Derartige Verfahren und Vorrichtungen zur Materialbear- beitung, bei der mindestens ein Bearbeitungswerkzeug in Form eines Laserstrahls in Kombination mit anderen Bearbeitungs- werkzeugen, zum Beispiel Laserstrahlen und/oder Lichtbögen und/oder Plasmastrahlen und/oder einem oder mehrerer anderen Energie-oder Teilchenstrahlen eingesetzt wird, zum Beispiel Flamme, spanende Werkzeuge, Wasserstrahl, Elektronenstahl sind bekannt. Als repräsentative Beispiele können hierzu die Veröffentlichungen, Schutzrechtsanmeldungen und Schutzrechte des Fraunhofer ILT zum sogenannten Laser-Lichtbogen Hybrid- schweißen herangezogen werden.

Die Hybridtechnik beruht dabei auf der Kombination des Laserstrahlschweißens mit dem Metallschutzgasschweißen, im folgenden MSG genannt, also dem Metall-Inert-Gas-, im folgen- den MIG genannt, oder Metall-Aktiv-Gas-Schweißen, im folgen-

den MAG genannt oder mit dem Wolfram-Inert-Gasschweißen, im folgenden WIG genannt.

Dazu wird auf folgende Schutzrechte verwiesen : - Düsenanordnung zum gleichzeitigen Schweißbearbeiten mit einem Laserstrahl und mit einem Lichtbogen (DE 196 27 803 Cl) ; - Verfahren zum Verschweißen von Werkstücken (DE 195 00 512) ; - Verfahren zum Schweißen von Werkstücken mit Laser- strahlung (EP 0 800 434 B1).

Bei den folgend aufgeführten Beispielen bezüglich des Standes der Technik wird die Tiefschweißwirkung der fokus- sierten Laserstrahlung mit zusätzlicher Energie und im Falle des Schutzgasschweißens auch mit zusätzlicher Werkstoffzugabe aus einem Lichtbogen kombiniert. Zusatzenergie und gegebenen- falls Zusatzwerkstoff dienen zum Beispiel zur Überbrückung von Fügespalten oder zum Ausgleich von Kantenversatz. Der Wirkungsgrad, die Produktivität und die Qualität des Hybrid- prozesses sind den Eigenschaften der Einzelprozesse überle- gen.

Eine weitere Möglichkeit nutzt die Kombination unter- schiedlicher Laserstrahlquellen, zum Beispiel stark fokus- sierte C02-Laserstrahlung mit Diodenlaserstrahlung größerer zum Beispiel linien-oder ringförmiger Wirkflächen, um ein Vor-oder Nachwärmen des Gutes oder eine Vergrößerung des Schmelzvolumens und dadurch dessen bessere Entgasung zu er- reichen, siehe zum Beispiel S. Bouss, B. Brenner, E. Beyer : Innovations in laser hybrid technology, Industrial Laser So- lutions, January 2001, Penn Well. Des weiteren nutzt ein Pa- tent des Fraunhofer ILT zum Abrand-stabilisierten Brenn-

schneiden die Kombination von mehreren Laserstrahlen oder die Kombination von Laserstrahlung mit anderen Energiequellen aus (DE 41 15 561 C2).

Ferner verwenden sowohl Verfahren der Lasermaterialver- arbeitung als auch Lichtbogenprozesse, zum Beispiel MIG/MAG oder WIG zur Zeit bei alleiniger Verwendung für die Material- bearbeitung oder auch in hybrider Kombination mit anderen Werkzeugen teilweise bereits die Möglichkeit der Pulsmodula- tion zur zeitlichen Steuerung des Bearbeitungsprozesses. Be- stimmte Laserquellentypen verfügen allerdings gar nicht über einen Dauer-Betrieb, sondern sind nur im Pulsbetrieb einsetz- bar.

Eine Pulsmodulation von Strahlungs-, Lichtbogen-, Plas- ma-oder anderen Energie-, Impuls-oder Teilchenquellen, zum Beispiel Flamme, spanende Werkzeuge, Wasserstrahl, Elektro- nenstrahl dienen bei den Einzelverfahren zum Beispiel : - der gezielten Beeinflussung der Wechselwirkungszeit, - der dosierten und portionsweisen Energieeinbringung, - dem dosierten, portionsweisen Materialabtrag (zum Bei- spiel beim Perkussionsbohren), - der schonenden Materialbearbeitung mit reduzierter Wärmeeinflußzone durch die Verwendung kurzer Pulsan- und langer Pulsauszeiten, - der sicheren Tropfenablösung (MSG), - dem verbesserten Materialübergang (MSG), - der Spritzerminimierung (MSG), - der Prozeßstabilisierung in ansonsten instabilen Ar- beitsbereichen, zum Beispiel exotherme Überreaktion beim Brennschneiden mit Wärmestau, unruhiger Über- gangs-Lichtbogen beim Schutzgasschweißen im mittle- ren Stromstärkebereich, - der Erhöhung der Energiestromdichte im Puls bei gegen- über dem Dauer-Betrieb verminderter oder gleicher

mittlerer Stromdichte und Streckenenergie, und - der kurzzeitigen Erhöhung der Prozeßtemperatur und/ oder des Verdampfungsanteils in der Wechselwirkungs- zone.

Bei den bisherigen bekannten Techniken wird vor allem die eingeschränkte Beeinflußbarkeit des Kopplungsgrades der einzelnen Verfahren bei der Kombination zu einem Hybridver- fahren als nachteilig empfunden.

Bisher wird zur Festlegung des Kopplungsgrades vor allem der Abstand bzw. der Überlappungsgrad der Wirkbereiche ge- nutzt. Um zum Beispiel die Kopplung von Laserstrahlen und Lichtbogen zu verstärken, werden ihre Fußpunkte auf dem Werk- stück angenähert. Um sie zu unterdrücken, werden die Fußpunk- te voneinander entfernt. Dabei wird aber gleichzeitig die Größe und Form der Wechselwirkungsgeometrie und die effektive Einwirkzeit verändert, was in bestimmten Fällen sehr nachtei- lig sein kann. Einige Beispiele werden dies nun näher erläu- tern.

Gerade beim Einsatz von CO2-Lasern ist auf die Vermei- dung einer Plasmaabschirmung der Laserstrahlung im Lichtbogen oder Plasma zu achten. Gleichzeitig wird aber eine Führung und/oder Konzentration des Lichtbogens durch den fokussierten Laserstrahl angestrebt. Damit liegen sich einander negativ beeinflussende Ziele vor.

Ähnliches kann für die Kombination, zum Beispiel hin- sichtlich der Wellenlänge unterschiedlicher Laserstrahlungen gelten, wenn zum Beispiel eine starke Kopplung einerseits zur Ausnutzung der absorbtionserhöhenden Wirkung auf dem Werk- stück vorteilhaft ist, zum Beispiel durch die Erzeugung von periodischen Oberflächenstrukturen, andererseits aber eine zu starke Kopplung zur Störung zumindest eines der Verfahren führt, zum Beispiel dadurch, daß dessen Laserstrahlung im

durch die andere Laserstrahlung entstehenden Materialdampf oberhalb des Werkstücks absorbiert oder gestreut wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver- fahren bzw. eine Vorrichtung der Eingangs genannten Arten an- zugeben, die es ermöglichen, mit technisch einfachen Mitteln den Kopplungsgrad und gegebenenfalls auch die Kopplungsart bei der Wirkung der Einzelverfahren in der eingesetzten Hy- bridtechnik gezielt und variabel auf elektronischem Wege ein- stellbar zu gestalten.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs ge- nannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine synchro- nisierte, also synchrone oder asynchrone, Modulation des einen Bearbeitungswerkzeugs bei der Kombination mit dem ebenfalls pulsmodulierten weiteren Bearbeitungswerkzeug durchgeführt wird.

Mit der Erfindung wird daher der Kopplungsgrad und gege- benenfalls auch die Kopplungsart bei der Wirkung der Einzel- verfahren in der eingesetzten Hybridtechnik gezielt und va- riabel auf elektronischem Wege ohne mechanische Verstellungen am Werkzeug einstellbar, vor allem ohne zwangsläufig auf eine Veränderung des örtlichen Abstandes der Wechselwirkungsberei- che der Einzelverfahren auf oder im Werkstück angewiesen zu sein und ohne auf aus anderen Gründen vorteilhafte Abstands- einstellungen, zum Beispiel den Abstand 0, verzichten zu müs- sen. Die Werkzeugbestandteile, sind dadurch gezielt synchro- nisiert.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist es vorge- sehen, daß das eine Bearbeitungswerkzeug und das mindestens eine weitere Bearbeitungswerkzeug mit gleicher oder mit rela- tiv zueinander ganzzahlig vielfacher Pulsfrequenz moduliert werden und ihre Pulsmodulationen in einer festen oder varia- bel gesteuerten oder geregelten Phasenbeziehung stehen.

Eine besonders einfache Steuerung der Modulation ist dann gegeben, wenn die Pulssteuersignale mindestens eines pulsmodulierten Bearbeitungswerkzeugs als Mastersignal ver- wendet wird zur Triggerung einer synchronisierten Ansteuerung der Pulsmodulation mindestens eines weiteren Bearbeitungs- werkzeugs im Slavebetrieb.

Damit schneller und auch einfacher auf Änderungen im Prozeßablauf und auch für die Eingabe reagiert werden kann, ist es vorteilhaft, wenn die Phasenbeziehung in Abhängigkeit von und/oder zur Beeinflussung einer oder mehrerer Prozeßpa- rameter und/oder in Abhängigkeit von Sensorsignalen gesteuert und/oder geregelt wird.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß eine gleichphasige Synchronisation durchgeführt wird. Es ist aber auch möglich, daß eine gegenphasige Synchronisation durchgeführt wird.

Eine besonders einfache Synchronisation kann dann er- reicht werden, wenn der Slavepuls am Anfang oder am Ende des Masterpulses oder umgekehrt erzeugt wird.

Ferner ist es vorgesehen, daß Einzelpulse oder Pulspake- te erzeugt werden.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die gegebenenfalls nicht extern, das heißt nicht von außerhalb der Werkzeugquel- lensteuerung, ansteuerbare Strahlung bzw. das Bearbeitungs- werkzeug oder das intern mit variabler Pulsfrequenz prozeß- geregelte Bearbeitungswerkzeug der Master ist. Letzteres ist beispielsweise für modernere digitale Stromquellen von Licht- bogenprozessen oder rotierende, spanend bearbeitende Werkzeu- ge wie zum Beispiel Fräsköpfe, deren Drehfrequenz hier als Pulsfrequenz zu verstehen ist, anwendbar.

Außerdem ist es vorgesehen, daß das weitere Bearbei- tungswerkzeug eine Lasereinrichtung und/oder eine Lichtbogen- strahlungseinrichtung und/oder eine Plasmastrahlungseinrich- tung und/oder eine oder mehrere andere Energie-, Impuls-oder Teilchenquelle ist.

Ein weiteres vorteilhaftes Verfahren ist dadurch gege- ben, die Bearbeitung von Werkstoffen aus der folgenden Aufli- stung auswählbar ist : - Trenn-und Abtragverfahren, insbesondere Schneiden, Bohren, Abtragen, Perforieren, Ritzen, Gravieren, Strukturieren oder Reinigen, - Fügeverfahren, insbesondere Schweißen, Löten oder Bon- den, - Beschichtungs-und Aufbauverfahren, insbesondere Be- schichten, Generieren, selektives Sintern oder Rapid Prototyping, - Oberflächenbehandlung und-Veredelung, insbesondere Härten, Umschmelzen, Legieren, Dispergieren, Polieren und Beschriften, Formen und Biegen, wobei die Kombination der Bearbeitungswerkzeuge derart ge- staltet ist, daß ihre Wirkungsbereiche, die gegebenenfalls Wirkungen unterschiedlichster Art ausgesetzt sind, auf oder im Werkstück während des Bearbeitungsvorganges überlappen oder unmittelbar benachbart sind.

Des weiteren wird die Aufgabe für eine Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst, durch einen ersten Pulsgenerator zur Modulation der Laserstrahlung, einen zweiten Pulsgenerator zur Modulation des weiteren Bearbei- tungswerkzeugs und durch einen Synchronisator zur synchronen Modulation der Kombination.

Vorteilhafte Ausführungsformen dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den weiteren Unteransprüchen angegeben.

Da diese im wesentlichen den das Verfahren weiterbildenden Unteransprüchen entsprechen, wird auf detaillierte Beschrei- bung derselben verzichtet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele sowie aus den Figuren, auf die Bezug genommen wird. Es zei- gen : Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Master-Slave-Triggerung für die Synchronisation der Pulsmodulation mit fe- ster bzw. geregelter Phasenbeziehung ; und Fig. 2 mehrere Diagramme als Beispiele für charakteri- stische Phasenbeziehungen bei synchronisierter Pulsmodulation für Hybridverfahren.

Anhand der Fig. 1 und 2 werden nunmehr Verfahren und Vor- richtungen zur Hybridbearbeitung von Werkstoffen durch Kombi- nieren eines Bearbeitungswerkzeugs mit mindestens einem wei- teren Bearbeitungswerkzeug, wobei mindestens ein Bearbei- tungswerkzeug Laserstrahlung verwendet.

In Fig. 1 ist schematisch eine Vorrichtung 10 zur hybri- den Bearbeitung von Werkstoffen durch ein Bearbeitungswerk- zeug in Kombination mit mindestens einem weiteren Bearbei- tungswerkzeug dargestellt. Die Vorrichtung 10 enthält in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen ersten Pulsgenerator 12 zur Modulation einer Laserstrahlung als ein Bearbeitungswerk- zeug. Des weiteren enthält die Vorrichtung 10 einen zweiten Pulsgenerator 14 ebenfalls zur Modulation des weiteren Bear- beitungswerkzeugs.

Zwischen dem ersten Pulsgenerator 12 und dem zweiten Pulsgenerator 14 ist ein Synchronisator 16 zwischengeschal- tet, der bei der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung 10 Ausgabe- werte des ersten Pulsgenerators 12 erhält und wiederum Ausga-

bewerte dem zweiten Pulsgenerator 14 eingibt. Des weiteren erhält der Synchronisator 16 Eingabewerte, die in Fig. 1 mit einer punktierten Linie dargestellt sind.

Ferner gibt der erste Pulsgenerator 12 auch Ausgabewerte einer ersten Quelle 20 ein, die im gezeigten Ausführungsbei- spiel als Mastersignal verwendet wird. In einigen Fällen kann es aber vorteilhafter sein, die Quelle 22 des weiteren Bear- beitungswerkzeugs als Master zu verwenden.

In ähnlicher Art und Weise gibt der zweite Pulsgenerator 14 einer zweiten Quelle 22 Ausgabewerte ein, die in dem ge- zeigten Ausführungsbeispiel als Slave-Signal bzw. für den Slave-Betrieb verwandt wird.

Es werden also mittels der ersten und der zweiten Quelle 20 und 22 Pulssteuersignale des mindestens einen Pulsgenera- tors 12 als Mastersignal verarbeitet zur Triggerung einer synchronen Ansteuerung der Pulsmodulation der Pulssteuersig- nale des mindestens einen weiteren Pulsgenerators 14 im Slave-Betrieb.

Wie in Fig. 1 angedeutet, gibt es Eingabeeinrichtungen für Prozeßparameter sowie Sensoren für Prozeßergebnisse zur Steuerbarkeit und/oder Regelbarkeit der Phasenbeziehung in Abhängigkeit und/oder zur Beeinflussung eines oder mehrerer Prozeßparameter und/oder in Abhängigkeit von Sensorsignalen.

Die jeweiligen Ausgabesignale der ersten Quelle 20 und der zweiten Quelle 22 werden für den Prozeßbetrieb verwandt, was in Fig. 1 in dem Kasten"Prozeß"mit den Bezugszeichen 24 angedeutet ist.

Die oben erwähnten Sensorsignale werden einem Regler 18 zugeführt, der wiederum mit einer Eingabeeinrichtung und so-

mit darüber auch wieder mit dem Synchronisator 16 verbunden ist.

Die ersten und zweiten Pulsgeneratoren 12 und 14 und der Synchronisator 16 sind daher dazu ausgelegt, die Laserstrah- lung und das mindestens eine weitere Bearbeitungswerkzeug re- lativ zueinander ganzzahlig vielfache Pulsfrequenz zu modu- lieren und die Pulsmodulationen der ersten und zweiten Puls- generatoren 12 und 14 in einer festen oder mittels des Reg- lers 18 in eine variabel gesteuerte oder geregelte Phasenbe- ziehung zu stellen.

Unter anderem kann der Synchronisator 16 für eine gleichphasige Synchronisation ausgelegt sein. Es ist aber auch möglich, den Synchronisator 16 für eine gegenphasige Synchronisation auszulegen. Schließlich besteht noch die Mög- lichkeit, den Synchronisator 16 für eine Erzeugung des Slave- Pulses am Anfang oder am Ende des Masterpulses oder umgekehrt zu verwenden.

Dabei können die ersten und zweiten Pulsgeneratoren 12 und 14 so ausgelegt sein, daß sie Einzelpulse und/oder Puls- pakete erzeugen können.

In Fig. 2 sind mehrere Diagramme als Beispiele für cha- rakteristische Phasenbeziehungen bei synchronisierter Pulsmo- dulation im Hybridverfahren dargestellt. Das mit a) bezeich- nete Diagramm stellt dabei die Modulation des Masters dar.

Das Diagramm b) gibt die gleichphasige Slave-Modulation wie- der.

Wie sich aus dem Diagramm c) ergibt, ist es auch möglich, die Slave-Modulation mit geringer Phasenverschie- bung, in diesem Fall um tc verschoben, zu verwenden. Dies be- deutet ein endlicher zeitlicher Überlapp der Pulsanzeiten, das kann aber auch bei kürzerer Pulsanzeit des Slave einen

gemeinsamen Pulsabfallzeitpunkt mit dem Master bedeuten.

Schließlich gibt das Didagramm d) eine gegenphasige Slave-Mo- dulation wieder. Dabei ergibt sich kein zeitlicher Überlapp der Pulse, die Pulse können aber auch in direkter Folge ver- laufen. Bei dem Diagramm d) besteht eine Phasenverschiebung von td.

Generell kann also gesagt werden, daß eine gezielte Ein- stellung des Prozeßzyklus durch angepaßte Synchronisation möglich ist. Beispiele für den Prozeßzyklus sind Temperatur-, Eigenspannungs-, Reaktions-, Materialauftrags-, Materialab- trags-, Materialverbindungs-, Materialtrennungs-sowie Pha- senumwandlungs-Zeitverläufe.

Eine starke Kopplung, also eine gleichphasig synchroni- sierte Pulsmodulation, bewirkt eine Verbesserung des Tief- schweißeffektes des Lasers, eine Verbesserung des Pinch-Ef- fektes zur Tropfenablösung des MIG Prozesses sowie eine Ver- besserung der Lichtbogenführung und-Kontraktion durch den fokussierten Laser.

Eine Entkopplung, also eine gegenphasig synchronisierte Modulation, wirkt sich vorteilhaft aus für eine Verhinderung der Laserstrahlabschirmung und/oder-Streuung und/oder-Bre- chung im Lichtbogenplasma. Die zeitliche Trennung und damit Entstörung von Kapillarausbildung und Tropfenablösung mit Werkstoffübergang beim Laser-MIG-Hybridschweißen sind dabei ebenfalls möglich.

Es ist aber auch eine angepaßte Kopplung, also eine ge- zielte Phasenverschiebung der synchronen Pulsmodulation des einen Werkzeugbestandteils bzw. der einen Strahlung erreich- bar. Beispiele dafür sind schwellenabhängige Teilprozesse, die erst nach Erreichen oder Überschreiten einer Prozeß- schwelle durch den Vorpuls des anderen Werkzeugbestandteils bzw. der mindestens einen weiteren Strahlung mit dem entspre-

chend phasenverzögerten Nachpuls effektiv zur Wirkung kommen.

Die Phasenverzögerung wird dabei variiert zur Optimierung von Wirkungsart, Wirkungsgrad, Produktivität, Stabilität sowie Qualität des Hybridprozesses.

Das weitere Bearbeitungswerkzeug kann eine Laserstrah- lung und/oder eine Lichtbogenstrahlung und/oder eine Plasma- strahlung und/oder eine oder mehrere andere Energie-, Impuls-oder Teilchenquellen sein.

Es werden nun einige Wirkungen beschrieben, und zwar der Vorpulsung durch einen Laser, der Vorpulsung durch einen Lichtbogen-oder Plasmastrahl sowie einer Nachpulsung.

Die Wirkungen der Vorpulsung durch einen Laser sind : - Vorwärmen, zum Beispiel zur besseren Benetzbarkeit von Werkstoffen oder zur metallurgischen Einstellung des Prozesses, - Reinigen, - Entschichten,<BR> - Vorionisieren, - chemische Aktivierung, - Vorschmelzen (Vorprozeß).

Die Wirkungen und Auswirkungen der Vorpulsung durch ei- nen Lichtbogen oder einen Plasmastrahl sind : - Vorwärmen, - Absorbtionserhöhung für den Laserstrahl durch Oberflä- chenveränderung, zum Beispiel durch Ändern der Tempe- ratur, Struktur, des Materials und/oder durch eine chemische Reaktion, - Absorbtionserhöhung für den Laserstrahl durch Verände- rung der oberflächennahen Atmosphäre und damit des re- lativen Brechungsindex,

- portionierte Energie-und Materialzufuhr, zum Beispiel zur Überbrückung von Fügespalten.

Eine Nachpulsung kann folgende Wirkungen bzw. Auswirkun- gen haben : - Nachwärmen, - Oberflächenfinish durch Energie-oder Materialzufuhr, - Entgasen der Schmelze beim Schweißen und Beschichten, - Materialabtrag oder Materialverbindung nach Vorberei- tung durch einen Vorpuls, - chemische Reaktion, zum Beispiel Verbinden oder Tren- nen, nach einer Vorbereitung durch einen Vorpuls.

Ferner ist es möglich, folgende Größen zu modulieren : - Leistung, - Strom, - Spannung, - Geschwindigkeit, zum Beispiel des Drahtvorschubes des Zusatzstoffes bzw. der abschmelzenden Elektrode, - Frequenz.

Dabei können die Parameter der Modulation folgender Art sein : - Grundniveau, - Pulsfrequenz, - Pulslänge, Pulspause oder Tastverhältnis, - Pulsspitzenwert, - Haltezeit für den Pulsspitzenwert, - zeitlicher Verlauf des Pulsanstieges, - zeitlicher Verlauf des Pulsabfalls.

Mit der Erfindung wird also der Kopplungsgrad und gege- benenfalls auch die Kopplungsart bei der Wirkung der Einzel-

verfahren mit der eingesetzten Hybridtechnik erzielt und va- riabel auf elektronischem Weg ohne mechanische Verstellungen am Werkzeug einstellbar. Vor allem ohne zwangsläufig auf eine Veränderung des örtlichen Abstandes der Wechselwirkungsberei- che der Einzelverfahren auf oder im Werkstück angewiesen zu sein und ohne auf die aus anderen Gründen vorteilhafte Ab- standseinstellungen, zum Beispiel den Abstand 0, verzichten zu müssen. Es ist des weiteren möglich, wo es vorteilhaft ist, die Kopplung sogar über den Grad hinaus, der bereits al- lein durch vollständige Überlappung der Wechselwirkungszonen bzw. bei identischem Fußpunkt der Einzelprozesse auf oder in dem Werkstück gegeben ist, verstärkt werden kann. Anderer- seits ist durch die Erfindung auch in dieser Konfiguration eine weitgehende Entkopplung der Einzelprozesse erzielbar, soweit es für die hybride Prozeßwirkung wünschenswert ist.

Bezucfszeichenliste : 10 Vorrichtung 12 erster Pulsgenerator 14 zweiter Pulsgenerator 16 Synchronisator 18 Regler 20 erste Quelle 22 zweite Quelle 24 Prozess