DE19805726A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung der Prozeßstabilität bei der Lasermaterialbearbeitung - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steigerung von Prozeßstabilität und Prozeßsicherheit bei der Materialbearbeitung mit Laserstrahlung, durch welche eine an den Bearbeitungsprozeß angepaßte Leistungsdichteverteilung bereitgestellt wird. Die Anpassung der Leistungsdichte-verteilung besteht in der Bereitstellung einer länglichen Brennfleckform mit ein er geeignet inhomogenen Leistungsdichteverteilung innerhalb des Brennflecks. Die Vorrichtung kann überall dort eingesetzt werden, wo eine an die Bearbeitungsaufgabe angepaßte Leistungsdichteverteilung (Intensität) der Laserstrahlung Prozeßvorteile bringt. So kann die Vorrichtung mit Gewinn beim Schneiden und Bohren mit Laserstrahlen, als auch bei der Herstellung von Texturen oder Mikrostrukturen, aber auch dem Markieren oder Beschriften von Oberflächen mittels Laserstrahlen eingesetzt werden. Insbesondere kann die Vorrichtung beim Laserstrahlschweißen eingesetzt werden und dient dort zur deutlichen Steigerung der Qualität von Schweißnähten, insbesondere bei zu schweißenden Aluminiumlegierungen.

Stand der Technik

Laser werden in vielfältigster Weise für die Materialbearbeitung eingesetzt. Insbesondere beim Laserstrahlschweißen ist die Schmelzbaddynamik des mit Laserlicht beaufschlagten Werkstoffes ein bestimmender Faktor für die erzielbare Bearbeitungsqualität. Schwer zu bearbeitende Werkstoffe sind z. B. solche mit hoher Schmelzbaddynamik wie beispielsweise Aluminiumlegierungen, deren hohe Schmelzbaddynamik sich beim Laserstrahlschweißen durch Schuppungsfehler und Schmelzauswürfe (stochastisch auftretende Schuppungsfehler) in Verbindung mit Löchern in der Schweißnaht äußern kann. Ursache hierfür ist unter anderem, daß die Energie des Laserlichts derart eingekoppelt wird, daß das aufgeschmolzene Material ein unkontrollierbares, turbulentes Strömungsverhalten zeigt.

Zur Steigerung der Bearbeitungsergebnisse bei solchen schwer bearbeitbaren Werkstoffen wurde in der EP 0 594 210 A1 vorgeschlagen, für die Bearbeitung einen elliptisch geformten Brennfleck einzusetzen. Der in der zitierten Schrift gepulst betriebene Nd:YAG-Laser dient dem Schweißen von nur dünnen Werkstücken aus Aluminiumlegierungen bei einer kleinen Laserleistung von 800 W bei geringer Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks von nur 1,0 mm/s. Es ist allgemein bekannt, daß beim Einsatz leistungsstarker Laser, zum Beispiel CO₂-Lasern mit Leistungen größer als 5 kW, eine hohe Schmelzbaddynamik die Prozeßstabilität deutlich stärker negativ beeinflußt, als dies beim Einsatz der leistungsschwächeren Nd:YAG-Laser der Fall ist. Die in der EP 0 594 210 A1 vorgeschlagene Methode der Strahlverkippung zur Generierung eines elliptischen Brennflecks hat jedoch den Nachteil, daß die Arbeitsebene nur ungenau definiert werden kann. Damit läßt sich das Strömungsverhalten des aufgeschmolzenen Materials nicht mehr kontrollieren, was zu einem instabilen Arbeitsprozeß mit den o.g. Nachteilen führt. Außerdem bedingt Strahlverkippung beim Tiefschweißen eine Dampfkapillare (keyhole), welche nicht mehr senkrecht zur Werkstückoberfläche verläuft, mit entsprechenden Einbußen bzgl. der Schweißtiefe. Durch eigene Untersuchungen konnte daher nachgewiesen werden, daß beim Schweißen mit leistungsstarken Lasern aus den o.g. Gründen die Methode der Strahlverkippung zur Bereitstellung eines elliptischen Brennflecks eine nur unwesentliche Verbesserung der Schweißergebnisse bewirkt. Dies gilt umso mehr, wenn für industrielle Zwecke akzeptable Schweißvorschubgeschwindigkeiten in der Größenordnung von mehreren Metern pro Minute erforderlich sind.

Die in der zitierten Patentschrift weiterhin genannte Möglichkeit eines Einsatzes geeigneter Linsen zur Bereitstellung eines elliptischen Fokus kann bei leistungsstarken Lasern wie zum Beispiel CO₂-Lasern mit Ausgangsleistungen größer als 2 kW nicht genutzt werden, da die Absorption im Linsenmaterial zur Zerstörung der Linsen führen kann. Deshalb finden bei leistungsstarken Lasern primär Kupferspiegel Verwendung. Da CO₂-Laser gegenüber Nd:YAG-Lasern deutlich preiswerter sind und zudem aufgrund der höheren Ausgangsleistung wesentlich vielfältiger einzusetzen sind, besteht das wirtschaftliche und technische Interesse an der Bereitstellung einer Fokussieroptik für leistungsstarke Laser, welche die oben genannten Nachteile vermeidet und einen stabilen Arbeitsprozeß sicherstellt.

In der US 5 595 670 wird ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen offenbart, bei welchem ein Laser mit einer Leistung von mindestens 1 kW eingesetzt und mit einem länglichen Brennfleck gearbeitet wird. Der Brennfleck kann dabei rechteckig, birnenförmig oder unregelmäßig länglich sein und wird vorzugsweise mit der longitudinalen Achse parallel zur Schweißvorschubrichtung orientiert. Dem Fachmann wird durch diese Schrift nahegelegt eine längliche Brennfleckform zum Schweißen einzusetzen. Die Leistungsdichteverteilungen innerhalb des Brennflecks werden bei der US 5 595 670 als in X-Richtung gaußförmig und in y-Richtung plateauartig angegeben, werden aber als solche als nicht wesentlich erachtet.

In der Zeitschrift Aluminium Kurier News, Seite 13 in der Ausgabe vom 06.01.1998 wird offenbart, daß die Prozeßstabilität beim Laserstrahlschweißen durch den Einsatz einer Fokussieroptik mit definiert eingebrachten Astigmatismus zur Bereitstellung eines elliptischen Brennflecks gesteigert werden kann. Diese Offenbarung kennzeichnet im wesentlichen die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, gibt dem Fachmann jedoch keine Hinweise zur Lösung dieser Aufgabe zur Hand.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Prozeßstabilität und die Prozeßeffizienz bei der Materialbearbeitung mit leistungsstarken Lasern wie zum Beispiel CO₂-Lasern zu steigern.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß eine an den Bearbeitungsprozeß angepaßte inhomogene Leistungsdichteverteilung auf einfache Weise durch den Einsatz eines nicht-rotationssymmetrischen Fokussierspiegels realisiert werden kann, der unterschiedliche Brennweiten f_x und f_y in zwei zueinander senkrechten Richtungen aufweist. Diese zwei zueinander senkrechten Richtungen werden nachfolgend als x- und y-Richtung bezeichnet. Sie stehen jeweils senkrecht auf der Ausbreitungsrichtung des Laserlichts nach Reflexion an der Oberfläche des Fokussierspiegels, welche die z-Richtung definiert.

Das damit angewandte Prinzip der astigmatischen Fokussierung ist in Fig. 1a dargestellt. Die Wirkung eines astigmatischen optischen Elements ist vergleichbar mit der von zwei gekreuzten Zylinderlinsen mit unterschiedlichen Brennweiten f_x und f_y. Mit der Brennweite f_x wird in x-Richtung fokussiert und mit der Brennweite f_y in die dazu senkrechte y-Richtung. Die Fokussierung in zwei zueinander senkrechten Richtungen hat den Vorteil, daß über die beiden Brennweiten die Abmessungen des entstehenden Brennflecks in x- und y-Richtung unabhängig voneinander eingestellt werden können. Der nicht-rotationssymmetrische Fokussierspiegel wird vorteilhafterweise derart relativ zum Werkstück angeordnet, daß die Werkstückoberfläche in der Fokalebene von einer der beiden Zylinderlinsen liegt. In Fig. 1a zum Beispiel liegt das Werkstück in der Fokalebene der Linse mit Brennweite f_x.

Die meisten Laser liefern Laserlicht mit im wesentlichen rotationssymmetrischer Strahlgeometrie. Wird Laserlicht mit derartiger Strahlgeometrie auf einen nicht­ rotationssymmetrischen Fokussierspiegel gelenkt, so erhält man in der Regel einen nicht-rotationssymmetrischen Brennfleck. Je nach gewählten Brennweiten f_x und f_y wird die entstehende Brennfleckform auf der Werkstückoberfläche länglich mit Tendenz zur Ellipsenform sein. Diese Brennfleckform wird nachfolgend als länglich bezeichnet. Fig. 1b zeigt einen derartigen Brennfleck mit longitudinaler Achse parallel zur y-Achse. Die seitlichen Abmessungen des Brennflecks werden durch die Strahlradien w_x und w_y bestimmt.

Bei den meisten Lasern ist die Intensitätsverteilung des emittierten Laserlichts näherungsweise gaußförmig. Die Formung eines länglichen Brennflecks führt in der Regel zu keiner Verschiebung des Schwerpunkts der Intensitätsverteilung innerhalb des Brennflecks. Wird in dem erfindungsgemäßen Fokussierspiegel zusätzlich Koma eingebracht, so läßt sich darüber der Intensitätsschwerpunkt gezielt verschieben. Damit kann man einen länglichen Brennfleck generieren, dessen Intensitätsverteilung bezogen auf die Ausdehnung des Brennflecks in Vorschubrichtung nicht in der Mitte sondern im vorderen Bereich und vorzugsweise im vorderen Drittel liegt. Das Koma kann dadurch in den Fokussierspiegel eingebracht werden, daß die Spiegeloberfläche asymmetrisch ausgelegt wird. In diesem Fall wird die Spiegeloberfläche mathematisch durch nicht­ gerade Oberflächenfunktionen beschrieben. Für verschiedene längliche Brennflecke wird dies in Fig. 1c-f veranschaulicht, wo die vorteilhaft pasitionierten Schwerpunkte S eingezeichnet sind. Dies hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß beim Tiefschweißen die hohe Intensität im vorderen Bereich des länglichen Brennflecks effektiv zum Aufschmelzen des zu bearbeitenden Materials bzw. zum Öffnen der Dampfkapillare genutzt werden kann, während die intensitätsschwächeren Bereiche im verbleibenden Teil des Brennflecks ausreichen die Kapillare offenzuhalten. Durch eine derartige Intensitätsverteilung innerhalb des länglichen Brennflecks kann das Aufschmelzen des Werkstoffs beschleunigt und darüber die Schweißvorschubgeschwindigkeit gesteigert werden, was zu einer Kostenreduzierung beim Schweißen im industriellen Bereich führt. Insbesondere wird durch eine derartige Intensitätsverteilung innerhalb des Brennflecks die Schmelzbaddynamik des aufgeschmolzenen Materials deutlich verbessert, was sich in einem weitgehend laminaren und damit nicht mehr turbulenten Strömungsverhalten der Schmelze äußert. Das verbesserte Strömungsverhalten führt zu der gewünschten Steigerung der Prozeßstabilität.

Die Dimensionierung des Brennflecks erfolgt beim erfindungsgemäßen Fokussierspiegel über passend gewählte Brennweiten f_x und f_y Wird als Brennweite für die Fokussierung in x-Richtung eine beliebige Brennweite f_x vorgegeben, so wird darüber der Strahlradius w_x der Leistungsdichteverteilung in der Bearbeitungsebene in x-Richtung festgelegt. Dieser Strahlradius w_y kann über eine Kaustikmessung bestimmt werden.

Über den zweiten Strahlradius w_y wird die Größe A des Brennflecks eingestellt. Die Brennfleckgröße orientiert sich an der mindestens erforderlichen Laserleistung P_min welche für das Erreichen der Schwellenintensität I_c erforderlich ist, und bestimmt sich nach A = P_min/I_c. Die Einkoppelschwelle I_c hängt dabei sowohl vom Material des Werkstücks als auch von der Vorschubgeschwindigkeit v_s ab, mit der der Laserstrahl über das Werkstück geführt wird. Dabei ist es günstig mit Leistungsüberschuß zu arbeiten. Dadurch vermeidet man die zusätzliche Prozeßinstabilität, welche durch das Arbeiten mit einer Intensität nahe der Schwellintensität I_c hervorgerufen wird, und zusätzlich wird die Einschweißtiefe gesteigert. Bei speziell ellipsenförmiger Brennfleckform berechnet man den zweiten Strahlradius w_y mit der Gleichung A = π w_x w_y.

Die Bereitstellung eines in seinen Abmessungen definierten länglichen Brennflecks mit darin vorteilhafter Intensitätsverteilung erfolgt erfindungsgemäß durch einen nicht­ rotationssymmetrischen Fokussierspiegel der den erforderlichen Astigmatismus erzeugt. Beispielsweise kann die Oberfläche dieses Fokussierspiegels mathematisch durch eine elliptisch-parabolische Funktion beschrieben werden. Um den nicht­ rotationssymmetrischen Fokussierspiegel mit beispielsweise elliptisch-parabolischer Funktionsfläche zu designen müssen die für den Bearbeitungsprozeß erforderlichen Strahlradien w_x und w_y bekannt sein, durch welche ihrerseits die Form des Brennflecks bestimmt wird. Die Bestimmung der Strahlradien kann dabei auf die oben geschilderte Weise erfolgen. Der erfindungsgemäße Fokussierspiegel muß dann die richtigen Brennweiten f_x und f_y aufweisen, um den geforderten Brennfleck zu generieren. Einer der Brennweiten, es sei nachfolgend die Brennweite f_x, kann zunächst frei gewählt werden, so daß nur noch f_y zu bestimmen ist. Zur Bestimmung der zweiten Brennweite f_y wird in einem ersten Schritt die Laserstrahlung mit einer rotationssymmetrischen Hilfsoptik der Brennweite f = f_x fokussiert.

Die derart geformte Strahlung wird einer Kaustikmessung unterzogen, aus der die zweiten Orts- und Winkelmomente a_rr und a_uu bestimmt werden. Mit diesen läßt sich die Rayleighlänge zu z_R ² = a_rr/a_uu berechnen. Dabei wird vorausgesetzt, daß die unfokussierte Laserstrahlung rotationssymmetrisch und deren Rayleigh-Länge z_R groß gegenüber den Brennweiten f_x und f_y ist. Die aus der Kaustikmessung bestimmte Rayleigh-Länge und das Strahlradienverhältnis ε = w_x/w_y gehen dann ein in die Berechnungsformel

für die Brennweite f_y Die Wahl des Vorzeichens legt fest, ob die Brennweite in y-Richtung größer oder kleiner als die Brennweite in x-Richtung ist. Bei einer in y-Richtung größeren Brennweite liegt der Brennpunkt in y-Richtung vom Fokussierspiegel aus gesehen hinter der Bearbeitungsebene, wie schematisch in Fig. 1 dargestellt. Im anderen Fall, einer in y-Richtung kleineren Brennweite, liegt der Brennpunkt in y-Richtung oberhalb vom Werkstück. Ein derart bestimmter Fokussierspiegel, der durch die zwei unterschiedlichen Brennweiten f_x und f_y charakterisiert ist, generiert in der Arbeitsebene einen Brennfleck mit den gewünschten Strahlradien w_x und w_y. Die Bereitstellung eines länglichen Brennflecks mit einer derart definierten Optik hat dabei gegenüber der Methode der Strahlverkippung den entscheidenden Vorteil, daß die Arbeitsebene präzise festgelegt ist und darüber die Prozeßstabilität wunschgemäß erhöht wird. Auch erfolgt die Bestrahlung definiert senkrecht zur Werkstückoberfläche, so daß auch fehlerfreies Schweißen bei großen Schweißtiefen möglich ist.

Eine weitere Möglichkeit zur Bereitstellung der gewünschten Leistungsdichteverteilung mit länglicher Strahlgeometrie besteht in dem Einsatz eines Offaxis-Parabolspiegels, dessen Abbildungseigenschaften diejenigen des oben definierten nicht­ rotationssymetrischen Fokussierspiegels approximieren. Hierzu wird mittels eines kommerziellen Raytracing-Programms ein Offaxis-Parabolspiegel mit variablem Radius, Scheitelpunktkoordinaten und Orientierung definiert. Durch ein Optimierungsverfahren wird der Astigmatismus des Offaxis-Paraboloids möglichst gut an den Astigmatismus des nicht-ratationssymetrischen Fokussierspiegels angenähert. Als Randbedingung für die Optimierung werden die oben berechneten Brennweiten f_x und f_y vorgegeben. Ein derart bestimmter Offaxis-Parabolspiegel weist die gleiche astigmatische Fokussierung wie der oben definierte Fokussierspiegel auf, ist aber im Vergleich zu diesem wesentlich einfacher und kostengünstiger herzustellen. Auch bei dem Offaxis-Parabolspiegel läßt sich der Intensitätsschwerpunkt durch ein Koma gezielt verschieben und damit die Prozeßeffizienz steigern.

Wird der mit einer der erfindungsgemäßen Fokussieroptiken bereitgestellte längliche Brennfleck mit der longitudinalen Achse parallel zur Vorschubgeschwindigkeit orientiert, so muß wegen der größeren Fokusfläche die Vorschubgeschwindigkeit etwas reduziert werden. Allerdings kann dieser Nachteil fast vollständig durch den Geschwindigkeitsgewinn kompensiert werden, welche mit der in Vorschubrichtung asymmetrischen Leistungsdichteverteilung einhergeht, welche ihren Schwerpunkt im vorderen Bereich des Brennflecks hat. Ist der Brennfleck speziell elliptisch, so liegt beispielsweise der Schwerpunkt vorzugsweise im vorderen Drittel der langen Ellipsenhalbachse. Mit der Kombination länglicher Brennfleck mit darin asymmetrischer Leistungsdichteverteilung sind hohe und für industrielle Zwecke interessanten Vorschubgeschwindigkeiten möglich.

Mit Hochgeschwindigkeitsvideokameras konnte zudem nachgewiesen werden, daß beim Tiefschweißen durch die bereitgestellte inhomogene Leistungsdichteverteilung eine weitgehend laminare Strömung des aufgeschmolzenen Materials sichergestellt wird. Dadurch werden ein ungleichmäßiges Verdampfen des Werkstoffs und auch Fluktuationen des Plasmas wunschgemäß vermieden, welche für die Störungen bzw. Schweißfehler verantwortlich sind. Ein weiterer Vorteil ist, daß dabei auch die Porosität der Schweißnaht reduziert wird. Maßnahmen zur Stabilisierung des Plasmas bzw. der Schweißfackel durch ein Prozeßgas können zusätzlich integriert werden.

Wird hingegen die longitudinale Achse senkrecht zur Schweißvorschubrichtung orientiert, so wird bei nur geringen Einbußen hinsichtlich der Prozeßstabilität und damit der Schweißnahtqualität die Spaltüberbrückbarkeit gesteigert. Vorteilhafterweise detektiert hierzu ein Sensor die Spaltweite, und die Orientierung der longitudinalen Achse relativ zur Schweißvorschubrichtung wird daran auf geeignete Weise angepaßt. Bei den erfindungsge-mäßen Fokussieroptiken kann dies dadurch erreicht werden, daß über eine Variation des Abstandes der Fokussieroptik zum Werkstück der Brennfleck geeignet vergrößert wird um die Breite der Schweißkapillare einzustellen.

Vorteilhaft ist es weiterhin, die Polarisation des Laserlichts an den Brennfleck anzupassen. Wird beispielsweise die longitudinale Achse des Brennflecks parallel zu Schweißvorschubrichtung ausgerichtet, so erzeugt eine Orientierung des elektrischen Feldstärkevektors parallel zur longitudinalen Achse schmalere und tiefere Schweißnähte, was zu einer besseren Ausbeutung der Laserleistung beiträgt.

Eine weitere Möglichkeit zur Bereitstellung der gewünschten Leistungsdichteverteilung besteht in dem Einsatz eines Lasers, bei dem das laseraktive Medium und/oder der Laserresonator bei entsprechender Anregung so gestaltet sind, daß das emittierte Licht eine geeignete asymmetrische Leistungsdichteverteilung senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung bei einer länglichen Strahlgeometrie aufweist. Dies kann zum Beispiel wie bei slab-Resonatoren dadurch erfolgen, daß keine zylinderförmige Resonatorgeometrie gewählt wird. Ferner ist es möglich, durch eine gezielt inhomogene Konzentration von laseraktiven Molekülen, Atomen oder Ionen innerhalb des Resonatormediums die Intensitätsverteilung so einzustellen, daß der Intensitätsschwerpunkt innerhalb einer Ebene senkrecht zur Propagationsrichtung nicht auf der Strahlachse liegt. Durch die Wahl geeigneter Optiken läßt sich das Laserlicht anschließend so auf das Werkstück richten, daß der entstehende Brennfleck derart positioniert ist, daß auf dem Werkstück ein Intensitätsschwerpunkt vorliegt, der bezogen auf die Ausdehnung des Brennflecks in Vorschubrichtung vorzugsweise im vorderen Drittel liegt.

Ohne Einschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens soll die erfindungsgemäße Vorrichtung an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. Der Laserstrahl eines quasi kontinuierlich betriebenen CO₂-Lasers der Wellenlänge λ = 10,6 µm und einer maximalen Leistung von P = 12 kW wird unter Verwendung eines fokussierenden rotationssymmetrischen Hilfsspiegels der Brennweite f = 150 mm auf ein Werkstück der Legierung AlMgSi 1,0 (EN AW-6082) gerichtet.

Die Fläche des Fokus beträgt A =1,87.10^-7 m², und die Einkoppelschwelle des Materials ca. I_c = 4.10¹⁰ W/m². Die mindestens erforderliche Laserleistung für das Tiefschweißen ist damit P = A.I_c = 7,5 kW. Allerdings wird mit 9 kW und damit mit Leistungsüberschuß gearbeitet um einen robusteren Schweißprozeß sicherzustellen. Wird der runde Brennfleck bei einer Vorschubgeschwindigkeit von v_s = 6 m/min in die damit definierte y-Richtung durch das Werkstück geführt, so ist das Schweißergebnis durch zahlreiche Schuppungsfehler, Schmelzauswürfe und Spritzer gekennzeichnet, welche für industrielle Zwecke indiskutabel sind. Nur unwesentliche Besserung dabei bringt die Bereitstellung eines elliptischen Brennflecks über die Methode der Strahlverkippung.

Zur Verbesserung der Schweißergebnisse wird eine elliptisch-parabolische Fokussieroptik berechnet. Hierzu wird in einem ersten Schritt ein fokussierender rotationssymmetrischer Hilfsspiegel der Brennweite f = 150 mm in einem Arbeitsabstand von 150 mm angeordnet. Der derart fokussierte Strahl wird einer Kaustikmessung unterzogen, aus der die zweiten Orts- und Winkelmomente a_rr und a_uu und darüber die Rayleighlänge z_R ² = a_rr/a_uu in Abhängigkeit von der z-Position des Strahls bestimmt werden. z = 0 wurde dabei als z-Position bei der Strahltaille festgelegt, d. h. dort wo der Strahldurchmesser am kleinsten ist. Das Ergebnis ist in Fig. 2 graphisch dargestellt, bei der die longitudinale und transversale Strahlradius als Funktion der z-Position dargestellt ist.

Aus dem Minimum der Parabel für den kleineren Strahlradius bei z = 0 wird der Strahlradius w_x in x-Richtung zu 136 µm bestimmt. Die Verschiebung der beiden Parabeln zueinander zeigt, daß bei der mit dem Hilfsspiegel fokussierten Rohstrahlung ein geringer und nicht gewollter Astigmatismus vorliegt. Über A = π w_xw_y bestimmt man den Strahlradius w_y in y-Richtung zu 455 µm, so daß die Abmessungen des Brennflecks definiert sind. Vorliegend fällt die Schweißvorschubrichtung mit der y-Richtung zusammen.

Die gesuchte elliptisch-parabolische Optik fokussiert demnach astigmatisch mit der Brennweite f_x in x-Richtung und mit einer Brennweite f_y in y-Richtung, die sich unter Zuhilfenahme von e = w_x/w_y mittels der Gleichung

zu 154,2 mm bestimmt.

Als zweite erfindungsgemäße Fokussieroptik wird ein Offaxis-Parabolspiegel entworfen, dessen Abbildungseigenschaften diejenigen der elliptisch-parabolischen Optik möglichst gut wiedergeben. Unter Verwendung eines Raytracing-Programms wird bei vorgegebenen Brennweiten f_x = 150 mm und f_y = 154,2 mm ein Offaxis-Paraboloid angenähert. Der Krümmungsradius wurde zu 270,59 mm bestimmt. Die Anordnung des Spiegels und damit seine Positionierung und Orientierung ist in Fig. 3 dargestellt. Der vom Spiegel bewirkte Umlenkwinkel beträgt 35 Grad. Beim Einsatz des Spiegels wird die in Fig. 4 dargestellte Kaustik vermessen. Anhand der beiden deutlich gegeneinander verschobenen Halbachsen-Parabeln der x- und y-Richtung ist der Astigmatismus der Laserstrahlung deutlich zu erkennen. Die Bearbeitungsebene liegt im Minimum der Halbachsen-Parabel der y- Richtung bei z = -2 mm. Die Halbachse w_y in dieser Ebene beträgt 136 µm. Die kurze Ellipsenhalbachse w_x senkrecht zur Schweißvorschubrichtung bestimmt sich gemäß A = p w_xw_y zu w_x = 455 µm. Fig. 5 zeigt in einer dreidimensionalen Darstellung die Leistungsdichteverteilung der durch den konzipierten Offaxis-Paraboloid erzeugten Laserstrahlung. Abgetragen ist die Intensität 1 (vertikale Achse) gegenüber der Ausdehnung des Strahls in x- und y-Richtung. Der Fuß dieses Intensitätsgebirges definiert den angestrebten länglichen Brennfleck.

Claims (15)

1. Verfahren zur Erhöhung der Prozeßstabilität bei der Lasermaterialbearbeitung, bei dem Laserlicht mit einem länglichen Brennfleck auf das zu bearbeitende Werkstück gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Intensitätsverteilung innerhalb des Brennflecks generiert wird, deren Schwerpunkt bezogen auf die Ausdehnung des Brennflecks in Vorschubrichtung nicht in der Mitte liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Intensitätsschwerpunkt bezogen auf die Ausdehnung des Brennflecks in Vorschubrichtung im vorderen Bereich liegt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Feldstärkevektor des beaufschlagenden Laserlichts parallel zur Vorschubrichtung liegt.

4. Verfahren zur Erhöhung der Prozeßstabilität bei der Lasermaterialbearbeitung, bei dem Laserlicht mit einem länglichen Brennfleck auf das zu bearbeitende Werkstück gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Laserlicht von einem Laser zur Verfügung gestellt wird, dessen Resonatormedium eine räumlich inhomogene Konzentration von laseraktiven Molekülen, Atomen oder Ionen aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Intensitätsschwerpunkt des emittierten Lichts innerhalb einer Ebene senkrecht zur Strahlrichtung nicht auf der Strahlachse liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4-5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Feldstärkevektor innerhalb des Brennflecks auf der Werkstückoberfläche parallel zur Vorschubrichtung liegt

7. Vorrichtung zur Erhöhung der Prozeßstabilität bei der Lasermaterialbearbeitung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-3, bei dem das beaufschlagende Laserlicht einen länglichen Brennfleck auf dem zu bearbeitenden Werkstück bildet, dadurch gekennzeichnet, daß zur Generierung des Brennflecks ein nicht-rotationssymmetrischer Fokussierspiegel vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht-rotations­ symmetrische Fokussierspiegel einen gezielt bemessenen Astigmatismus derart erzeugt, daß zwei verschiedene Brennweiten f_x und f_y für die Fokussierung in zwei zueinander senkrechten Richtungen vorgesehen sind, welche nachfolgend als x- und y-Richtung bezeichnet werden, daß zur Bereitstellung des gewählten Strahlradius w_x in x-Richtung eine Brennweite f_x des nicht-rotationssymmetrischen Fokussierspiegels für die Fokussierung in x-Richtung gewählt wird, und für das Einstellen des Strahlradiuses w_y in y-Richtung die Brennweite f_y des nicht-rotationssymmetrischen Fokussierspiegels für die Fokussierung in y-Richtung so bemessen ist, daß die unter Verwendung einer rotationssymmetrischen Hilfsoptik mit Brennweite f = f_x fokussierte Laserstrahlung mit einer Kaustikmessung vermessen wird, und sich mit der daraus ermittelten Rayleighlänge z_R der mit der Hilfsoptik fokussierten Laserstrahlung sowie des Strahlradienverhältnisses e = w_x/w_y eine Brennweite f_y gemäß
vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Fokussierspiegels durch eine elliptisch-parabolische Funktion beschrieben werden kann.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-9, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht-rotationssymmetrische Fokussierspiegel mit einem Koma behaftet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Koma definiert über eine asymmetrisch ausgelegte Oberfläche des Fokussierspiegels eingebracht wird.

12. Vorrichtung zur Erhöhung der Prozeßstabilität bei der Lasermaterialbearbeitung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-3, bei dem Laserlicht mit einem länglichen Brennfleck auf das zu bearbeitende Werkstück gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Offaxis-Parabolspiegel zur Bereitstellung eines länglichen Brennflecks mit genau definierten Strahlradien in zwei zueinander senkrechten Richtungen vorgesehen ist, wobei die Abbildungseigenschaften des Offaxis-Parabolspiegels die Abbildungseigenschaften eines nicht-rotationssymmetrischer Fokussierspiegels approximieren, wobei der nicht-rotationssymmetrische Fokussierspiegel derart mit einem gezielt bemessenen Astigmatismus versehen ist, daß zur Bereitstellung des gewählten Strahlradius entlang der x-Achse w_x eine geeignete Brennweite f_x des nicht­ rotationssymmetrischer Fokussierspiegels für die Fokussierung in x-Richtung gewählt wird, und für das Einstellen des zweiten Strahlradius w_y in y-Richtung die Brennweite f_y des nicht-rotationssymmetrischer Fokussierspiegels für die Fokussierung in y-Richtung so bemessen ist, daß die unter Verwendung einer in x-Richtung fokussierenden Hilfsoptik mit Brennweite f = f_x erzeugte Laserstrahlung mit einer Kaustikmessung vermessen wird und sich mit der daraus ermittelten Rayleighlänge z_R sowie des Strahlradienverhältnisses ε = w_x/w_y eine Brennweite f_y gemäß
vorgesehen ist, und zur obigen Approximation mit Hilfe eines Raytracing-Programms ein Parabolspiegel mit variablem Radius, Scheitelpunktkoordinaten und Orientierung vorgesehen ist, dessen Abbildungseigenschaften durch die beiden Brennweiten f_x und f_y bestimmt werden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Offaxis- Parabolspiegel mit einem Koma behaftet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Koma definiert über eine asymmetrisch ausgelegte Oberfläche des Offaxis-Parabolspiegels eingebracht wird.

15. Verwendung eines Lasers mit nicht-zylinderförmiger Resonatorgeometrie zur Durchführung nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-3.