DE10222500A1

DE10222500A1 - Laser drilling or welding method has apertured shield plate positioned between workpiece surface and laser beam

Info

Publication number: DE10222500A1
Application number: DE10222500A
Authority: DE
Inventors: Johannes Wais
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-05-22
Filing date: 2002-05-22
Publication date: 2003-12-18

Abstract

The method has a shield plate (4) with at least one opening positioned between the workpiece (7) and the laser beam (6), so that the laser beam impinges on the surface of the workpiece via the opening. The shield plate can be provided by a wolfram foil, applied indirectly to the surface of the workpiece, the opening corresponding in size to the diameter of the laser beam upon incidence with the workpiece surface. An Independent claim for a device for laser drilling or welding is also included.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Materialbearbeitung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine entsprechende Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7. The present invention relates to a method for Material processing according to the generic term of Claim 1 and a corresponding device the preamble of claim 7.

Stand der TechnikState of the art

In zahlreichen Verfahren zur Materialbearbeitung unter Verwendung eines Lasers, beispielsweise dem Laserbohren oder dem Laserschweißen, wird der Laserstrahl auf das Material gerichtet bzw. fokussiert. Das Material wird so durch den Laserstrahl erhitzt, aufgeschmolzen und teilweise verdampft. Das aufgeschmolzene und verdampfte Material wird beispielsweise beim Laserbohren aus dem Bohrloch mit hoher kinetischer Energie ausgetrieben. Anschließend kühlt es ab und kondensiert teilweise wieder. Hierbei entstehen sehr kleine Partikel mit einer typischen Größe von unter 10 µm. Diese lagern sich im Bereich um die Bohrung wieder an. Durch Akkumulation entstehen hierbei Ablagerungsschichten. In numerous processes for material processing under Use of a laser, for example laser drilling or laser welding, the laser beam is applied to the Material directed or focused. The material will be like this heated, melted and partially by the laser beam evaporated. The melted and evaporated material will for example when laser drilling from a high-borehole expelled kinetic energy. Then it cools down and partially condenses again. This creates a lot small particles with a typical size of less than 10 µm. These accumulate again in the area around the hole. Accumulation layers are created here.

Abhängig von der kinetischen Auftreffenergie und der Partikeltemperatur kann eine starke Haftung der Ablagerungen bis hin zu einer metallischen Verbindung mit dem Grundmaterial entstehen. Zur Entfernung dieser Ablagerungen beziehungsweise Verschmutzungen werden derzeit chemische und mechanische Reinigungsverfahren eingesetzt, welche sich als relativ Zeit- und kostenintensiv erweisen. Depending on the kinetic impact energy and the Particle temperature can adhere strongly Deposits up to a metallic connection with the basic material. To remove this Deposits and soiling are currently chemical and mechanical cleaning processes are used, which prove to be relatively time and cost intensive.

Auf dem Gebiet der Medizintechnik sind Laserschilde bekannt, welche im Rahmen von Laserchirurgiebehandlungen den Patienten vor fehlgeleiteten bzw. reflektierten Laserstrahlen zu schützen. Ein derartiger Laserschild ist beispielsweise aus der US 4,901,738 bekannt. Laser shields are in the field of medical technology known, which in the context of laser surgery treatments the patient from misguided or reflected Protect laser beams. Such a laser shield is known for example from US 4,901,738.

Die vorliegende Erfindung strebt eine Vereinfachung bekannter Laserbearbeitungsverfahren dahingehend an, daß auf eine Reinigung des Werkstücks von abgelagerten Partikeln nach einer Laserbearbeitung weitgehend verzichtet werden kann. The present invention seeks to simplify known laser processing methods in that on cleaning the workpiece from deposited Particles largely avoided after laser processing can be.

Dieses Ziel wird erreicht mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7. This goal is achieved with a procedure with the Features of claim 1 and a device with the features of claim 7.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Erfindungsgemäß kann bei einer Laserbearbeitung eines Werkstückes durch Zwischenschaltung eines mit einer Öffnung ausgebildeten Schildes in wirksamer Weise verhindert werden, daß durch den Laserstrahl abgetragene Partikel sich auf der Werkstückoberfläche in der Umgebung der Bearbeitungsstelle wieder anlagern können. Eine Reinigung eines bearbeiteten Werkstücks im Anschluß an die Laserbearbeitung ist somit nicht mehr oder in deutlich geringerem Umfang erforderlich. According to the invention, a Workpiece by interposing one with an opening trained shield effectively prevented be that ablated by the laser beam on the workpiece surface in the vicinity of the Can reinstall processing point. A cleaning of a machined workpiece following the Laser processing is therefore no longer clear to a lesser extent.

Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche. Preferred embodiments of the invention Process or the device according to the invention Subject of the subclaims.

Zweckmäßigerweise weißt die Öffnung in dem Schild im wesentlichen die gleichen Abmessungen wie der Laserstrahl bei seinem Auftreffen auf dem Werkstück bzw. der Werkstückoberfläche auf. Hierdurch ist ein optimaler Schutz umliegender Bereiche des Werkstücks vor Verschmutzungen realisierbar. The opening in the sign expediently knows in the essentially the same dimensions as the laser beam when it hits the workpiece or the Workpiece surface. This is an optimal protection surrounding areas of the workpiece from contamination realizable.

Zweckmäßigerweise wird der Laserstrahl fokussiert. Durch Fokussierung des Laserstrahls können gewünschte bzw. zur Materialbearbeitung notwendige Energiedichten in einfacher Weise punktgenau realisiert werden. The laser beam is expediently focused. By Focusing the laser beam can be desired or Material processing necessary energy densities in simple Be realized with pinpoint accuracy.

Es ist bevorzugt, den Schild als Folie, insbesondere unter Verwendung eines hochtemperaturfesten Werkstoffes z. B. Wolfram, auszubilden. Mit Wolfram sind dünne, flexible und hochschmelzende Folien herstellbar, deren Verwendung sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung als zweckmäßig erweist. It is preferred to use the shield as a film, especially under Use of a high temperature resistant material e.g. B. Tungsten to train. With tungsten are thin, flexible and high-melting films can be produced, the use of which in the context of the present invention as appropriate proves.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der Schild, insbesondere die Folie, unmittelbar auf dem zu bearbeitenden Werkstück auf. Mit dieser Maßnahme können Verschmutzungen auf ein Minimum reduziert werden. According to a preferred embodiment of the invention the shield, especially the foil, directly on the to machining workpiece. With this measure you can Soiling is reduced to a minimum.

Es ist bevorzugt, das erfindungsgemäße Verfahren im Rahmen eines laserbasierten abtragenden Verfahrens, insbesondere eines Laserbohrers, Laserabtragens, Laserstrukturierens oder Laserschneidens, einzusetzen. It is preferred to frame the method according to the invention a laser-based ablation process, in particular a laser drill, laser ablation, laser structuring or laser cutting.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt die Fokussierung des Laserstrahls unter Verwendung einer Laseroptik. Eine derartige Optik, erlaubt in einfacher Weise eine zielgenaue Ausrichtung des Laserstrahls. Die Laserbearbeitung kann wahlweise mit oder ohne ein Bearbeitungs- bzw. Schutzgas erfolgen. According to a preferred embodiment of the The device according to the invention is focused Laser beam using laser optics. A such optics, allows a targeted accurate in a simple manner Alignment of the laser beam. Laser processing can optionally with or without a processing or protective gas respectively.

drawing

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter erläutert. In dieser zeigt The present invention will now be described with reference to the accompanying Drawing explained further. In this shows

Fig. 1 in schematischer seitlicher Schnittansicht eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und Fig. 1 shows a schematic side sectional view of a preferred embodiment of the device according to the invention, and

Fig. 2 vergrößerte Abbildungen einer Oberfläche eines Werkstücks nach der Durchführung einer Laserbohrung ohne bzw. mit Einsatz der vorliegenden Erfindung. Fig. 2 enlarged images of a surface of a workpiece after performing a laser drilling without or with the use of the present invention.

In Fig. 1 ist die dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung insgesamt mit 1 bezeichnet. Die Vorrichtung weist eine Halterung 2 auf, welche eine Seitenwand 2a und einen von dieser radial nach innen vorstehenden Vorsprung 2b umfasst. Der Vorsprung ist mit einer Klemmvorrichtung 3 ausgebildet, in welche ein insbesondere als Folie 4 ausgebildeter Wolfram-Schild einspannbar ist. Die Vorrichtung weist ferner eine konisch zulaufende Laserdüse 5 auf, aus deren Spitze ein Laserstrahl (schematisch angedeutet und mit 6 bezeichnet) austreten kann. Die Düse dient gleichzeitig der Führung und Formung eines bei Bedarf einzusetzenden Bearbeitungs- bzw. Schutzgases. In Fig. 1, the illustrated embodiment of the device according to the invention is generally designated 1. The device comprises a holder 2, which includes a side wall and 2 a one of the radially inwardly projecting protrusion 2 b. The projection is formed with a clamping device 3 , in which a tungsten shield, in particular a film 4 , can be clamped. The device also has a tapered laser nozzle 5 , from the tip of which a laser beam (indicated schematically and denoted by 6) can emerge. The nozzle also serves to guide and form a processing or protective gas to be used if required.

Die Vorrichtung wird derart positioniert, daß die Folie 4 unmittelbar auf einem Werkstück 7 zur Auflage kommt. The device is positioned such that the film 4 comes to rest directly on a workpiece 7 .

Die Folie 4 ist mit wenigstens einer Öffnung ausgebildet (in Fig. 1 nicht dargestellt), durch welche der aus der Laserdüse austretende Laserstrahl auf das Werkstück gerichtet werden kann. Schießt nun der Laserstrahl durch die Öffnung auf das Werkstück, führt dies zur Ausbildung eines entsprechenden Abtrages bzw. einer entsprechenden Bohrung in dem Werkstück. Dieses Loch wird durch den Laser selbst erzeugt. Hierbei aufgeschmolzenes und verdampftes Material tritt entgegen der Strahlrichtung des Laserstrahls aus der Öffnung aus und lagert sich auf der der Laserdüse 6 zugekehrten Oberfläche 4a der Folie 4 ab. Durch die Schildwirkung bzw. die die Öffnung umgebende Folie wird also eine Anlagerung von Partikeln auf dem Werkstück, wie dies beim Stand der Technik auftrat, weitgehend verhindert. The film 4 is formed with at least one opening (not shown in FIG. 1) through which the laser beam emerging from the laser nozzle can be directed onto the workpiece. If the laser beam now shoots through the opening onto the workpiece, this leads to the formation of a corresponding removal or a corresponding hole in the workpiece. This hole is created by the laser itself. Melted and vaporized material emerges from the opening counter to the direction of the laser beam and is deposited on the surface 4 a of the film 4 facing the laser nozzle 6 . The shielding effect or the film surrounding the opening thus largely prevents particles from depositing on the workpiece, as occurred in the prior art.

Die Tiefe bzw. die Dimensionierung des in dem Werkstück entstehenden Loches wird durch die Dauer und Intensität sowie Strahleigenschaften der Laserbestrahlung definiert, wobei der Laser zweckmäßigerweise in gepulstem Modus verwendet wird. Die Entfernung von Verschmutzungen auf der Folie kann bei Bedarf beispielsweise zwischen den Laserpulsen erfolgen. Hierzu erweist es sich als vorteilhaft, einen rotierenden, auf die Laserpulse synchronisierten Propeller (ebenfalls nicht dargestellt) einzusetzen. The depth or the dimensioning of the in the workpiece resulting hole is determined by the duration and intensity as well as beam properties of laser radiation defined, the laser expediently in pulsed mode is used. The removal of dirt on the If necessary, the film can be between the Laser pulses take place. For this it turns out to be advantageous, a rotating, on the laser pulses synchronized propeller (also not shown) use.

In Fig. 2 sind die Oberflächen eines mittels Laserbohrung bearbeiteten Werkstücks 10a bzw. 10b dargestellt. Es sei darauf hingewiesen, daß die einzelnen Bohrungen bzw. Löcher, mit 11a bzw. 11b bezeichnet, jeweils einen Durchmesser von etwa 100 µm aufweisen. In FIG. 2, the surfaces of a machined by means of laser drilling a workpiece 10 are shown and b 10. It should be noted that the individual bores or holes, designated 11a and 11b, each have a diameter of approximately 100 μm.

Die links dargestellte Oberfläche zeigt eine bearbeitete Oberfläche eines metallischen Werkstücks ohne Verwendung des erfindungsgemäßen Schildes. Man erkennt, daß sich das abgetragene Material in der Umgebung der Bohrungen 10a wieder auf der Oberfläche angelagert hat. The surface shown on the left shows a machined surface of a metallic workpiece without using the shield according to the invention. It can be seen that the removed material has accumulated again on the surface in the vicinity of the bores 10 a.

Die rechte Darstellung zeigt eine laserbearbeitete Oberfläche unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Man erkennt, daß hier keine Ablagerungen zwischen den einzelnen Bohrungen 11b entstanden sind. The illustration on the right shows a laser-processed surface using the method according to the invention. One can see that here no deposits between the individual holes 11 are formed b.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Anbringung einer Anzahl von Bohrungen in einem Werkstück durch eine Relativbewegung zwischen Werkstück 7 und Folie 4 bewerkstelligt werden kann. In der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist es beispielsweise möglich, das Werkstück um seine Mittelachse zu drehen. Hierbei kann es durch die relative Bewegung zwischen Folie und Werkstück zu mikroskopisch kleinen Riefen kommen, welche in der rechten Darstellung der Fig. 2 mit 12 bezeichnet sind. Als Beispiel eines erfindungsgemäß zu bearbeitenden Werkstücks sei beispielhaft ein Einspritzventil genannt. It should be noted that a number of holes can be drilled in a workpiece by a relative movement between workpiece 7 and film 4 . In the embodiment according to FIG. 1, it is possible, for example, to rotate the workpiece about its central axis. Here, the relative movement between the film and the workpiece can lead to microscopic scratches, which are denoted by 12 in the right-hand illustration of FIG. 2. An injection valve may be mentioned as an example of a workpiece to be machined according to the invention.

Claims

1. A method for material processing by means of a laser beam, characterized in that a shield ( 4 ) formed with at least one opening is positioned between a workpiece to be machined ( 7 ; 10 a, 10 b) and the laser beam ( 6 ), and the laser beam ( 6 ) through the opening through the workpiece ( 7 ; 10 a, 10 b) is directed.

2. The method according to claim 1, characterized in that the opening in the shield ( 4 ) substantially corresponds to the dimensions of the laser beam ( 6 ) when it hits the workpiece ( 7 ; 10 a, 10 b).

3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the laser beam ( 6 ) is focused or otherwise manipulated such that an energy density required for processing is achieved.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the shield ( 4 ) is made using tungsten or another material and is in particular designed as a film.

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the shield ( 4 ) is applied directly to the workpiece to be machined.

6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that it is part of a laser-based ablation process, especially one Laser drilling, laser ablation, laser structuring or Laser cutting is used.

7. Device for machining a workpiece, with means ( 5 ) for directing or focusing a laser beam ( 6 ) onto the workpiece, characterized in that a plate ( 4 ) formed with at least one opening can be positioned in this way by means of a holder ( 2 ) that the laser beam can be directed onto the workpiece through the opening.

8. The device according to claim 7, characterized in that the laser beam can be focused by means of laser optics ( 5 ).

9. Device according to one of claims 7 or 8, characterized in that the shield ( 4 ) is made using a high temperature-resistant material, in particular tungsten.

10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the opening of the shield ( 4 ) by means of the laser beam ( 6 ) are generated or can be introduced in advance by other methods.