Betrieb der Laser­ dioden entstehenden Wärme geführt werden kann. Mit dieser Stapeltechnik kann eine Packungsdichte von bis zu 25.000 einzelnen Laserdioden pro cm2 erreicht werden. Die damit erzielbare mittlere Leistungsdichte der Laserstrahlung hängt wesentlich von der verwendeten Kühltechnik ab. Zur Übertragung der Laserstrahlung, die von dem Laserdiodenarray erzeugt wird, kann im einfachsten Fall eine Abbildung dieses Laserdio­ denarrays auf das zu bearbeitende Werkstück vorgesehen werden. Zur Erzielung einer hohen Leistungsdichte ist es jedoch erforderlich, die von dem Laserdiodenarray abge­ strahlte Laserstrahlung mit Kollimatorlinsen sowie Kopplungs- und Übertragungsoptiken auf das Werkstück zu fokussieren (8).
Die hierfür vorgesehenen Anordnungen sind in den Fig. 6 und 7 dargestellt und können außer für das gestapelte Laserdiodenarray auch für die Übertragung der Laser­ strahlung von einzeln angeordneten Laserdioden verwendet werden.
In der in Fig. 6 dargestellten Anordnung ist vor jeder einzelnen Laserdiode eine Mikro­ linse, vgl. (4), angeordnet, die einen gebündelten Laserstrahl erzeugt. Die damit erziel­ bare Leistungsdichte hängt ab von dem Verhältnis der Oberfläche der strahlenden zu den nichtabstrahlenden Flächen und liegt im Bereich von etwa 0,3 für den in Fig. 3 dargestellten Laserdiodenbarren (1). Je nach Verhältnis der Fläche der Mikrolinse zu der Systemfläche sowie in Abhängigkeit von optischen Verlusten und Linsenfehlern werden schließlich Leistungsdichten im Bereich bis zu etwa 5 × 105 W/cm2 erreicht.
In Fig. 7 ist die Übertragung der von Laserdioden (5) erzeugten Laserstrahlung mittels Lichtleitfasern (6) dargestellt, wobei die Lichtleitfasern direkt an die Laserdioden ange­ koppelt werden können oder die emittierte Laserstrahlung über eine geeignete Optik (7) in die Lichtleitfasern eingekoppelt werden. Die einzelnen Lichtleitfasern werden schließlich zu einem Faserbündel (9) zusammengefaßt und zu der Bearbeitungsstelle geführt. Dabei ist jeder einzelnen Lichtleitfaser entweder eine einzelne Laserdiode oder eine Gruppe von mehreren Laserdioden zugeordnet; der Querschnitt der einzelnen Fasern ist rund, oval oder rechteckig. Die Verwendung von Lichtleitfasern zur Übertragung der Laserstrahlung hat den Vorteil, daß die einzelnen Laserdioden unabhängig voneinander angeordnet werden können, im Gegensatz zu der Stapelung der Laserdiodenbarren gemäß Fig. 3 oder bei Verwendung von Linsen gemäß Fig. 4.
Die Laserdioden können im gepulsten Betrieb oder als Dauer-Laser betrieben werden. Bei Verwendung der Mikrolinsen können die höchsten Leistungsdichten erreicht werden; diese liegen bei etwa 5 × 105 W/cm2 und darüber.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Schweißen, Schneiden, Bohren und Oberflächenbehandeln mit Laserstrahlung, bei welcher zur Erzeugung der Laserstrahlung wenigstens ein mit einem Kühlelement wärmeableitend verbundenes Laserdiodenarray mit mehreren, Einzelemittern vorgesehen ist, und bei welcher zur Erzeugung eines gemeinsamen Fokus mit einer zum Schweißen, Schneiden, Bohren und Oberflächenbehandeln ausreichend hohen Strahlungsleistungsdichte im Bearbeitungsbereich jeder Einzelemitter beu­ gungsbegrenzte Laserstrahlung emittiert und jeder Einzelemitter mittels einer Kopplungsoptik oder durch direkten Anschluß mit je einer Lichtleitfaser eines Faserbündels optisch derart verbunden ist, daß sich das von einem Einzelemitter abgestrahlte Laserlicht in die jeweilige Lichtleitfaser einkoppelt, und bei welcher die aus den Lichtleitfasern austretende Strahlung entweder direkt oder über eine Fokussiereinrichtung auf den Bearbeitungsbereich gerichtet ist.
2. Vorrichtung zum Schweißen, Schneiden, Bohren und Oberflächenbehandeln mit Laserstrahlung, bei welcher zur Erzeugung der Laserstrahlung wenigstens ein mit einem Kühlelement wärmeableitend verbundenes Laserdiodenarray mit mehreren Einzelemittern vorgesehen ist, und bei welcher zur Erzeugung eines gemeinsamen Fokus mit einer für das Schweißen, Schneiden, Bohren und Oberflächenbehandeln ausreichend hohen Strahlungsdichte im Bearbeitungsbereich jeder Einzelemitter beugungsbegrenztes Laserlicht abstrahlt und vor jedem Einzelemitter oder einer Mehrzahl von Einzelemittern eine aus einer Mikrolinse bestehende Kollimations­ optik angeordnet ist, und bei welcher die von den einzelnen Kollimationsoptiken ausgehende Laserstrahlung mit einer Fokussieroptik auf den Bearbeitungsbereich gerichtet sind.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Laserdioden eines Laserdiodenarrays in Laserdiodenbarren oder verti­ kal in Laserdiodenwafern voneinander beabstandet angeordnet sind, und daß die Laserdiodenbarren oder die Laserdiodenwafer mit einem Kühlelement wärmeleit­ end verbunden sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils vor einer Mehrzahl von einzelnen Laserdioden oder vor jedem Laser­ diodenbarren eines Laserdiodenarrays angeordnete Kollimationsoptik als Kollima­ torlinse ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Fokus linienförmig, punktförmig, oval oder rechteckförmig ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens 1.000, vorzugsweise mehr als 20.000 einzelne Laserdioden pro Laser­ diodenarray vorgesehen sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge der erzeugten Laserstrahlung im sichtbaren bis nahen Infrarot (< 2.000 nm), vorzugsweise zwischen 750 nm und 950 nm liegt.
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