DE102021111879A1

DE102021111879A1 - Laserschweißen von Fügepartnern mit einer gekrümmten Oberfläche

Info

Publication number: DE102021111879A1
Application number: DE102021111879.4A
Authority: DE
Inventors: Jonas Kleiner; Daniel Flamm; Felix Zimmermann
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik SE
Priority date: 2021-05-06
Filing date: 2021-05-06
Publication date: 2022-11-10

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Ausbilden einer Schweißverbindung zwischen einem ersten Fügepartner (14) und einem zweiten Fügepartner (15) mit einem Laserstrahl (3) offenbart. Die Schweißverbindung verschweißt eine erste Fügefläche (14B) des ersten Fügepartners (14) mit einer zweiten Fügefläche (15B) des zweiten Fügepartners (15). Mindestens der erste Fügepartner (14) weist eine gekrümmte Oberfläche (14A) auf, auf die der Laserstrahl eingestrahlt wird. Zum Ausbilden einer insbesondere langgezogenen Fokuszone (7) wird der Laserstrahls (3) mit einer Anordnung von diffraktiven, reflektiven und/oder refraktiven Optiken geformt, wobei die Strahlformung eine fokusbildende Strahlformung und eine phasenkorrigierende Strahlformung umfasst. Die phasenkorrigierende Strahlformung wirkt einer Beeinflussung der Propagation des Laserstrahls (3) im Material des ersten Fügepartners (14) durch die gekrümmte Oberfläche (14A) entgegen, sodass die Fokuszone (7) an der ersten Fügefläche (14B) ausgebildet werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden einer Schweißverbindung zwischen Fügepartnern mit einem Laserstrahl. Ferner betrifft die Erfindung eine Laserbearbeitungsanlage mit einem optischen System.
Beim Laserschweißen wird Laserstrahlung, die z.B. hochintensive ultrakurze Laserpulse umfasst, im Bereich von Fügeflächen von zwei oder mehr Fügepartnern fokussiert. Im Fokus der Laserstrahlung werden Intensitäten erzeugt, die zu einem Aufschmelzen des Materials der Fügepartner führen. Die Ausbildung einer definierten Fokuszone bewirkt ein lokalisiertes Aufschmelzen des Materials in einem durch die Fokuszone begrenzten Bereich. Zur Ausbildung einer über die Fokuszone hinausgehenden Schmelzzone kann eine Relativbewegung zwischen Fokuszone und Fügepartnern vorgenommen werden. Die Schmelzzone ist somit von der Geometrie der Fokuszone und der Relativbewegung abhängig. Ihr Ausmaß legt ein räumliches Ausmaß der Schweißverbindung fest.
Die zum Aufschmelzen benötigte Erwärmung erfolgt durch die Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem Material. Die Erwärmung kann zum Beispiel durch lineare Absorption oder nicht-lineare Absorption (wie z.B. Multiphotonen-Absorption im Fall von ultrakurzen hochintensiven Laserpulsen) der Laserstrahlung im Material bewirkt werden. Im Zuge der Abkühlung des aufgeschmolzenen Materials ergibt sich eine unlösbare, stoffschlüssige Verbindung zwischen den Fügepartnern im Bereich der Schmelzzone.
Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laserschweißvorgang für Fügepartner durchzuführen, von denen mindestens einer eine gekrümmte Oberfläche wie die Oberfläche eines Glasrohrs oder eines Glaszylinders aufweist. Insbesondere sollen Strahlformungsansätze, wie sie für die Laserbearbeitung von planen Werkstücken entwickelt wurden, auch bei einem Laserschweißvorgang für Fügepartner mit mindestens einer gekrümmten Oberfläche einsetzbar werden.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch ein Verfahren zum Ausbilden einer Schweißverbindung nach Anspruch 1 und eine Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 20. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einem Aspekt wird ein Verfahren zum Ausbilden einer Schweißverbindung zwischen einem ersten Fügepartner und einem zweiten Fügepartner mit einem Laserstrahl offenbart. Der Laserstrahl ist insbesondere ein Ultrakurzpuls-Laserstrahl. Die Schweißverbindung verschweißt eine erste Fügefläche des ersten Fügepartners mit einer zweiten Fügefläche des zweiten Fügepartners. Mindestens der erste Fügepartner weist eine gekrümmte Oberfläche auf. Das Verfahren umfasst die Schritte:

Lagern des ersten Fügepartners und des zweiten Fügepartners derart, dass die erste Fügefläche und die zweite Fügefläche räumlich zueinander fest ausgerichtet sind. Ein Abstand der Fügeflächen ist insbesondere derart gewählt, dass aufgeschmolzenes Material der Fügepartner den Spalt überbrücken kann.
Strahlformen des Laserstrahls zum Ausbilden einer Fokuszone an der ersten Fügefläche, wobei das Strahlformen mit einer Anordnung von diffraktiven, reflektiven und/oder refraktiven Optiken durchgeführt wird. Das Strahlformen umfasst eine fokusbildende Strahlformung und eine phasenkorrigierende Strahlformung. Die phasenkorrigierende Strahlformung wirkt für eine vorgegebene Ausrichtung einer Strahlachse des Laserstrahls bei Eintritt des Laserstrahls in den ersten Fügepartner einer Beeinflussung der Propagation des Laserstrahls im Material des ersten Fügepartners durch die gekrümmte Oberfläche entgegen. Weisen insbesondere beide Fügepartner eine gekrümmte Oberfläche auf, kann die phasenkorrigierende Strahlformung eine Beeinflussung der Propagation von entsprechenden Strahlbereichen des Laserstrahls durch diese gekrümmten Oberflächen entgegenwirken.
Einstrahlen des Laserstrahls auf die gekrümmte Oberfläche derart, dass zumindest ein Teil des Laserstrahls durch die gekrümmte Oberfläche in den ersten Fügepartner eintritt, in einem Material des ersten Fügepartners zu der ersten Fügefläche propagiert und die Fokuszone zumindest teilweise mit dem Material des ersten Fügepartners und/oder des zweiten Fügepartners überlappend erzeugt wird. Allgemein kann die Fokuszone zum Aufschmelzen von Material des ersten Fügepartners, des zweiten Fügepartners oder beider Fügepartner im Bereich mindestens einer der Fügeflächen positioniert werden. Die Ausbildung der Fokuszone - und damit das Aufschmelzen - basiert dabei auf Laserstrahlung des Laserstrahls, die durch die gekrümmte Oberfläche in das Material des ersten Fügepartners eingetreten ist. Zusätzlich kann Laserstrahlung des Laserstrahls durch das Material des zweiten Fügepartners propagieren und zur Ausbildung der Fokuszone beitragen.
Einstellen von Strahlparametern des Laserstrahls derart, dass das Material des ersten Fügepartners und/oder des zweiten Fügepartners in der Fokuszone aufgeschmolzen wird. Das Aufschmelzen kann allgemein durch lineare und/oder nichtlineare Absorption der Laserstrahlung bewirkt werden.
Ausbilden der Schweißverbindung zwischen dem ersten Fügepartner und dem zweiten Fügepartner durch Abkühlen des aufgeschmolzenen Materials. Im Zuge der Abkühlung des aufgeschmolzenen Materials tritt eine Verfestigung der Schmelze ein, die zur Ausbildung der Schweißverbindung führt.

In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren, ferner umfassen:

Bewegen der Fokuszone entlang der ersten Fügefläche unter Beibehalten einer Ausrichtung des Laserstrahls mit Bezug zu einer Krümmung der gekrümmten Oberfläche. Optional kann der Laserstrahl derart auf die gekrümmte Oberfläche eingestrahlt werden, dass die Strahlachse des Laserstrahls in einem Einfallswinkelbereich von ±10° zu einer Normalenrichtung der gekrümmten Oberfläche an einem Auftreffpunkt der Strahlachse auf der gekrümmten Oberfläche ausgerichtet ist.

In einigen Ausführungsformen des Verfahrens kann das Bewegen der Fokuszone durch eine Rotation des ersten Fügepartners und/oder des zweiten Fügepartners um eine der Krümmung der gekrümmten Oberfläche zugeordnete Achse und/oder durch eine Rotation des Laserstrahls um den ersten Fügepartner und den zweiten Fügepartner bewirkt werden.
In einigen Ausführungsformen des Verfahrens kann die gekrümmte Oberfläche zumindest abschnittsweise als eine Zylindermantelfläche bezüglich einer Zylinderachse ausgebildet sein. Der Laserstrahl kann in einer radialen Richtung auf die Zylinderachse eingestrahlt werden und die Rotation kann um die Zylinderachse erfolgen.
In einigen Ausführungsformen des Verfahrens kann der erste Fügepartner zumindest abschnittsweise eine zylindrische oder hohlzylindrische Form bezüglich einer Zylinderachse aufweisen und die erste Fügefläche kann eine Stumpfstoßfläche der zylindrischen oder hohlzylindrischen Form sein.
In einigen Ausführungsformen des Verfahrens kann der zweite Fügepartner eine zylindrische Grundform aufweisen, die sich entlang der Zylinderachse oder unter einem Winkel zur Zylinderachse des ersten Fügepartners erstreckt. Optional kann die Fokuszone zusätzlich an der zweiten Fügefläche ausgebildet werden und zumindest teilweise mit dem Material des zweiten Fügepartners überlappen.
In einigen Ausführungsformen des Verfahrens kann der erste Fügepartner zumindest abschnittsweise eine hohlzylindrische Form bezüglich einer Zylinderachse aufweisen und die erste Fügefläche kann eine Innenfläche der hohlzylindrischen Form sein. Eine Außenoberfläche des zweiten Fügepartners kann einen Abschnitt aufweisen, dessen Verlauf zumindest teilweise einem Verlauf der Innenfläche des ersten Fügepartners folgt. Optional kann das Bewegen der Fokuszone eine relative Translationsbewegung zwischen dem Laserstrahl und dem ersten Fügepartner umfassen. Insbesondere kann der erste Fügepartner ein Hohlzylinder sein und der zweite Fügepartner kann eine zylindrische Grundform aufweisen.
In einigen Ausführungsformen des Verfahrens kann das Bewegen der Fokuszone durch eine relative Translationsbewegung zwischen dem Laserstrahl und dem ersten Fügepartner und dem zweiten Fügepartner bewirkt werden.
In einigen Ausführungsformen des Verfahrens kann die gekrümmte Oberfläche zumindest abschnittsweise als eine Zylindermantelfläche bezüglich einer Zylinderachse ausgebildet sein und der erste Fügepartner kann einen azimutalen Abschnitt einer zylindrischen oder hohlzylindrischen Form aufweisen und die erste Fügefläche eine sich in Richtung der Zylinderachse erstreckende Seitenfläche des azimutalen Abschnitts sein. Der Laserstrahl kann in radialer Richtung auf die Zylinderachse eingestrahlt werden und die Translationsbewegung kann entlang der Zylinderachse erfolgen.
In einigen Ausführungsformen des Verfahrens kann die fokusbildende Strahlformung dazu eingerichtet sein, ein Einlaufen von Strahlanteilen des Laserstrahls unter einem Einlaufwinkel auf eine Strahlachse des Laserstrahls für eine Ausbildung einer langgezogenen Fokuszone entlang einer Strahlachse zumindest teilweise im Material des ersten Fügepartners und/oder im Material des zweiten Fügepartner durch Interferenz zu bewirken. Ferner kann das Verfahren ein Einstellen der Fokuslänge kleiner oder gleich einer vorbestimmten Fugenlänge in einer Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls umfassen, insbesondere ein Einstellen der Fokuslänge in einem Bereich zwischen 100 µm und 500 µm.
In einigen Ausführungsformen des Verfahrens kann der erste Fügepartner als ein Hohlkörper, insbesondere ein Glasrohr, mit einer einen Innenraum abgrenzenden Wand mit einer Wanddicke ausgebildet sein, und das Verfahren kann ferner den Schritt aufweisen:

- Einstellen einer Fokuslänge der Fokuszone in einem Bereich zwischen 20 µm und 500 µm und/oder auf maximal die Wanddicke, insbesondere auf maximal 80% der Wanddicke. Optional kann die Fokuszone an der gekrümmten Oberfläche des ersten Fügepartners beginnen. Die Schweißverbindung kann zwischen dem ersten Fügepartner und dem zweiten Fügepartner eine Mehrzahl von Schweißnähten umfassen, die sternförmig angeordnet sind und die optional ineinander übergehen.

In einigen Ausführungsformen des Verfahrens kann der erste Fügepartner ein massiver Zylinder, insbesondere ein Glaszylinder, sein, und das Verfahren kann ferner den Schritt aufweisen:

- Einstellen einer Fokuslänge der Fokuszone in einem Bereich zwischen 20 µm und 500 µm und/oder auf maximal einen halben Durchmesser des Zylinders.

Die Fokuszone kann optional an der gekrümmten Oberfläche des Fügepartners beginnen. Die Schweißverbindung zwischen dem ersten Fügepartner und dem zweiten Fügepartner kann eine Mehrzahl von Schweißnähten umfassen, die sternförmig angeordnet sind und die optional ineinander übergehen.
In einigen Ausführungsformen des Verfahrens kann die fokusbildende Strahlformung dazu eingerichtet sein, einen Gaußschen Fokus zu erzeugen.
In einigen Ausführungsformen des Verfahrens kann das Bewegen der Fokuszone ferner eine transversale Oszillationsbewegung der Fokuszone senkrecht zur ersten Fügefläche und/oder eine Translationsbewegung der Fokuszone in Richtung der Strahlachse umfassen.
In einigen Ausführungsformen des Verfahrens kann das Material des zweiten Fügepartners transparent, teiltransparent oder intransparent hinsichtlich des Laserstrahls sein und oberflächennah an der zweiten Fügefläche des zweiten Fügepartners aufgeschmolzen werden. Das Material des zweiten Fügepartners kann insbesondere über lineare Absorption des Laserstrahls erwärmt werden und das Material des ersten Fügepartners kann insbesondere durch nicht-lineare Absorption des Laserstrahls und/oder indirekt vom erwärmten Material des zweiten Fügepartners erwärmt werden.
In einigen Ausführungsformen des Verfahrens kann die gekrümmte Oberfläche in einer Richtung gekrümmt sein. Das Strahlformen des Laserstrahls kann ein Aufprägen mindestens einer zweidimensionalen Phasenverteilung auf den Laserstrahl umfassen, wobei die mindestens eine zweidimensionale Phasenverteilung für die phasenkorrigierende Strahlformung Phasenbeiträge umfassen kann, die eine vom Laserstrahl bei einem Eintritt in den erste Fügepartner lokal akkumulierte Eintrittsphase aufheben, und optional für die fokusbildende Strahlformung Phasenbeiträge umfassen kann, die das Einlaufen von Strahlanteilen unter einem Einlaufwinkel bewirken und insbesondere einen nicht-beugenden Strahl für die Ausbildung einer langgezogenen Fokuszone entlang der Strahlachse im Bereich der Fügeflächen erzeugen.
In einigen Ausführungsformen des Verfahrens können die Phasenbeiträge eine zu einer Symmetrieachse achsensymmetrische Phasenverteilung ausbilden, wobei die zweiten Phasenbeiträge insbesondere parallel zur Symmetrieachse konstant sind und sich senkrecht zur Symmetrieachse verändern, und das Verfahren ferner den Schritt umfassen kann:

Ausrichten der achsensymmetrische Phasenverteilung und des ersten Fügepartners derart zueinander, dass die Symmetrieachse unter Berücksichtigung eines Strahlengangs zwischen einem Ort des Aufprägens der achsensymmetrischen Phasenverteilung und dem ersten Partner orthogonal zu einer Ebene verläuft, in der ein Krümmungsradius der Oberfläche definiert ist.

In einigen Ausführungsformen des Verfahrens kann dabei die phasenkorrigierende Strahlformung durch eine Zylinderlinse erzeugt werden, die vor oder nach einer die fokusbildende Strahlformung bewirkenden Optik in einem Strahlengang des Laserstrahls positioniert ist.
Ein weiterer Aspekt umfasst eine Laserbearbeitungsanlage zum Ausbilden einer Schweißverbindung zwischen einem ersten Fügepartner und einem zweiten Fügepartner mit einem Laserstrahl, insbesondere Ultrakurzpuls-Laserstrahl, wobei die Schweißverbindung eine erste Fügefläche des ersten Fügepartners mit einer zweiten Fügefläche des zweiten Fügepartners verschweißt und wobei mindestens der erste Fügepartner eine gekrümmte Oberfläche aufweist. Die Laserbearbeitungsanlage kann umfassen:

eine Laserstrahlquelle, die einen, insbesondere gepulsten, Laserstrahl ausgibt,
ein optisches System zum Strahlformen des Laserstrahls für eine Ausbildung einer Fokuszone in dem ersten Fügepartner und/oder dem zweiten Fügepartner, mit einer fokusbildenden Optik, die für eine Ausbildung der Fokuszone ohne Berücksichtigung der gekrümmten Oberfläche ausgebildet ist, wobei die Fokuszone optional entlang einer Strahlachse des Laserstrahls langgezogen ausgebildet ist, und
eine Werkstückhalterung zur Lagerung des ersten Fügepartners und/oder des zweiten Fügepartners.

Dabei ist eine Phasenkorrektur, die einer Beeinflussung der Ausbildung der Fokuszone aufgrund der gekrümmten Oberfläche entgegenwirkt, mit einer phasenkorrigierenden Optik vorgesehen oder in die fokusbildende Optik integriert.
Zusammengefasst kann gemäß den hierin offenbarten Konzepten ein Prozess zum Laserschweißen von Fügepartnern mit mindestens einer gekrümmten Oberfläche umgesetzt werden. Die Fügepartner können aus transparenten, teiltransparenten oder opaken Materialien bestehen, wie zum Beispiel Gläser, Kristalle, Polymere, Halbleiter, Keramik, Metallen wie Aluminium wobei auch unterschiedliche Materialien miteinander verschweißt werden können. Insbesondere ist eine Kombination aus einem transparenten/teiltransparenten Material und einem opaken Material möglich.
Das zugrundeliegende Optikkonzept erlaubt beispielsweise das Verschweißen von Glasrohren mit Radien im Bereich von 0,5 mm bis z.B. 25 mm, z.B. mit Radien von wenigen Millimetern. Insbesondere können Laserschweißvorgänge mit langgezogenen Fokuszonen von einigen 10 µm bis zu einigen 100 µm Länge durchgeführt werden. Auf die Fügepartner auftreffende Strahldurchmesser bzw. durchstrahlte Bereiche der gekrümmten Oberfläche liegen z.B. im Bereich von 0.5 mm bis 15 mm. Von der gekrümmten Oberfläche hervorgerufene Aberrationen können mit der phasenkorrigierenden Strahlformung vorkompensiert bzw. ausgeglichen werden, um eine im Rahmen der fokusbildenden Strahlformung angestrebte Fokusausbildung zu gewährleisten.
Beispielsweise kann die fokusbildende Strahlformung die Fokussierung der Laserstrahlung in einen Gauß-Fokus oder in eine langgezogene Fokuszone bewirken. So kann ein nicht-beugender Strahl für die Ausbildung einer langgezogenen Fokuszone entlang der Strahlachse in mindestens einem der Fügepartner erzeugt werden.
Bezüglich nicht-beugender Strahlen offenbaren WO 2016/079062 A1 , WO 2016/079063 A1 und WO 2016/079275 A1 der Anmelderin, dass in transparenten Materialien eine langgezogene Fokuszone und entsprechende langgezogene Modifikationen in einem Material erzeugt werden können. Nicht-beugende Strahlen können z.B. aufgrund von Interferenz von von außen einlaufenden Strahlanteilen gebildet werden. Dies ist z.B. bei Bessel-ähnlichen Strahlen der Fall. Strahlformungselemente und Optik-Aufbauten für die Laserbearbeitung werden z.B. in der genannten WO 2016/079275 A1 beschrieben. Die hierin vorgestellten Konzepte ermöglichen den Einsatz derartiger (zur Einstrahlung durch plane Werkstückoberfläche ausgelegter) nicht-beugender Strahlen zum Laserschweißen von Fügepartnern mit mindestens einer gekrümmten Oberfläche.
Die Verbindung von Fügepartnern unter Verwendung von ultrakurzen Laserpulsen kann insbesondere auf nichtlinearer Absorption und Wärmeakkumulation im Material der Fügepartner basieren. Üblicherweise überlappen dabei die Fokuszonen aufeinanderfolgender Laserpulse. Das lokal aufgeschmolzene und abgekühlte Material führt zur Verbindung der Fügepartner, wenn die abgekühlte Schmelze (Schweißnaht) in der Grenzfläche zwischen den Fügepartnern lokalisiert ist.
Um Fügepartner (z.B. Rohre) stirnseitig (in einem Stumpfstoß) miteinander zu verbinden, können die Laserpulse durch das die gekrümmte Oberfläche ausbildende Obermaterial hindurch in die Grenzfläche fokussiert werden, um den Laserschweißvorgang zu initiieren. Gegebenenfalls kann der Laserfokus entlang der Laserpropagationsrichtung in seiner Position moduliert werden. Durch Drehen der zu verbindenden Rohre kann eine umfängliche Schweißnaht erzeugt werden.
Alternativ können die Laserpulse parallel zur Grenzfläche der Fügepartner und neben die Grenzfläche eingestrahlt und fokussiert werden. Durch ein Scannen/Wobbeln der Fokuszone über die Grenzfläche hinweg werden die Fügepartner miteinander verschweißt. Das Scannen/Wobbeln der Fokuszone erfolgt insbesondere gleichzeitig zu einer Drehbewegung der zu verbindenden Rohre.
Neben dem Stumpfstoßfügen werden weitere Fügekonstellationen nachfolgend in Zusammenhang mit den Figuren erläutert, wobei zum Beispiel die zuvor angesprochenen optionalen Ansatzweisen wie Wobbeln entsprechend adaptiert umgesetzt werden können.
Bevorzugt sind die Oberflächen der zu verschweißenden Fügepartner sauber und poliert. D.h., sie weisen eine ausreichende optische Qualität für ein möglichst ungestörtes Eintreten der Laserstrahlung in das Material auf. Ebenso weisen die Oberflächen der zu verschweißenden Stoßflächen/Fügeflächen bevorzugt eine Ebenheit auf, die zu einem Fügespalt führt, der eine Weite von bevorzugt höchsten wenigen Mikrometer.
Für den Schweißvorgang werden die Fügepartner z.B. mit einer Vorrichtung im Bereich der Fügeflächen aneinandergepresst oder mit einem definierten Spalt (z.B. kleiner 15 µm) zwischen den Fügeflächen eingespannt.
Allgemein erlauben es die hierin vorgeschlagenen Konzepte, Laserstrahlung durch eine gekrümmte Oberfläche eines Fügepartners in den Bereich einer Fügezone einzustrahlen, damit die Laserstrahlung dort das Material mindestens eines der Fügepartner aufschmilzt, um die Schweißnaht nach Abkühlung auszubilden.
Hierin werden Konzepte offenbart, die es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

1 Abbildungen zur Verdeutlichung einer Fokuszone eines Gauß-Strahls und von nicht-beugenden Strahlen,
2 eine schematische Skizze einer Laserbearbeitungsanlage zum Laserschweißen,
3A bis 4B schematische Skizzen zu Stumpfstoßschweißvorgängen,
5 eine schematische Skizze einer Laserbearbeitungsanlage zum Laserschweißen mit einer langgezogenen Fokuszone,
6A und 6B schematische Skizzen eines optischen Systems zur Strahlformung,
7A und 7B Skizzen zur Verdeutlichung der Auswirkung einer gekrümmten Oberfläche auf die Ausbildung einer Bessel-Strahl-Fokuszone,
8A und 8B Intensitätsverteilungen einer Bessel-Strahl-Fokuszone, die für einen Eintritt in einen planen Fügepartner bzw. für eine Korrektur hinsichtlich einer gekrümmten Oberfläche eines Fügepartners simuliert wurde,
9A und 9B Intensitätsverteilungen einer Bessel-Strahl-Fokuszone ohne Korrektur hinsichtlich einer gekrümmten Oberfläche,
10A bis 10F Phasenverteilungen für fokusbildende Strahlformungen und phasenkorrigierende Strahlformungen und diese kombinierende Phasenverteilungen,
11 ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung eines beispielhaften Verfahrens zum Ausbilden einer Schweißverbindung bei einem Fügepartner mit einer gekrümmten Oberfläche und
12A bis 12D schematische Skizzen zu weiteren beispielhaften Schweißvorgängen.

Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass für den Fall, dass Fügepartner verschweißt werden, von denen mindestens einer eine gekrümmte Oberfläche aufweist, Laserstrahlung durch die gekrümmte Oberfläche hindurch in das Material des Fügepartners eintritt, um darin den Fokus auszubilden. Die gekrümmte Oberfläche wirkt sich auf die Ausbildung der Fokuszone aus, da Aberrationen (insbesondere sphärische Aberrationen) die Fokuszone verformen oder sogar die Ausbildung der Fokuszone verhindern können. Im Ergebnis kann eine Absorption der Laserstrahlung nicht mehr im für den Schweißvorgang notwendigen Umfang stattfinden. Die Erfinder schlagen eine phasenkorrigierende Strahlformung vor, die für eine vorgegebene Ausrichtung einer Strahlachse des Laserstrahls bei Eintritt des Laserstrahls in den Fügepartner mit der gekrümmten Oberfläche einer Beeinflussung der Propagation des Laserstrahls durch die gekrümmte Oberfläche entgegenwirkt. Die Erfinder haben ferner erkannt, dass eine Aberrationskorrektur von der Form/Krümmung der gekrümmten Oberfläche, beispielsweise vom Krümmungsradius einer Rohroberfläche sowie vom Strahldurchmesser, allgemein dem Ausmaß der auf die Oberfläche auftreffenden Laserstrahlung, abhängig ist.
Die hierin beschriebenen Aspekte beziehen sich allgemein auf eine fokusbildende Strahlformung und somit insbesondere auch auf die Anwendung von nicht-beugenden Strahlen beim Laserschweißen. Nicht-beugende Strahlen („non-diffractive beams“) können durch Wellenfelder ausgebildet werden, die der Helmholtz-Gleichung $\nabla^{2} U (r) + k^{2} U (r) = 0$
genügen und eine klare Separierbarkeit in eine transversale (d.h., in x- und y-Richtung) Abhängigkeit und eine longitudinale (d.h., in z-Richtung/Ausbreitungsrichtung) Abhängigkeit der Form $U (x, y, z) = U^{t} (x, y) exp (ι k_{z} z)$
aufweisen.
Hierbei ist k = ω/c der Wellenvektor mit seinen longitudinalen/axialen und transversalen Komponenten $k^{2} = k_{z}^{2} + k_{t}^{2}$
und U^t (x, y) ist eine beliebige komplexwertige Funktion, die nur von den transversalen Koordinaten x und y abhängt. Da die z-Abhängigkeit in Gleichung 2 eine reine Phasenmodulation aufweist, ist eine Intensität I(x, y, z) einer die Gleichung 2 lösenden Funktion propagationsinvariant und wird als „nicht-beugend“ bezeichnet: $I (x, y, z) = {| U (x, y, z) |}^{2} = I (x, y,0)$
Dieser Ansatz liefert verschiedene Lösungsklassen der Helmholtz-Gleichung in unterschiedlichen Koordinatensystemen, wie z.B. sogenannte Mathieu-Strahlen in elliptisch-zylindrischen Koordinaten oder sogenannte Bessel-Strahlen in zirkularzylindrischen Koordinaten.
Siehe hierzu auch J. Turunen and A. T. Friberg, „Propagation-invariant opticalfields“, in Progress in optics, 54, 1-88, Elsevier (2010) sowie M. Woerdemann, „Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation, and Organisation", Springer Science & Business Media (2012).
Es lassen sich eine Vielzahl von Typen nicht-beugender Strahlen in guter Näherung realisieren. Diese realisierten nicht-beugenden Strahlen werden hierin der Einfachheit halber weiterhin als „endlich begrenzte nicht-beugende Strahlen“, „nicht-beugende Strahlen“, oder auch als „quasi nicht-beugende Strahlen“, bezeichnet. Sie führen, im Gegensatz zum theoretischen Konstrukt, eine endliche Leistung. Ebenso endlich ist auch eine ihnen zugeordnete Länge L einer Propagationsinvarianz.
1 zeigt im Vergleich mit Intensitätsdarstellungen eines konventionellen Gauß-Fokus (siehe das Propagationsverhalten eines Gauß-Fokus in Abbildung (a) der 1) das Propagationsverhalten von nicht-beugenden Strahlen anhand von Intensitätsdarstellungen in Abbildungen (b) und (c). Die Abbildungen (a), (b) und (c) zeigen jeweils einen Längsschnitt (x-z-Ebene) und einem Transversalschnitt (x-y-Ebene) durch den Fokus eines Gauß-Strahls bzw. von nicht-beugenden Strahlen, die in z-Richtung propagieren.
Die Abbildung (b) bezieht sich beispielhaft auf einen rotationssymmetrischen nicht-beugenden Strahl, hier ein Bessel-Gauß-Strahl. Die Abbildung (c) bezieht sich beispielhaft auf einen nicht asymmetrischen nicht-beugenden Strahl. Für einen Bessel-Gauß-Strahl zeigen die Abbildungen (d) und (e) der 1 ferner Details eines zentralen Intensitätsmaximums. So zeigt Abbildung (d) der 1 einen Intensitätsverlauf in einer transversalen Schnittebene (X-Y-Ebene) und eine transversalen Intensitätsverlauf in X-Richtung. Die Abbildung (e) der 1 zeigt Details des zentralen Intensitätsmaximums in einem Schnitt in Propagationsrichtung.
Für den Vergleich wird ein Fokusdurchmesser $d_{0}^{GF}$
des Gauß-Fokus definiert, wobei der Gauß-Fokus über die zweiten Momente festgelegt wird. Ferner wird eine zugehörige charakteristische Länge über die Rayleigh-Länge $z_{R} = π {(d_{0}^{G F})}^{2} / 4 λ$
definiert, die als eine Distanz ausgehend von der Fokusposition festgelegt wird, bei der der Strahlquerschnitt um einen Faktor 2 zugenommen hat. Ferner wird für einen quasi nicht-beugenden Strahl ein transversaler Fokusdurchmesser $d_{0}^{ND}$
als die transversale Dimension eines lokalen Intensitätsmaximums definiert, wobei der transversaler Fokusdurchmesser $d_{0}^{ND}$
durch die kürzeste Distanz direkt angrenzender, gegenüberliegender Intensitätsminima (z.B. Intensitätsabfall auf 25 %) gegeben ist. Siehe hierzu z.B. die Abbildungen (b) und (d) der 1. Die longitudinale Ausdehnung des nahezu propagationsinvarianten Intensitätsmaximums kann als eine charakteristische Länge L des quasi nicht-beugenden Strahls angesehen werden. Sie ist definiert über einen Intensitätsabfall auf 50 %, ausgehend vom lokalen Intensitätsmaximum, jeweils in positive und negative z-Richtung, siehe Abbildungen (c) und (e) der 1.
Hierin wird von einem quasi nicht-beugenden Strahl ausgegangen, wenn für ähnliche transversale Dimensionen, z.B. $d_{0}^{ND} \approx d_{0}^{GF},$
die charakteristische Länge L des nicht-beugenden Strahls die Rayleigh-Länge des zugehörigen Gauß-Fokus deutlich überragt, insbesondere wenn L > 10z_R.
(Quasi-) Bessel-Strahlen, auch als Bessel-ähnliche Strahlen bekannt, sind Beispiele einer Klasse von (quasi) nicht-beugenden Strahlen. Bei derartigen Strahlen gehorcht die transversale Feldverteilung U^t (x, y) in der Nähe der optischen Achse in guter Näherung einer Bessel-Funktion erster Art der Ordnung n. Eine Untermenge dieser Klasse von Strahlen stellen die sogenannten Bessel-Gauß-Strahlen dar, die aufgrund ihrer einfachen Erzeugbarkeit weit verbreitet sind. Ein Bessel-Gauß-Strahl kann z.B. durch Beleuchten eines Axicons in refraktiver, diffraktiver oder reflektiver Ausführung mit einem kollimierten Gauß-Strahl geformt werden. Eine zugehörige transversale Feldverteilung in der Nähe der optischen Achse im Bereich einer zugehörigen langgezogenen Fokuszone gehorcht dabei in guter Näherung einer Bessel-Funktion erster Art der Ordnung 0 (in guter Näherung), die von einer Gauß-Verteilung eingehüllt ist, siehe Abbildungen (d) und (e) der 1, wobei die gezeigten Intensitätsverteilung dem Betragsquadrat einer Bessel-Funktion (in guter Näherung) entsprechen.
Typische Bessel-Gauß-Strahlen, die zum Verschweißen eines transparenten/teiltransparenten Materials mit einem transparenten/teiltransparenten/opaken Material genutzt werden können, weisen Durchmesser des zentralen Intensitätsmaximums auf der optischen Achse im Bereich von 0.5 µm und 10 µm, insbesondere zwischen 1 µm und 5 µm wie z.B. $d_{0}^{ND} = 2,5 μ m$
auf. Beim Laserschweißen liegt die Länge L zum Beispiel im Bereich von 20 µm bis 500 µm (z.B. im Bereich von 100 µm bis 500 µm), siehe Abbildungen (b) und (e) der 1. (Bei nicht-beugenden Strahlen kann die Länge allgemein auch 1 mm übersteigen.) Ein Fokus eines Gauß-Strahls mit $d_{0}^{GF} \approx d_{0}^{ND} = 2,5 μ m$
zeichnet sich hingegen durch eine Fokuslänge in Luft von lediglich z_R ≈ 5 µm bei einer Wellenlänge λ von 1 µm aus, siehe Abbildung (a) der 1. In diesen für das Laserschweißen relevanten Fällen gilt demnach für die zugehörige Länge L eines nicht-beugenden Strahls: L >> 10z_R, beispielsweise das 20-fache oder mehr oder sogar das 100-fache oder mehr der Rayleigh-Länge.
Die langgezogene Fokuszone geht jedoch einher mit einer größeren durchstrahlten Fläche beim Eintritt in das Material, in dem die langgezogene Fokuszone ausgebildet werden soll. Beispielhafte Ring-Strahldurchmesser für typische Bessel-Gauß-Strahlen liegen im Bereich von zum Beispiel 1 mm bis 15 mm.
Der Fachmann wird anerkennen, dass im Vergleich zu einem Gauß-Strahl der Vorteil eines nicht-beugenden Strahls in der erhöhten Toleranz bei der Positionierung der lang gezogenen Fokuszone hinsichtlich der Fügeflächen liegt. Insbesondere bei einem Überlappstoß wird nur ein in Ausbreitungsrichtung kleiner Bereich der Fokuszone zu dem Verschweißen beitragen. Insbesondere ist dies der Bereich, der zum Aufschmelzen des Materials nahe der Fügeflächen beiträgt. Eine größere Fokuslänge kann Dickenänderungen der Fügepartner leichter ausgleichen/tolerieren. Ferner erlaubt der nicht-beugende Strahl eine Überbrückung eines größeren Spalts zwischen Fügeflächen als ein Gauß-Fokus, der aufgrund seiner kurzen Ausdehnung insbesondere für sich kontaktierende Fügeflächen geeignet ist. Die Fokuslagentoleranz eines nicht-beugenden Strahls liegt zum Beispiel im Bereich der Länge der langgezogenen Fokuszone, d.h., im Bereich von zum Beispiel 20 µm bis 500 µm (z.B. im Bereich von 100 µm bis 500 µm). Insbesondere beim Laserschweißen von gekrümmten Fügeflächen ist eine erhöhte Toleranz vorteilhaft.
Hierin beschriebene Aspekte basieren ferner zum Teil auf der Erkenntnis, dass, sollen Fügepartner mit einer gekrümmten Oberfläche mit einem Laserstrahl, insbesondere einem nicht-beugenden Strahl, wie er sich beispielsweise in einer auf Interferenz-basierenden Fokuszone eines Bessel-Gauß-Strahls ausbildet, verschweißt werden, sich die gekrümmte Oberfläche auf die Ausbildung der Fokuszone, bei einem nicht-beugenden Strahl auf z.B. eine zugrundeliegende Interferenz, auswirken kann. Entsprechend ist eine Strahlformung/Fokussierung, wie sie zur Bearbeitung von planen Werkstücken genutzt wird, nicht mehr zielführend. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Krümmung nicht rotationssymmetrisch ist, sondern eindimensional ausgebildet ist, wie im Fall eines zu bearbeitenden Rohrs oder Zylinders aus z.B. Glas oder Keramik.
Erfindungsgemäß wird diese Beeinflussung des z.B. nicht-beugenden Strahls derart kompensiert, dass für plane Werkstücke entwickelte Fokussierungen/Strahlformungskonzepte oder Fokussieroptiken/Strahlformungskomponenten zur Ausbildung der Fokuszone genutzt werden können.
Um die Ausbildung und Eigenschaften einer angestrebten Fokuszone, z.B. eines nicht-beugenden Strahls mit einem Bessel-Strahl-ähnlichen Strahlprofil, beizubehalten, wird hierin vorgeschlagen, den beim Eintritt in den Fügepartner auftretenden Aberrationen mit einer Phasenkorrektur entgegenzuwirken. Dabei wird die Phasenkorrektur im Strahlengang bevorzugt in dem Bereich vorgenommen, in dem noch ein Gauß-förmiges oder nahezu Gauß-förmiges laterales Laserstrahlprofil vorliegt. Im Fall der Strahlformung eines nicht-beugenden Strahls kann die Phasenkorrektur im Bereich einer Phasenaufprägung, wie sie z.B. zur Ausbildung des nicht-beugenden Strahls für ein Verschweißen von planen Fügepartnern genutzt wird, erfolgen. Bei einer quadratisch gekrümmten und zum gepulsten Laserstrahl symmetrisch ausgerichteten gekrümmten Oberfläche kann die Phasenkorrektur mit einfachen optischen Komponenten bewirkt werden. Bereits bei gekippten Oberflächen können die Geometrien der zur Korrektur benötigten optischen Komponenten sehr komplex werden.
Trotz beim Eintritt in einen Fügepartner auftretenden Aberrationen kann wie nachfolgend erläutert ein nicht-beugender Strahl mit einer nahezu ungestörten Propagation im Material eines Rohrs oder Zylinders erzeugt werden. Bei Vornahme der Phasenkorrektur können somit mit einem gepulsten Laserstrahl bei entsprechend eingestellten Parametern wie Pulsenergie, Pulsdauer und Fokuszonengeometrie zum Beispiel langgezogene Schmelzzonen auch in einem Fügepartner mit einer gekrümmten Oberfläche erzeugt werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsanlage 1 mit einer Laserstrahlquelle 1A und einem optischen System 1B. Das optische System 1B ist zur Strahlformung eines gepulsten Ausgangslaserstrahls 3' der Strahlquelle 1A ausgebildet und gibt einen Laserstrahl 3 für einen Laserschweißvorgang aus.
Die Laserbearbeitungsanlage 1 ist zum Verschweißen zweier Fügepartner 4, 5 eingerichtet, wobei mindestens einer der Fügepartner 4, 5 eine gekrümmte (Außen-) Oberfläche 4A, 5A aufweist. In 2 sind die Fügepartner 4, 5 schematisch mit einer zylindrischen Grundform dreidimensional angedeutet.
Allgemein dient die Strahlformung des optischen Systems 1B dazu, mit dem gepulsten Laserstrahl 3 Laserstrahlung in einer Fokuszone 7 bereitzustellen. Im Bereich der Fokuszone 7 kann zum Verschweißen der Fügepartner 4, 5 Energie in das Material der Fügepartner 4, 5 eingetragen werden. Zur Steuerung der Position des Energieeintrags kann das optische System 1B beispielsweise in den drei Raumrichtungen verfahren werden (Pfeil 6A). Dies erlaubt beispielsweise eine transversale Oszillationsbewegung (Wobbeln) (z.B. senkrecht zur Fügefläche bei einer Stumpfstoß-Konfiguration oder entlang der Fügefläche bei einer Überlappstoß-Konfiguration). Ferner kann eine Oszillationsbewegung/Translationsbewegung in Richtung der Strahlachse durchgeführt werden, wobei letzteres sich auf die phasenkorrigierende Strahlformung auswirken kann und evtl. deren Anpassung bedingt.
Ferner kann die Position des Energieeintrags variiert werden, indem das optische System 1B um die Fügepartner 4, 5 geschwenkt wird (Pfeil 6B).
Für den Energieeintrag überlappt die Fokuszone 7 mit mindestens einem der Fügepartner 4, 5. Da die Energie in das Innere mindestens eines der Fügepartner 4, 5 eingetragen werden soll, wird sich die Laserstrahlung zumindest teilweise im Material ausbreiten. Entsprechend besteht mindestens einer der Fügepartner 4, 5 aus einem (für die Laserwellenlänge des eingesetzten Laserstrahls 3 weitgehend) transparenten oder teiltransparenten Material in z.B. keramischer oder kristalliner Ausführung wie Glas, Saphir, transparente Keramik, Glaskeramik oder einem Polymer. Transparenz eines Materials bezieht sich hierin auf die lineare Absorption. Für Licht unterhalb der Schwellenfluenz/-intensität der nichtlinearen Absorption kann ein „im Wesentlichen“ transparentes Material beispielsweise auf einer Länge von 1 mm z.B. weniger als 20 % oder sogar weniger als 10 % des einfallenden Lichts absorbieren bzw. streuen. Ein „im Wesentlichen“ teiltransparentes Material kann beispielsweise auf einer Länge von 1 mm im Bereich von z.B. 20 % bis 80 % des einfallenden Lichts absorbieren bzw. streuen. Ein opakes Material absorbiert im Wesentlichen die gesamte Laserstrahlung oberflächennah.
Allgemein wird der Ausgangslaserstrahl 3' und damit der Laserstrahl 3 durch Strahlparameter wie Ausbildung von Einzellaserpulsen oder Gruppen von Laserpulsen, Wellenlänge, spektrale Breite, zeitliche Pulsform, Pulsenergie, Strahldurchmesser und Polarisation bestimmt. Für das Laserschweißen weisen die Laserpulse z.B. Pulsenergien auf, die zu Pulsspitzen-intensitäten führen, die eine Volumenabsorption im Material der Fügepartner und damit eine Ausbildung eines Schmelzbereichs (Schmelzbads) in einer gewünschten Geometrie bewirken.
2 zeigt ferner eine Werkstückhalterung 19 zur Lagerung der Fügepartner 4, 5. Im dargestellten Beispiel eines Stumpfstoß-Schweißvorgangs stellen die Stirnflächen die Fügeflächen der Fügepartner da. Die Werkstückhalterung 19 kann die Fügepartner 4, 5 an den Stirnflächen zusammenführen (Pfeil 6C) und insbesondere ein vorgegebenes Maß für eine maximale Spaltbreite einstellen. Zur Erzeugung einer umlaufenden Schweißverbindung kann alternativ oder ergänzend zum Schwenken des optischen Systems 1B eine Rotation der Fügepartner 4, 5 mithilfe der Werkstückhalterung 19 vorgenommen werden.
Allgemein kann die Schweißnaht kontinuierlich oder azimutal abschnittsweise erzeugt werden. Im in 2 dargestellten Fall einer länglichen Fokuszone 7 erstreckt sich die Schweißnaht in radialer Richtung über die Länge der Fokuszone.
Der in 2 gezeugte beispielhafte Stumpfstoß-Schweißvorgang von zwei zylindrischen Grundkörpern wird in Zusammenhang mit den 3A und 3B für das Verschweißen zweier Rohre 14, 15 und in Zusammenhang mit 4A, und 4B für zwei Vollzylinder 16, 17 verdeutlicht. Allgemein zeigen die 2 bis 4B Beispiele dafür, dass die gekrümmte Oberfläche zumindest abschnittsweise als eine Zylindermantelfläche bezüglich einer Zylinderachse ausgebildet ist, wobei der Laserstrahl in radialer Richtung auf die Zylinderachse eingestrahlt wird und die Rotation um die Zylinderachse erfolgt.
Die Rohre 14, 15 (als Beispiel einer hohlzylindrischen Form bezüglich einer Zylinderachse wie ein Glasrohr) und Vollzylinder 16, 17 (wie ein Glasstab) wurden axial ausgerichtet und an Fügeflächen 14B, 15B bzw. 16B, 17B in Kontakt gebracht bzw. in einem vorgegebenen Abstand zueinander positioniert. Fügeflächen sind die eine Stumpfstoßfläche der zylindrischen oder hohlzylindrischen Form.
Der Laserstrahl 3 tritt (zumindest großteils) durch die gekrümmten Oberflächen 14A, 15A bzw. 16A, 17A in das Material ein. Beispielhaft ist in 4A ein einfallender Ringstrahl zur Ausbildung eines Bessel-Gauß-Strahls angedeutet, wobei sich der Ringstrahl über eine Fläche 18 beim Eintritt in die Vollzylinder 16, 17 erstreckt. Im Bereich der durchstrahlten Fläche 18 liegen vom jeweiligen Ort abhängige Einfallsbedingungen (Einfallswinkel) vor, die zu Aberrationen bei der Ausbildung der Fokuszone 7A, 7B führen können.
Für das Ausbilden einer angestrebten Schweißverbindung ist es im Beispiel der 3A das Ziel, trotz dieser Aberrationen die Fokuszone 7A mit der gewünschten Geometrie und Strahlintensität im Bereich der Rohrwand an der Fügefläche 14B des Rohrs 14 auszubilden. Analog liegt im Beispiel der 4A das Ziel vor, die Fokuszone 7B mit der gewünschten Geometrie und Strahlintensität derart auszubilden, dass die Fokuszone 7B sowohl mit dem Vollzylinder 16 als auch mit dem Vollzylinder 17 im Bereich der Fügeflächen 16B, 17B über eine vorgegebene Länge überlappt.
Zur Ausbildung dieser Fokuszonen wird der Laserstrahl 3' im optischen System 1B mit einer Anordnung von diffraktiven, reflektiven und/oder refraktiven Optiken geformt, wobei die Strahlformung neben einer fokusbildenden Strahlformung eine phasenkorrigierende Strahlformung umfasst. Die phasenkorrigierende Strahlformung ist derart ausgelegt, dass sie für eine vorgegebene Ausrichtung der Strahlachse 8 des Laserstrahls 3 bei Eintritt in die Rohre 14, 15 bzw. in die Vollzylinder 16, 17 einer Beeinflussung der Propagation der Laserstrahlung im Material der Fügepartner durch die gekrümmten Oberflächen 14A, 15Abzw. 16A, 17A entgegenwirkt.
Im Fall der Rohre 14, 15 kann eine Fokuslänge der Fokuszone z.B. in einem Bereich zwischen 20 µm und 500 µm eingestellt werden. Bevorzugt wird die Fokuslänge auf maximal die Wanddicke, insbesondere auf maximal 80% der Wanddicke eingestellt. Optional beginnt die Fokuszone an der gekrümmten Oberfläche des Fügepartners. Im Fall der Vollzylinder 16, 17 kann eine Fokuslänge der Fokuszone z.B. in einem Bereich zwischen 20 µm und 500 µm eingestellt werden. Bevorzugt wird die Fokuslänge auf maximal einen halben Durchmesser des Zylinders eingestellt, wobei die Fokuszone optional wieder an der gekrümmten Oberfläche des Fügepartners beginnt.
3B verdeutlicht ferner, dass eine kontinuierlich umlaufende Schmelzzone 21 in der Rohrwand auf der Fügefläche 14B durch Drehen der Rohre 14, 15 ausgebildet werden kann. Hierzu kann die Schweißverbindung zwischen den Fügepartnern eine Mehrzahl von Schweißnähten umfassen, die sternförmig um die Zylinderachse angeordnet sind und ineinander übergehen.
Als ein weiteres Beispiel verdeutlicht 4B, dass diskrete Schmelzzonen 21A, 21B azimutal verteilt auf der Fügefläche 16B durch schrittweises Rotieren der Vollzylinder 16, 17 ausgebildet werden können, wodurch eine Mehrzahl von Schweißnähten ausgebildet werden, die sternförmig (beabstandet) um die Zylinderachse angeordnet sind.
Die in den 3A bis 4B gezeigten Schweißvorgänge sind Beispiele für Schweißvorgänge mit einer reinen Rotationsbewegung um eine Längsachse der Rohre 14, 15 / Vollzylinder 16, 17, wobei die Abtasttrajektorie des Laserstrahls 3 in einer Ebene der maximalen Krümmung der Oberfläche verläuft. Zusätzlich kann eine Translationsbewegung in Richtung der Längsachse der Rohre 14, 15 / Vollzylinder 16, 17 zur Überbrückung des Spalts erfolgen. Entsprechend könnten in 3B auch beide Fügeflächen 14B, 15B aufgeschmolzen werden.
Weitere beispielhafte Konstellationen bei der Ausbildung von Schweißverbindungen werden in Zusammenhang mit den 12A bis 12D erläutert.
5 zeigt ein weiteres Beispiel einer Laserbearbeitungsanlage 1'. Hinsichtlich 2 werden ähnliche/vergleichbare Merkmale mit entsprechenden Bezugszeichen identifiziert. Die Laserstrahlquelle 1A, (beispielsweise ein UKP-Hochleistungslasersystem) erzeugt als Ausgangslaserstrahl 3' einen kollimierten Gaußschen Strahl mit einem transversalen Gaußschen Intensitätsprofil. Der Ausgangslaserstrahl 3' wird in ein optisches System 1B' eingestrahlt.
Im optischen System 1B' erfolgt zum einen eine Strahlformung des Ausgangslaserstrahls 3' derart, dass die Fokuszone 7 vom Laserstrahl 3 in Form eines nicht-beugenden Strahls ausgebildet wird. Die Fokuszone 7 ist entlang der Strahlachse 8 des Laserstrahls 3 langgezogen ausgebildet.
Z.B. wird ein Bessel-Gauß-Strahl mit einem gewöhnlichen oder inversen Bessel-Strahl-artigen Strahlprofil mit Hilfe eines Strahlformungselements 11 des optischen Systems 1B' erzeugt. Das Strahlformungselement 11 ist zur Aufprägung eines transversalen Phasenverlaufs auf den einfallenden Ausgangslaserstrahl 3' ausgebildet. Das Strahlformungselement 11 ist z.B. ein (Hohlkegel-) Axicon, ein (Hohlkegel-)Axicon-Linse/Spiegel-System, ein reflektives Axicon-Linse/Spiegel-System oder ein diffraktives optisches Strahlformungselement. Das diffraktive optische Strahlformungselement kann ein programmierbares oder fest-eingeschriebenes diffraktives optisches Strahlformungselement, insbesondere ein räumlicher Lichtmodulator (SLM spatial light modulator) sein. Für beispielhafte Konfigurationen des optischen Systems und insbesondere des Strahlformungselements 11 wird auf die eingangs genannte WO 2016/079275 A1 verwiesen. Der transversale Phasenverlauf ist insbesondere derart ausgelegt, dass ohne Durchstrahlen einer gekrümmten Oberfläche eine langgezogene Fokuszone ausgebildet wird.
5 zeigt schematisch weitere strahlführende Komponenten 20 als Teil des optischen Systems 1B' wie zum Beispiel eine Teleskopanordnung 20A, Spiegel, Linsen, Filter sowie Steuerungsmodule zur Ausrichtung der verschiedenen Komponenten.
5 zeigt als beispielhaften Fügepartner ein Rohr 9, das einen Außenradius Ra und einen Innenradius Ri sowie eine Wandstärke Ra-Ri aufweist. In 5 ist die Strahlachse 8 entlang einer Normalenrichtung N der Oberfläche 9A auf die Oberfläche 9A gerichtet und trifft auf diese an einem Auftreffpunkt P.
Das optische System 1B' fokussiert den gepulsten Laserstrahl 3 in das Rohr 9, hier in die Wand des Rohrs 9, sodass sich dort die langgezogene Fokuszone 7 ausbildet. Die langgezogene Fokuszone 7 bezieht sich hierin auf eine dreidimensionale Intensitätsverteilung, die in dem Fügepartner das räumliche Ausmaß der Wechselwirkung für das Aufschmelzen des Materials mit dem Laserpuls/der Laserpulsgruppe bestimmt. Die langgezogene Fokuszone 7 bestimmt einen langgezogenen Volumenbereich, in dem eine Fluenz/Intensität vorliegt. Liegt die Fluenz/Intensität über der für die benötigte Erwärmung relevanten Schwellenfluenz/-intensität, wird entlang der langgezogenen Fokuszone 7 ein langgezogenes Schmelzbad 21C ausgebildet.
Man spricht von langgezogenen Fokuszonen, wenn eine dreidimensionale Intensitätsverteilung hinsichtlich einer Zielschwellenintensität durch ein Aspektverhältnis (Ausdehnung in Ausbreitungsrichtung im Verhältnis zur lateralen Ausdehnung quer zur Fokuszonenachse (Durchmesser des on-axis-Maximums)) von mindestens 10:1, beispielsweise 20:1 und mehr oder 30:1 und mehr, oder 1000:1 und mehr, gekennzeichnet ist. Eine derartige langgezogene Fokuszone kann (ohne Relativbewegung) zu einem Schmelzbad mit ähnlichem Aspektverhältnis führen. Allgemein kann bei derartigen Aspektverhältnissen eine maximale Änderung der lateralen Ausdehnung der Intensitätsverteilung, die das Schmelzbad bewirkt, über die Fokuszone 7 im Bereich von 50 % und weniger, beispielsweise 20 % und weniger, beispielsweise im Bereich von 10 % und weniger, liegen. Das gleiche gilt entsprechend für eine maximale Änderung der lateralen Ausdehnung des Schmelzbads.
Allgemein gilt für die Erzeugung eines Schmelzbads mittels langgezogener Volumenabsorption, dass, sobald eine Absorption stattfindet, diese Absorption/das Schmelzbad die Propagation von Laserstrahlung beeinflussen kann. Deshalb ist es vorteilhaft, die zum Schmelzbad weiter strahlabwärts führenden Strahlanteile unter einem Winkel zur Fokuszone/ zur Achse der Wechselwirkungszone zu führen. Ein Beispiel für eine derartige Energiezufuhr ist der nicht-beugende Strahl, beispielsweise ein (konventioneller) Bessel-Gauß-Strahl (siehe 1), bei dem eine ringförmige Fernfeldverteilung vorliegt, deren Ringbreite typischerweise klein im Vergleich zum Radius ist. Bei einem rotationssymmetrischen Bessel-Gauß-Strahl werden der Wechselwirkungszone/Fokuszonenachse radiale Strahlanteile im Wesentlichen mit diesem Winkel rotationssymmetrisch zugeführt. Ähnliches gilt für den inversen Bessel-Gauß-Strahl sowie für Modifikationen wie homogenisierte, asymmetrische oder modulierte (inverse) Bessel-Strahlen.
Eine beispielhafte Strahlformung, die zu so einer langgezogenen Fokuszone führt, ist in den 6A bis 9B verdeutlicht. Die Figuren zeigen beispielhaft in einer Schnittebene durch den Strahlengang ein Einlaufen von (radialen) Strahlanteilen 3T (siehe insbesondere 7B) unter einem Einlaufwinkel δ in Luft bzw. δ' im Material auf die Strahlachse 8 des Laserstrahls 3. So kann die langgezogene Fokuszone 7 entlang der Strahlachse 8 im Material durch Interferenz der Strahlanteile 3T (über eine Länge Z, siehe 1) ausgebildet werden.
Die Ausbildung einer langgezogenen (z.B. Bessel-Strahl-basierten) Fokuszone setzt voraus, dass über die gesamte Länge L der Fokuszone Energie lateral zugeführt werden kann und die Bedingungen zur konstruktiven Interferenz vorliegen.
Zum Verschweißen zweier Fügepartner erfolgt eine Relativbewegung zwischen dem optischen System 1B' und den Fügepartnern, sodass die Fokuszone 7 an verschiedenen Positionen zum Aufschmelzen des Materials eingestrahlt werden kann. Die Relativbewegung wird derart angesteuert, dass sich Schmelzbäder entlang einer Abtasttrajektorie T aufreihen. Der in 5 die Abtasttrajektorie T verdeutlichende Pfeil steht stellvertretend für eine Bewegung des Auftreffpunkts P über die Oberfläche des Rohrs 9. Insbesondere kann beim Laserschweißen eine Relativbewegung bewirkt werden, bei der die Fokuszone 7 wiederholt entlang der Abtasttraj ektorie T (zumindest teilweise) im Material des Rohrs 9 positioniert wird.
Für eine umlaufende Schweißnaht (umlaufende Abtasttrajektorie T) lagert in 5 die Werkstückhalterung 19 das Rohr 9 um eine Längsachsachse A des Rohrs 9 rotierbar. Beispielhaft sind Auflagerollen 19A angedeutet. Ferner kann eine Basiseinheit 19B der Werkstückhalterung 19 ein Verschieben des Rohrs 9 entlang der Längsachse A erlauben oder den Abstand zum optischen System 1B' einstellen.
Alternativ oder ergänzend kann eine Relativbewegung zwischen Fügepartnern und optischem System 1B' durch ein Bewegen des optischen Systems 1B' (oder von Komponenten desselben) bewirkt werden. In 5 ist beispielhaft eine Linearverschiebungseinheit 19' des optischen Systems 1B' gezeigt, mit der die Fokuszone 7 entlang der Strahlachse 8 positioniert werden kann. Weitere Bearbeitungsachsen können vorgesehen werden, die es erlauben, den austretenden Laserstrahl 3 und damit die Fokuszonenachse im Raum auszurichten.
Die Laserbearbeitungsanlage 1' (analog die Laserbearbeitungsanlage 1) weist ferner eine Steuerungseinheit 23 auf, die insbesondere eine Schnittstelle zur Eingabe von Betriebsparametern durch einen Benutzer aufweist. Allgemein umfasst die Steuerungseinheit 23 elektronische Steuerungsbauteile wie einen Prozessor zum Ansteuern von elektrischen, mechanischen und optischen Komponenten der Laserbearbeitungsanlage 1'. Beispielsweise können Betriebsparameter der Laserstrahlquelle 1A wie z.B. Pumplaserleistung, Parameter für die Einstellung eines optischen Elements (beispielsweise eines SLM) und Parameter für die räumliche Ausrichtung eines optischen Elements des optischen Systems 1B' und Parameter der Werkstückhalterung 19 (zum Abfahren der Abtasttraj ektorie T) eingestellt werden (verdeutlicht durch Pfeile 23A).
In 5 ist ferner schematisch ein Abstandssensor 25 angedeutet, der beispielsweise am optischen System 1B' angeordnet ist. Der Abstandssensor 25 ist dazu eingerichtet, den Abstand der Fügepartner zum optischen System 1B' zu detektieren. Insbesondere kann der Abstandssensor 25 eine Position einer Oberfläche 9A des Rohrs 9 entlang der Strahlachse 8 in Bezug zu einer Soll-Position hinsichtlich der langgezogenen Fokuszone bestimmen. Die Soll-Position ist spezifisch für einen Schweißvorgang, die jeweiligen Fügepartner und die jeweilige Strahlformung festgelegt. Beispielsweise kann die Soll-Position durch eine gewünschte Verschiebung Δz (in oder entgegen der Propagationsrichtung des Laserstrahls) zwischen einem Beginn der langgezogenen Fokuszone und der Oberfläche des Fügepartners/Rohrs 9 angegeben werden. Der Beginn der langgezogenen Fokuszone kann beispielsweise an dem Ort in Z-Richtung liegen, an dem die Intensität auf 50 % der maximalen Intensität angestiegen ist. Neben einem Zusammentreffen des Beginns der langgezogenen Fokuszone mit der Oberfläche des Fügepartners kann als Soll-Position eine Verschiebung Δz > 0 eingestellt werden, bei der sich bereits vor dem Rohr 9 die langgezogene Fokuszone ausbildet und dann in das Material des Rohrs 9 hineinerstreckt. Ebenso kann eine Verschiebung Δz < 0 eingestellt werden, bei der sich nur im Material des Rohrs oder zumindest beginnend im Material des Rohrs 9 die langgezogene Fokuszone ausbildet (wie in 5 angedeutet).
Der Abstandssensor 25 gibt Abstandsdaten an die Steuerungseinheit 23 aus, die den Abstand beispielsweise über die Werkstückhalterung 19 oder die Linearverschiebungseinheit 19' in Bezug zu einer vorgegebenen Soll-Position regeln kann. Abstandssensoren können z.B. als konfokale Weißlichtsensoren, Weißlichtinterferometer (wie optische Kohärenz-Tomographen) oder kapazitive Sensoren ausgebildet werden.
Insbesondere kann der Abstandssensor 25 dazu verwendet werden, die Lage der Fügepartner bezüglich einer Bearbeitungsoptik und/oder die Geometrie der Fügepartner in einem Vorvermessungsschritt oder während des Schweißvorgangs zu vermessen. Beispielsweise kann es vorkommen, dass die Fügepartner in der Werkstückhalterung 19 bei einer Rotation taumelnd gelagert sind. In einem solchen Fall kann der Abstand der Oberfläche zur vorgegebenen Soll-Position vor der eigentlichen Bearbeitung gemessen und die Lagedaten der Oberfläche können gespeichert werden. Hierzu kann die Steuerungseinheit 23 veranlassen, dass die Fügepartner einmal entlang der zu bearbeitenden Trajektorie abgefahren werden, ohne dass der Laserstrahl 3 eingestrahlt wird. Während dieser Vorvermessung detektiert der Abstandssensor 25 die Abstandsdaten und gibt diese an die Steuerungseinheit 23 aus, in der die Abstandsdaten abgelegt werden.
Ferner kann der Abstandssensor 25 dazu ausgebildet sein, eine Krümmung der Oberfläche mindestens einer der Fügepartner in einem Vorvermessungsschritt oder während der Bearbeitung zu vermessen. Die Krümmung kann beispielsweise aus den Abstandsdaten errechnet werden. Beispielsweise kann die Krümmung der Oberfläche eines Fügepartners entlang der Abtasttrajektorie variieren, sodass in einer Vorvermessung die Abtasttrajektorie abgefahren wird, um Daten über die Krümmung der Oberfläche entlang der Abtasttrajektorie abzuspeichern und für eine spätere Einstellung einer phasenkorrigierenden Strahlformung zu nutzen. Eine entsprechende Vorvermessung kann wiederum von der Steuerungseinheit 23 angesteuert werden und die erfassten Krümmungsdaten können in der Steuerungseinheit 23 abgelegt werden.
Ferner kann die Steuerungseinheit 23 Parameter des Laserstrahls 3 einstellen. Beispielhafte Parameter des Laserstrahls 3, die im Rahmen dieser Offenbarung für den Laserschweißvorgang verwendet werden können, sind:

Laserpulsenergien/Energie einer Laserpulsgruppe (Burst): z.B. im mJ-Bereich und mehr, beispielsweise im Bereich zwischen 20 µJ und 5 mJ (z.B. 1200 µJ), typischerweise zwischen 100 µJ und 1 mJ
Wellenlängenbereiche: IR, VIS, UV (z.B. 2 µm > λ > 200 nm; z.B. 1550nm, 1064 nm, 1030 nm, 515 nm, 343 nm)
Pulsdauer (FWHM): einige Pikosekunden (beispielsweise 3 ps) und kürzer, beispielsweise einige hundert oder einige (zehn) Femtosekunden, insbesondere ultrakurze Laserpulse/Laserpulsgruppen
Anzahl der Laserpulse in einem Burst: z.B. 2 bis 4 Pulse (oder mehr) pro Burst mit einem zeitlichen Abstand im Burst von einigen Nanosekunden (z.B. 20 ns)
Anzahl der Laserpulse pro Modifikation: ein Laserpuls oder ein Burst für eine Modifikation Repetitionsrate: üblicherweise größer 0.1 kHz, z.B. 100 kHz Länge der Fokuszone im Material: größer 20 µm, bis zu einigen Millimetern
Durchmesser der Fokuszone im Material: größer 1 µm, bis zu 20 µm und mehr (sich ergebende laterale Ausdehnung der Schmelzzone im Material (ohne Relativbewegung): größer 100 nm, z.B. 300 nm oder 1 µm, bis zu 20 µm und mehr)

Dabei bezieht sich die Pulsdauer auf einen Einzellaserpuls. Entsprechend bezieht sich eine Einwirkdauer auf eine Gruppe/Burst von Laserpulsen, die zur Ausbildung eines Schmelzbads an einem Ort in mindestens einem der Fügepartner führen. Ist die Einwirkdauer wie die Pulsdauer kurz hinsichtlich einer vorliegenden Vorschubgeschwindigkeit, trägt ein Laserpuls und tragen alle Laserpulse einer Gruppe von Laserpulsen zur Ausbildung eines Schmelzbads an einem Ort bei. Bei niedrigeren Vorschubgeschwindigkeiten oder wiederholtem Abtasten können auch durchgehend aufgeschmolzene Bereiche entlang der Fügeflächen entstehen.
Die zuvor genannten Parameterbereiche können die Ausbildung eines Schmelzbads erlauben, das sich bis zu beispielsweise 1 mm (typisch 20 µm bis 500 µm) in Strahlausbreitungsrichtung entlang einer Fügefläche erstreckt.
Für die Ausbildung von langgezogenen Fokuszonen kann die fokusbildende Strahlformung dazu eingerichtet sein, ein Einlaufen von Strahlanteilen des Laserstrahls unter einem Einlaufwinkel auf eine Strahlachse des Laserstrahls zumindest teilweise im Material des ersten Fügepartners und/oder im Material des zweiten Fügepartner durch Interferenz zu bewirken. Somit kann die Fokuslänge (im Wesentlichen gegeben durch das Ausmaß des Schmelzbads) kleiner oder gleich einer vorbestimmten Fugenlänge in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls eingestellt werden. Insbesondere kann die Fokuslänge in einem Bereich zwischen 20 µm und 500 µm (z.B. zwischen 100 µm und 500 µm) eingestellt werden. Ferner können Fokuszonen mit asymmetrischen Intensitätsverteilungen wie ein abgeflachter Strahl beim Laserschweißen eingesetzt werden, um entsprechend geformte Schmelzbäder (und damit gegebenenfalls entsprechend geformte Schweißnähte) zu erzeugen.
Die Strahlformung wird in 5 beispielhaft mit einem flächigen diffraktiven optischen Strahlformungselement 27 umgesetzt.
Die hierin offenbarten Konzepte zur Phasenkorrektur hinsichtlich der gekrümmten Oberfläche eines Fügepartners wird in 5 durch eine Zylinderlinse 29 umgesetzt. Eine der Zylinderlinse zugeordnete Zylinderachse erstreckt sich in 5 entlang der Achse A des Rohrs 9. Ferner ist in 5 schematisch angedeutet, dass die Zylinderlinse 29 als Phasenverteilung eines (einstellbar deformierbaren) Zylinderspiegels oder eines diffraktiven optischen Strahlformungselements 29' ausgebildet werden kann. Dabei kann das diffraktive optische Strahlformungselement 29' als ein fest eingeschriebenes diffraktives optisches Strahlformungselement ausgebildet sein. Ferner kann das diffraktive optische Strahlformungselement 29' ein einstellbares diffraktives optisches Strahlformungselement sein. Ferner können das diffraktive optische Strahlformungselement 27 und das diffraktive optische Strahlformungselement 29' in einem diffraktiven optischen Strahlformungselement zusammengefasst werden. Ein einstellbares diffraktives optisches Strahlformungselement oder ein deformierbarer Zylinderspiegel kann von der Steuerungseinheit 23 hinsichtlich der vorzunehmenden phasenkorrigierenden Strahlformung angesteuert und eingestellt werden (siehe Pfeil 23A in 5).
Allgemein ist ein diffraktives optisches Strahlformungselement dazu ausgebildet, einen Phasenbeitrag auf ein transversales Strahlprofil des Ausgangslaserstrahls 3' aufzuprägen, wobei das diffraktive optische Strahlformungselement aneinander angrenzende Flächenelemente (siehe beispielhaft für das Strahlformungselement 27 in 5 angedeutete Flächenelemente 27A) aufweist. Die Flächenelemente 27A können eine flächige Gitterstruktur aufbauen, bei der jedem Flächenelement 27A ein Phasenschiebungswert zugeordnet ist. Mithilfe von speziell gewählten Phasenschiebungswerten kann z.B. ein Axicon oder ein inverses Axicon, aber auch eine Zylinderlinse diffraktiv nachgebildet werden.
Hierin werden diffraktive optische Strahlformungselemente und entsprechende refraktive Optiken sowie reflektive Optikimplementierungen als hinsichtlich der vorzunehmenden Phasenkorrektur im Wesentlichen gleichwertige optische Mittel angesehen.
Die 6A und 6B zeigen orthogonale Schnittansichten des Strahlengangs (nur schematisch, nicht physikalisch) in einem optischen System zur Verdeutlichung der Strahlformung.
6A zeigt eine Schnittansicht in einer Z-Y-Ebene und 6B zeigt eine Schnittansicht in einer Z-X-Ebene.
Die Bearbeitungsoptik wird zur (Gauß-) Bessel-Strahl-Erzeugung genutzt und umfasst ein Axicon 31 mit einem Konuswinkel γ, sodass radiale Strahlanteile jeweils unter einem Winkel δ auf die Strahlachse 8 zulaufen und eine erste reale Bessel-Strahl-Fokuszone (Interferenzzone 33 über eine Länge 10) ausbilden. Das Axicon 31 ist in zwei Teleskope eingebettet. Ein strahlaufwärts positioniertes Teleskop (nicht gezeigt) passt den Strahldurchmesser des Ausgangslaserstrahls 3' auf das Axicon 31, allgemein das Strahlformungselement, an. Explizit wird in den 6A und 6B die strahlabwärts positionierte Teleskopanordnung 20A mit Teleskoplinsen L1 und L2 und Fokuslängen f1 und f2 gezeigt, mit dem die Axiconspitze 31_S in die Fügepartner verkleinert (Verkleinerungsfaktor M=f1/f2) abgebildet wird. Allgemeines Ziel der Abbildung ist es, dass die Interferenzzone 33 verkleinert zur Ausbildung der langgezogenen Fokuszone 7 (des nicht-beugenden Laserstrahls) in das Material mindestens eines der Fügepartner abgebildet wird. Der nicht-beugende Laserstrahl trifft an einem Auftreffpunkt P auf die gekrümmte Oberfläche. Allgemein wird hierin unter dem Auftreffpunkt der Schnittpunkt der optischen Achse des Laserstrahls mit der Anordnung von Fügepartnern verstanden. Wird die Axiconspitze 31_S auf die gekrümmte Oberfläche abgebildet, liegt keine Verschiebung Δz des Beginns des nicht-beugenden Laserstrahls zur Eintrittsoberfläche vor (d.h., Δz = 0). Im Beispiel der 6A liegt der Beginn des nicht-beugenden Laserstrahls um einen Betrag Δz > 0 vor der Oberfläche. Alternativ liegt der Beginn des nicht-beugenden Laserstrahls um einen Betrag Δz < 0 hinter der Oberfläche (siehe 5 und 8A), d.h., im Material, sodass die Oberfläche vom Schweißvorgang nicht beeinflusst werden. Beispielsweise liegt |Δz| im Bereich von 100 µm bis 200 µm oder mehr.
Nach der Abbildung und dem Eintreten in das Material verlaufen die radialen Strahlanteile in der Z-Y-Ebene im Material beispielsweise unter einem Winkel δ' auf die Strahlachse 8 zu.
Dies ist in 7A (ideale Propagation; ohne Aberrationen) für eine plane Oberfläche 37 gezeigt. Die Interferenz der radialen Strahlanteile 3T erfolgt über die gesamte Länge.
Ein beispielhafter Intensitätsverlauf I(x, z) ist entlang der Strahlachse 8 (in Z-Richtung) in 8A gezeigt, wie er mit einem Bessel-Strahl erzeugt werden kann. Einen zugehörigen transversalen Intensitätsverlauf I(x, y) zeigt 8B. Die Intensitätsverläufe entsprechen denen der Abbildung (b) der 1.
Ziel ist es, einen derartigen Intensitätsverlauf auch für einen Fügepartner mit einer gekrümmten Oberfläche 9A zu erreichen. Dies ist ohne eine Korrektur des optischen Weges in der Krümmungsebene jedoch nicht möglich.
7B (gestörte Propagation; mit Aberrationen) verdeutlicht die Problematik für den Eintritt eines Bessel-Strahl-geformten Laserstrahls in ein Material durch eine gekrümmte Oberfläche 39. Aufgrund der Krümmung (d.h., eines lokal geneigten Einfalls) verlaufen die radialen Strahlanteile im Material unter variierenden Winkeln δ(r) auf die Strahlachse 8 zu. Die Interferenzbedingungen sind beim Bessel-Strahl nur anfangs (beim inversen Bessel-Strahl nur am Ende) aufgrund der noch angenähert planen Oberfläche im zentralen Bereich um die Strahlachse gegeben. Dies ist beispielsweise die Situation für eine Oberfläche mit einem Krümmungsradius R von 5 mm und einen Durchmesser D des auftreffenden Laserstrahls 3 von z.B. 250 µm bis 2 mm.
Ein beispielhafter Intensitätsverlauf I(x, z) wird in den 9A und 9B für diese Situation des Eintritts durch eine gekrümmte Oberfläche gezeigt. 9A zeigt einen Intensitätsverlauf I(x, z). Man erkennt, dass entlang der Strahlachse 8 (in Z-Richtung) hohe Intensitäten nur über einen begrenzten Bereich vorliegen, anschließend bilden sich Zonen etwas höherer Intensität in einem Abstand von der Strahlachse 8 aus. In der zugehörigen transversalen Intensitätsverlauf I(x, y) der 8B erkennt man, dass diese off-axis Zonen in der X- und Y-Richtung angeordnet sind.
Die Wellenfrontaberrationen beim Durchgang durch die gekrümmte Oberfläche 39 resultieren somit in einer Fokusverteilung mit signifikantem Intensitätsverlust in Ausbreitungsrichtung, sodass eine optische Bearbeitung von insbesondere tiefer liegenden Bereichen nicht mehr möglich wird. Ähnliche Auswirkungen können auch hinsichtlich eines Gauß-Fokus vorliegen.
Zurückkommend auf 6B ist aufgrund der in der Z-X-Ebene gekrümmten Oberfläche 9A des Rohrs 9 eine Ausbildung eines sich über die gesamte vorgesehene Länge erstreckenden nicht-beugenden Strahls (d.h., eine konstruktive Interferenz in insbesondere tiefer liegenden Bereichen) ohne Kompensation in der Z-X-Ebene nicht mehr gegeben, da sich die Bedingungen hinsichtlich der Interferenz im Fügepartner von denen in der Interferenzzone 33 unterscheiden. Die gewünschte Intensitätsverteilung wird also ohne Kompensation nicht mehr im Fügepartner erzeugt.
Vorausgesetzt das hierin vorgeschlagene Konzept der Phasenkompensation wurde vorgenommen, beeinflusst die Korrekturphase den Verlauf des Laserstrahls im Material derart, dass die radialen Strahlanteile auch in der Z-X-Ebene ebenfalls im Wesentlichen unter dem Winkel δ' auf die Strahlachse 8 zulaufen.
Zur Phasenkompensation wird im Aufbau der 6A und 6B vor dem Axicon 31 eine Zylinderlinse 35 positioniert, deren refraktive Wirkung in der Querschnittsebene des Rohrs 9 liegt. Zur Verdeutlichung einer alternativen Anordnung ist eine Zylinderlinse 35' in 6B gestrichelt angedeutet, die direkt strahlabwärts im Anschluss an das Axicon 31 im Strahlengang in der Bearbeitungsoptik positioniert ist. Die Zylinderlinse 35, 35' stellt den Ort des Aufprägens einer achsensymmetrischen Phasenverteilung dar.
Die Zylinderlinse weist einen Brechungsindex nz, einen Zylinderradius Rz und eine Brennweite fz auf, um Aberrationen aufgrund des Krümmungsradius Ra der Oberflächen und einem Brechungsindex nw zu kompensieren.
Bis auf die Zylinderlinse 35 sind die Optiken im Aufbau der 6A und 6B rotationssymmetrisch um die Strahlachse 8 im Fall eines rotationssymmetrischen Axicon 31 zu verstehen.
Aufgrund der Zylinderlinse 35 wird sich die Interferenz im Anschluss an das Axicon 31 nicht mehr rotationssymmetrisch ausbilden, da sich z.B. die Bedingungen in der Interferenzzone 33 in der Z-Y-Ebene von denen in der Y-X-Ebene unterscheiden.
Die in 5 und in den 6A und 6B gezeigten optischen Systeme sind Beispiele für ein optisches System zum Strahlformen eines Laserstrahls für eine Ausbildung einer Fokuszone in einem Fügepartner/in Fügepartnern mit einer gekrümmten Oberfläche, wobei die Fokuszone entlang einer Strahlachse des Laserstrahls langgezogen ausgebildet ist. Dabei weisen die optischen Systeme zum einen eine fokusbildende Optik auf, die ein Einlaufen von Strahlanteilen unter einem Einlaufwinkel auf eine Strahlachse des Laserstrahls für eine Ausbildung der langgezogenen Fokuszone entlang der Strahlachse (d.h., für eine Ausbildung eines nicht-beugenden Strahls) im Material durch Interferenz bewirkt. Zum anderen ist eine Phasenkorrektur im optischen System vorgesehen, die einer Beeinflussung der Interferenz durch einen Eintritt des Laserstrahls in die Fügepartner entgegenwirkt. Die Phasenkorrektur kann allgemein diffraktiv, refraktiv und/oder reflektiv umgesetzt werden. Sie kann z.B. als eine phasenkorrigierende (separate) Optik vorgesehen werden oder in die fokusbildende Optik integriert sein.
Für die Verwendung einer Zylinderlinse 35, 35' als Kompensationsoptik sollte die Zylinderlinse 35, 35' so nah wie möglich in der Ebene des Axicon bzw. des diffraktiven optischen Elements (Strahlformungselement 27) stehen (möglichst direkt davor oder danach).
Die Auswahl des Krümmungsradius Rz der Oberfläche der Zylinderlinse hängt von der relativen Lage des nicht-beugenden Strahls hinsichtlich des Fügepartners, insbesondere vom Beginn der langgezogenen Fokuszone hinsichtlich der Eintrittsoberfläche des Fügepartners, ab.
Für den Fall, dass keine Verschiebung Δz des Beginns der langgezogenen Fokuszone zur Eintrittsoberfläche vorliegt (Δz = 0), berechnet sich der Krümmungsradius Rz der Zylinderlinse in guter Näherung aus fz ≈ Rw M² / (n-1) und fz ≈ Rz / (nz-1) $R_{z} \approx (n_{z} - 1) \cdot [- \frac{M^{2} \cdot R_{w}}{n_{w} - 1}]$
mit

Rz: Krümmungsradius der Zylinderlinse,
nz: Brechungsindex der Zylinderlinse,
Rw: Krümmungsradius der Oberfläche des Fügepartners,
nw: Brechungsindex des Materials des Fügepartners und
M: M = f1 / f2 - Abbildungsfaktor des Strahlengangs zwischen einem Ort des Aufprägens der Phasenverteilung und dem Fügepartner.

Berücksichtigt man, dass die langgezogene Fokuszone vor der Oberfläche des Fügepartners beginnt (Δz größer 0) oder in den Fügepartner hineinfällt (Δz kleiner 0), ergeben sich folgende näherungsweisen Definitionen des Krümmungsradius R_z der Oberfläche der Zylinderlinse, die jeweils für Δz = 0 der obigen Bedingung entspricht.
Δz > 0 (mit den zusätzlichen Parametern a = 5060 mm^-2 und b = 9645 mm^-1): $R_{z} (Δ z \geq 0, R_{w}) \approx (n_{z} - 1) \cdot [(b - a \cdot R_{w}) \cdot {(Δ z)}^{2} - \frac{M^{2} \cdot R_{w}}{n_{w} - 1}]$
Δz ≤ 0 (mit den zusätzlichen Parametern c = 284 mm^-1 und d = 590): $R_{z} (Δ z \leq 0, R_{w}) \approx (n_{z} - 1) \cdot [(d - c \cdot R_{w}) \cdot Δ z - \frac{M^{2} \cdot R_{w}}{n_{w} - 1}]$
Man erkennt einen angenähert linearen Verlauf für Δz < 0 sowie einen angenähert quadratischen Verlauf für Δz > 0.
Wie in 5 angedeutet ist entsprechend bei einem „positiv“ gewölbten Fügepartner (konvex in der Schnittebene) eine „negative“ Zylinderlinsenwölbung (konkav) vorzusehen. Mit anderen Worten hat eine durch die Zylinderlinse hervorgerufene Phasenverteilung eine streuende Wirkung (und nicht eine sammelnde Wirkung, wie sie beim Eintritt in den Fügepartner eintritt). Der Fachmann wird anerkennen, dass mit den hierin offenbarten Konzepten auch Fügepartner mit einer konkav gekrümmten Oberfläche (beispielsweise für ein Laserverschweißen entlang eines eine Rinne aufweisenden Stabs) durch vorsehen einer „positiven“ Zylinderlinsenwölbung (konvex) verschweißt werden können.
Krümmungsradien werden hierin allgemein in einer Schnittebene quer zur Längsachse des zu verschweißenden Fügepartners mit gekrümmter Oberfläche betrachtet. Ein Krümmungsradius ist für einen Fügepartner mit einer in der Schnittebene konvexen Form (runde Rohroberfläche) invers bezüglich einer konkaven Form. Die Krümmung der korrigierenden Optiken (bzw. eine den entsprechenden Phasenverläufen zuordbare „Krümmung“) ist entsprechend zur Krümmung des Fügepartners invertiert. Dies ist in obiger Formel für durch den Faktor (-1) angedeutet. Man erkennt einen Krümmungsradius R_z kleiner Null/negative Zylinderlinse für eine konkave Form des Fügepartners. Entsprechend ergibt sich ein Krümmungsradius R_z größer Null/positive Zylinderlinse für eine konvexe Form des Fügepartners. Der Fachmann wird anerkennen, dass neben plan-konvexen oder plan-konkaven Zylinderlinsen (siehe 5) entsprechende beidseitig gekrümmte Linsen mit dem entsprechenden Brechungsverhalten eingesetzt werden können.
Nachfolgend werden anhand der 10A bis 10F Phasenverteilungen mit diffraktiven optischen Strahlformungselementen erläutert.
Beispielhafte Phasenverteilungen sind für einen realistischen Laserschweißvorgang basierend auf Phasenverläufen, wie sie einem 2°-Axicon und einer 1000 mm-Zylinderlinse entsprechen, in den 10A bis 10C für zentrale Ausschnitte von z.B. 1-Zoll-Durchmesser-DOEs gezeigt. Da die Phasenverteilung für das 2°-Axicon die kombinierte Phasenverteilung dominiert, zeigen die 10D bis 10F zur Verdeutlichung einen beispielhaften Fall basierend auf Phasenverläufen, wie sie einem 0,5°-Axicon und einer 200 mm-Zylinderlinse zugeordnet werden können.
10A zeigt eine zweidimensionale Phasenverteilung PHI_BESSEL(x, y) [in rad] für ein diffraktives optisches Element, das eine fokusbildende Strahlformung bewirkt. Insbesondere kann die Phasenverteilung PHI_BESSEL(x, y) eine symmetrische Bessel-Strahl-Phasenverteilung auf einen einfallenden Gaußschen Strahl (zur Erzeugung eins Bessel-Gauß-Strahls) aufprägen. In der Phasenverteilung PHI_BESSEL(x, y) erkennt man ringförmig verlaufende konstante Phasenschiebungswerte, die radial in einer Sägezahnform zwischen -PI und +PI verlaufen. Die Phasenschiebungswerte stellen erste Phasenbeiträge 25A der Strahlformung dar und bewirken ein Einlaufen von Strahlanteilen unter einem Einlaufwinkel auf eine Strahlachse des Laserstrahls für eine Ausbildung einer langgezogenen Fokuszone entlang der Strahlachse im Material durch Interferenz. Die langgezogene Fokuszone entspricht in etwa der mit einem 2°-Axicon (γ = 2°) erzeugten Fokuszone.
10B zeigt eine zweidimensionale Phasenverteilung PHI_ZYL(x, y) für ein diffraktives optisches Element, das eine phasenkorrigierende Strahlformung bewirkt, wie sie beim Verschweißen von Rohren mit einem Außenradius von 5 mm mit einer langgezogenen Fokuszone, wie sie mit der Phasenverteilung PHI_BESSEL(x, y) erzeugt wird, eingesetzt werden kann. Der Phasenverlauf entspricht in etwa dem einer 1000 mm-Zylinderlinse mit einem Zylinderradius von „Rz ≈ -500 mm“.
Man erkennt in Y-Richtung konstante Phasenschiebungswerte, die in X-Richtung in einer Sägezahn-ähnlichen Form zwischen -PI und +PI quadratisch in x-Richtung verlaufen (ansteigen) und zweite Phasenbeiträge 25B der Strahlformung darstellen. Die zweiten Phasenbeiträge 25B bilden eine zu einer Symmetrieachse S symmetrische Phasenverteilung, wobei die zweiten Phasenbeiträge 25B parallel zur Symmetrieachse S (in y-Richtung) konstant sind und sich senkrecht zur Symmetrieachse S verändern.
Angenommen, es liegen ein Abbildungsfaktor M = 10 und entsprechend übliche Brechungsindizes für die Zylinderlinse und das Rohr vor, können die zweiten Phasenbeiträge 25B die Eintrittsphase aufheben, die von einem Laserstrahl bei einem Eintritt in das Rohr mit dem Außenradius von 5 mm lokal, d.h., auf einem Flächenelement auf der gekrümmten Oberfläche, akkumuliert werden.
Die zweidimensionale Phasenverteilung PHI_BESSEL(x, y) und die Phasenverteilung PHI_ZYL(x, y) können mit einem diffraktiven optischen Element zusammengefasst erzeugt werden. 10C zeigt eine entsprechende überlagerte zweidimensionale Phasenverteilung PHI total (x, y), bei der die zweidimensionale Phasenverteilung PHI_BESSEL(x, y) im Erscheinungsbild dominiert.
Zur Verdeutlichung des Erscheinungsbildes einer Überlagerung eines punktsymmetrischen Phasenverlaufs zur Bessel-Strahl-Erzeugung eines achsensymmetrischen Phasenverlaufs zur Phasenkorrektur zeigt 10D eine Phasenverteilung PHI_BESSEL(x, y) zur Erzeugung einer langgezogene Fokuszone, die in etwa der mit einem 0,5°-Axicon erzeugten Fokuszone entspricht. 10E zeigt eine zweidimensionale Phasenverteilung PHI_ZYL(x, y), deren Phasenverlauf in etwa dem einer 200 mm-Zylinderlinse mit einem Zylinderradius von ca. -100 mm entspricht.
In 10F erkennt man nun in der überlagerten zweidimensionalen Phasenverteilung PHI total(x, y) eine entsprechende Verformung der Phasenverteilung PHI_BESSEL(x, y). Mit der Phasenverteilung PHI_BESSEL(x, y) der 10F könnten Rohre mit einem Außenradius von 1 mm (bei M = 10) verschweißt werden. Es wird noch einmal angemerkt, dass die den 10D bis 10F zugrundeliegenden Parameter rein der Verdeutlichung der Phasenverläufe dienen und weniger ein realistisches Beispiel darstellen sollen.
11 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Ausbilden einer Schweißverbindung zwischen einem ersten Fügepartner und einem zweiten Fügepartner mit einem Laserstrahl, insbesondere Ultrakurzpuls-Laserstrahl, wobei die Schweißverbindung eine erste Fügefläche des ersten Fügepartners mit einer zweiten Fügefläche des zweiten Fügepartners verschweißt.
In einem Schritt 100 werden 2 Fügepartner räumlich derart gelagert, dass die zugehörigen Fügeflächen räumlich zueinander fest ausgerichtet sind. Üblicherweise kontaktieren sich die Fügeflächen oder weisen einen Abstand/Spalt in der Größe von maximal wenigen Mikrometern (beispielsweise kleiner 15 µm) auf.
In einem Schritt 101 erfolgt ein Strahlformen eines Laserstrahls zum Ausbilden einer (insbesondere langgezogenen) Fokuszone im Bereich der Fügeflächen der Fügepartner. Das Strahlformen wird mit einer Anordnung von diffraktiven und/oder refraktiven und/oder reflektiven Optiken durchgeführt. Der Schritt 101 umfasst die Teilschritte einer fokusbildenden Strahlformung 101A und einer phasenkorrigierenden Strahlformung 101B.
Die fokusbildende Strahlformung 101A führt z.B. zur Ausbildung der Fokuszone im Falle, dass keine gekrümmte Oberfläche zu durchlaufen wäre. Beispielsweise bewirkt sie im Bereich der Fügeflächen die Ausbildung eines Gaußschen Fokus oder ein Einlaufen von Strahlanteilen unter einem Einlaufwinkel auf eine Strahlachse des Laserstrahls für die Ausbildung einer langgezogenen Fokuszone entlang der Strahlachse durch Interferenz.
Die phasenkorrigierende Strahlformung 101B wirkt einer Beeinflussung der Interferenz durch den Eintritt des Laserstrahls in den Fügepartner mit der gekrümmten Oberfläche bzw. in die Fügepartner mit den gekrümmten Oberflächen entgegen.
Die Schritte 101A und 101B können auch in einem gemeinsamen Phasenaufprägungsschritt kombiniert durchgeführt werden. So kann im Schritt 101 eine zweidimensionale Phasenverteilung auf den Laserstrahl zum Ausbilden der Fokuszone aufgeprägt werden, wobei die Phasenverteilung für die fokusbildende Strahlformung erste Phasenbeiträge umfasst, die z.B. das Einlaufen von Strahlanteilen unter dem Einlaufwinkel bewirken, und/oder für die phasenkorrigierende Strahlformung zweite Phasenbeiträge umfasst, die eine vom Laserstrahl bei einem Eintritt in den Fügepartner/die Fügepartner lokal akkumulierte Eintrittsphase aufheben. Die akkumulierte Eintrittsphase wird für eine Ausrichtung der Strahlachse entlang einer Normalenrichtung der Oberfläche an einem Auftreffpunkt der Strahlachse auf die Oberfläche bestimmt. Sie berücksichtigt den Einlaufwinkel (δ'), den Krümmungsradius Rw der Oberfläche des Fügepartners am Auftreffpunkt und den Brechungsindex nw des Materials des Fügepartners (insbesondere des Materials im Bereich des Strahleintritts).
In einem Schritt 103 kann z.B. ein Ausrichten der symmetrischen Phasenverteilung und der Fügepartner derart erfolgen, dass eine Symmetrieachse der Phasenverteilung der zweiten Phasenbeiträge unter Berücksichtigung des Strahlengangs zwischen einem Ort des Aufprägens dieser achsensymmetrischen Phasenverteilung und den Fügepartnern orthogonal zu einer Ebene verläuft, in der ein (maximaler) Krümmungsradius der Oberfläche definiert ist.
In einem Schritt 105 werden Strahlparameter des Laserstrahls derart eingestellt, dass das Material mindestens einer der Fügepartner aufgeschmolzen wird.
In einem Schritt 107 wird der Laserstrahl auf die gekrümmte Oberfläche der Fügepartner derart eingestrahlt, dass zumindest ein Teil des Laserstrahls durch die gekrümmte Oberfläche in den Fügepartner eintritt. Dabei kann die Strahlachse des Laserstrahls zu einer Normalenrichtung der Oberfläche derart ausgerichtet werden (Schritt 107A), dass die Strahlachse in einem Winkelbereich von 10° um die Normalenrichtung und bevorzugt entlang der Normalenrichtung auf die Oberfläche auftrifft. Im Material des Fügepartners/der Fügepartner propagiert Laserstrahlung zu der ersten Fügefläche (den Fügeflächen) und erzeugt die Fokuszone. Diese überlappt zumindest teilweise mit dem Material einer der Fügepartner.
In einem Schritt 109 wird eine Relativbewegung zwischen mindestens einem der Fügepartner und der Fokuszone bewirkt, bei der die Fokuszone entlang einer Abtasttraj ektorie im Material mindestens eines der Fügepartner positioniert wird. Entsprechend kann eine Mehrzahl von Schmelzzonen oder eine durchgängige Schmelzzone im Bereich der Fügeflächen entlang der Abtasttrajektorie gebildet werden.
Beispielsweise wird die Fokuszone entlang der ersten Fügefläche unter Beibehaltung einer Ausrichtung des Laserstrahls mit Bezug zu einer Krümmung der gekrümmten Oberfläche bewegt. Beispielsweise kann die Fokuszone durch eine Rotation eines oder beider Fügepartner um eine der Krümmung der gekrümmten Oberfläche zugeordnete Achse bewirkt werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Rotation des Laserstrahls (der Strahlformungsoptik) um den ersten Fügepartner und/oder den zweiten Fügepartner bewirkt werden.
Die Relativbewegung kann in Schritt 109 als eine Rotationsbewegung mindestens eines der Fügepartner angesteuert werden, bei der die Strahlachse des Laserstrahls insbesondere durch eine Längsachse des Fügepartners verläuft. Bei einer reinen Rotationsbewegung kann die Abtasttrajektorie des Laserstrahls in einer Ebene der maximalen Krümmung der Oberfläche des Fügepartners verlaufen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Translationsbewegung zum Beispiel quer angesteuert werden, um den Bereich des Schmelzbads lateral zu erweitern.
In einem Schritt 111 kann optional eine Position der Oberfläche entlang der Strahlachse überwacht und auf eine Soll-Position (Soll-Abstand vom optischen System) geregelt werden. Das Überwachen und Regeln wird insbesondere dann durchgeführt, wenn eine Rotationsachse der Rotationsbewegung von einer Rotationssymmetrieachse der Oberfläche abweicht und/oder die Oberfläche zumindest abschnittsweise von einem rotationssymmetrischen Oberflächenverlauf abweicht.
Insbesondere die Verwendung von langgezogenen Fokuszonen kann eine Translationsbewegung in Ausbreitungsrichtung (zumindest teilweise) ersetzen. Es wird angemerkt, dass eine Abstandsänderung sich auf die vorzunehmende phasenkorrigierende Strahlformung auswirken kann. Entsprechend müsste bei einer Abstandsänderung eine Änderung der phasenkorrigierenden Strahlformung vorgenommen werden oder mit der möglichen Abweichung in der Fokusgeometrie gearbeitet werden.
Ähnlich kann in einem Schritt 113 eine phasenkorrigierende Strahlformung 101B' in ihrer Kompensationswirkung auf die jeweils vorliegende Krümmung der Oberfläche angepasst werden, wenn die Trajektorie in einem Bereich mit variierender Krümmung verläuft. Somit kann für die jeweils vorliegende Krümmung der Oberfläche z.B. einer Beeinflussung der Interferenz durch den Eintritt des Laserstrahls in das Material entgegengewirkt werden. Die Anpassung der phasenkorrigierenden Strahlformung erfolgt beispielsweise durch Berücksichtigen der jeweils vorliegenden Krümmung in der zweidimensionalen Phasenverteilung des strahlformenden Elements. Beispielsweise können die für eine derartige Phasenkorrektur vorgesehenen zweiten Phasenbeiträge 25B in einem einstellbaren SLM entsprechend angepasst werden. Alternativ kann beispielsweise die Krümmung eines deformierbaren Spiegels angepasst werden.
Die Anpassung kann beispielsweise basierend auf Messungen erfolgen, die während des Schweißvorgangs durchgeführt werden. Eine entsprechend schnelle Analyseeinheit für die Geometrie der Fügepartner ist bereitzustellen. Alternativ oder in Ergänzung kann in einem Schritt 115 eine Vorvermessung der Geometrie der Fügepartner entlang der Abtasttrajektorie durchgeführt werden. Für die Vorvermessung kann die Laserbearbeitungsanlage beispielsweise die für den Schweißvorgangabzufahrende Abtasttrajektorie ohne Aktivierung der Laserstrahlquelle für die Vermessung der Geometrie der Fügepartner abfahren.
12A verdeutlicht als weiteres Beispiel für einen Schweißvorgang die Konstellation eines gewinkelten Stumpfstoßes 51 beim Verschweißen zweier Rohre 53A, 53B als Fügepartner. D.h., jeder der Fügepartner weist eine zylindrische Grundform auf. Jedoch erstrecken sich in diesem Fall die Zylinderachsen 55A, 55B unter einem Winkel. Im Unterschied zur Anordnung der 3A, bei der die Zylinderachsen zueinander ausgerichtet sind, weisen die Rohre 53A, 53B hinsichtlich des Laserstrahls 3 eine unterschiedliche Einfallsgeometrie auf die gekrümmten Außenoberflächen auf: orthogonaler Einfall auf die Zylinderachse 55A im Fall des Rohrs 53A und schräger Einfall auf die Zylinderachse 55B im Fall des Rohrs 53B.
Beispielhaft überlappt die Fokuszone 7 mit dem Material der Rohre 53A, 53B an beiden Rohrendflächen (als Fügeflächen) .
Man erkennt in 12A, dass sich phasenkorrigierende Strahlformungen für Strahlanteile 57A, 57B, die sich jeweils durch einen der Fügeparten ausbreiten, unterscheiden können. Beispielsweise kann der Strahlanteil 57A wie im Beispiel der 3A kompensiert werden, wogegen der Strahlanteil 57B aufgrund des schrägen Einfalls abhängig vom Rotationswinkel angepasst werden könnte.
Denn, findet während des Schweißvorgangs eine Rotation (Pfeil 59) um die Zylinderachse 55A statt, ist anzumerken, dass sich die ideale phasenkorrigierende Strahlformung für den Strahlanteil 57B ändert, da sich der Einfallswinkel auf die Zylinderachse 55B während der Rotation ändert.
12B verdeutlicht als weiteres Beispiel für einen Schweißvorgang die Konstellation eines Stumpfstoßes 61 bei Verschweißen eines transparenten Glasrohrs 63A (erster Fügepartner) mit einem opaken Stab 63B (zweiter Fügepartner). Das Material des Stabs 63B ist im Wesentlichen intransparent hinsichtlich der Laserstrahlung des Laserstrahls 3. Wie in der Anordnung der 3A sind die Zylinderachsen 65A, 65B des Glasrohrs 63A bzw. des Stabs 63B zueinander ausgerichtet, sodass die gekrümmten Außenoberflächen des Glasrohrs 63A und des Stabs 63B ineinander übergehen.
Das Material des opaken Stabs 63B absorbiert einen einfallenden Strahlanteil 67B der Laserstrahlung des Laserstrahls 3 mit linearer Absorption bereits an der Oberfläche des opaken Stabs 63B, sodass der Strahlanteil 67B nicht zur Ausbildung des Schmelzbads im Bereich der Fügeflächen genutzt werden kann.
Jedoch breitet sich ein Strahlanteil 67A - aufgrund der phasenkorrigierenden Strahlformung - derart in Richtung der Fügefläche des opaken Stabs 63B aus, dass dort eine, insbesondere auch langgezogene, Fokuszone ausgebildet werden kann. Angesichts der Verluste sind ausreichend hohe Intensitäten für den verbleibenden Strahlanteil 67A zu erzeugen. Das Material des opaken Stabs 63B kann insbesondere über lineare Absorption des Laserstrahls 3 erwärmt werden. Das Material des Glasrohrs 63A kann ferner durch nicht-lineare Absorption und/oder indirekt vom erwärmten Material des opaken Stabs 63B erwärmt werden, um so ein gemeinsames Schmelzbad der Fügepartner in der Fokuszone 7 auszubilden.
12C verdeutlicht als weiteres Beispiel für einen Schweißvorgang die Konstellation eines Überlappstoßes 71 beim Verschweißen eines transparenten Glasrohrs 73A (erster Fügepartner: Hohlzylinder), in das ein Glasstab 73B (zweiter Fügepartner: zylindrische Grundform) teilweise eingeführt wurde. D.h., das Glasrohr 73A weist zumindest abschnittsweise eine hohlzylindrische Form bezüglich einer Zylinderachse 75 auf, entlang der sich auch der Glasstab 73B erstreckt.
Die erste Fügefläche ist ein Abschnitt einer Innenfläche 77A des transparenten Glasrohrs 73A. Ein Abschnitt einer Außenoberfläche 77B des Glasstabs 73B bildet eine zweite Fügefläche, wobei der Verlauf der zweiten Fügefläche im Wesentlichen einem Verlauf der ersten Fügefläche folgt.
In 12C wird ein Aufschmelzen von Material des Glasrohrs 73A und Material des Glasstabs 73B mit einer langgezogenen Fokuszone 7 bewirkt. Die Verwendung der langgezogenen Fokuszone 7 kann einen möglichen Spalt zwischen den Fügepartnern überbrücken. Neben einer Rotationsbewegung (Pfeil 79A) der Fokuszone 7 um die Zylinderachse 75 kann die Fokuszone 7 ferner mit einer relativen Translationsbewegung (79B) zwischen dem Laserstrahl 3 und den Fügepartnern entlang der Zylinderachse 75 bewegt werden, um z.B. eine spiralförmig umlaufende Schweißnaht zu erzeugen.
12D verdeutlicht als weiteres Beispiel für einen Schweißvorgang die Konstellation einer Längsschweißung 81 eines Rohrs, das aus zwei Halbschalen 83A, 83B als Fügepartnern auf Stoß verschweißt wird. Die Halbschalen 83A, 83B sind entlang einer Erstreckungsrichtung (Zylinderachse 85 des zu erzeugenden Rohrs) ausgebildet und in 12D zur Verdeutlichung beabstandet dargestellt. Gekrümmte Oberflächen 87A, 87B der Halbschalen 83A, 83B bilden im Bereich der Schweißnaht zumindest abschnittsweise zusammen eine Zylindermantelfläche um die Zylinderachse 85 aus. Allgemein umfassen die Fügepartner einen azimutalen Abschnitt einer zylindrischen oder hohlzylindrischen Grundform - in 12D in Form einer Halbschale.
Seitenflächen 88A, 88B der Halbschalen 83A, 83B bilden die Fügeflächen und erstrecken sich in radialer Richtung bezüglich der Zylinderachse 85. Der Laserstrahl 3 wird in radialer Richtung auf die Zylinderachse 85 eingestrahlt, wobei eine phasenkorrigierende Strahlformung Aberrationen aufgrund der gekrümmten Oberflächen 87A, 87B kompensiert. Eine schrittweise Translationsbewegung (Pfeil 89) der (z.B. über 80% der Wanddicke) langgezogen ausgebildeten Fokuszone 7 erfolgt entlang der Zylinderachse 85, sodass die Halbschalen 83A, 83B zusammengefügt werden. Dabei werden räumlich getrennte Schmelzzonen 91 ausgebildet, die in radialer Richtung auf die Zylinderachse 85 zulaufen.
Mit den hierin beschriebenen Schweißverfahren können Fügepartner wie Rohre, Zylinder oder Abschnitte eines Rohrs oder Zylinders, wie ein Halbrohr oder Halbzylinder, verschweißt werden.
In den hierin beispielhaft dargestellten Optiksystemen werden separate Optiken für die Strahlformung und die Phasenkompensation gezeigt. Jedoch können diese Optiken auch in einer einzelnen Optik (z.B. als refraktives/reflektives Freiformelement oder als diffraktives optisches Element) oder in einem hybriden optischen Element (Eingangsseite Zylinderlinse, Ausgangsseite Axicon; „Zaxicon“) umgesetzt werden.
Zur Vollständigkeit wird darauf hingewiesen, dass neben einer symmetrischen Intensitätsverteilung in einer Fokuszone eine Phasenaufprägung z.B. mit einem diffraktiven optischen Element vorgenommen werden kann, die zu einer Intensitätsverteilung in der Fokuszone führt, die asymmetrisch (z.B. in einer Richtung abgeflacht) oder mehrere parallel zueinander verlaufende Intensitätsbereiche hervorruft (siehe Abbildung (c) der 1). Beispielhafte Phasenaufprägungen und Intensitätsverteilungen sind z.B. in der deutschen Patentanmeldung 10 2019 128 362.0 , „Segmentiertes Strahlformungselement und Laserbearbeitungsanlage“, mit Anmeldetag 21. Oktober 2019 der Anmelderin sowie in K. Chen et al., „Generalized axicon-based generation of nondiffracting beams“, arXiv:1911.03103v1 [physics.optics] 8 Nov 2019 offenbart. Mit anderen Worten kann auch eine Strahlformung, die für derartige asymmetrische Intensitätsverteilung vorzunehmen ist, mit einer Phasenkorrektur kombiniert werden, die die Beeinflussung der Phasenverteilung beim Eintritt in das Material korrigieren kann.
In einem weiteren Aspekt werden optische Systeme zum Strahlformen eines gepulsten Laserstrahls, insbesondere von ultrakurzen Laserpulsen, für eine Ausbildung einer Fokuszone in mindestsens einem Fügepartner mit einer gekrümmten Oberfläche offenbart, wobei die Fokuszone entlang einer Strahlachse des Laserstrahls langgezogen ausgebildet ist. Die optischen Systeme umfasst eine fokusbildende Optik, die ein Einlaufen von Strahlanteilen unter einem Einlaufwinkel auf eine Strahlachse des Laserstrahls für eine Ausbildung der langgezogenen Fokuszone entlang der Strahlachse im Material des Fügepartners durch Interferenz bewirkt. Eine Phasenkorrektur, die einer Beeinflussung der Interferenz durch einen Eintritt des Laserstrahls in den Fügepartner entgegenwirkt, ist mit einer phasenkorrigierenden Optik vorgesehen oder in die fokusbildende Optik integriert. Mit anderen Worten umfassen die optischen Systeme eine phasenkorrigierende Optik, die eine Phasenkorrektur bewirkt, die einer Beeinflussung der Interferenz durch einen Eintritt des Laserstrahls in das Material entgegenwirkt, oder eine derartige Phasenkorrektur ist in die fokusbildende Optik integriert.
In einigen Weiterbildungen der Verfahren kann die lokal akkumulierte Eintrittsphase für eine Ausrichtung der Strahlachse entlang einer Normalenrichtung der Oberfläche an einem Auftreffpunkt der Strahlachse auf die Oberfläche bestimmt sein und den Einlaufwinkel, einen Krümmungsradius der Oberfläche am Auftreffpunkt und - einen Brechungsindex des Materials eines Fügepartners berücksichtigen.
In einigen Weiterbildungen der Verfahren können Phasenbeiträge mit einem diffraktiven optischen Strahlformungselement auf ein transversales Strahlprofil des Laserstrahls aufgeprägt werden, wobei das diffraktive optische Strahlformungselement aneinander angrenzende Flächenelemente aufweist, die eine flächige Gitterstruktur aufbauen, bei der jedem Flächenelement ein Phasenschiebungswert zugeordnet ist, und wobei die Phasenschiebungswerte die Phasenbeiträge bewirken.
In einigen Weiterbildungen der Verfahren kann die phasenkorrigierende Strahlformung durch eine Zylinderlinse erzeugt werden, die vor oder nach einer die fokusbildende Strahlformung bewirkenden Optik in einem Strahlengang des Laserstrahls positioniert ist. Die Zylinderlinse kann einen Krümmungsradius aufweisen, der an einen Krümmungsradius der Oberfläche angepasst ist.
In einigen Weiterbildungen der Verfahren kann das Strahlformen des Laserstrahls mit einer Aufprägung einer zweidimensionalen Phasenverteilung auf ein transversales Strahlprofil eines Ausgangslaserstrahls durchgeführt werden mit:

- einem diffraktiven optischen Strahlformungselement, das festeingestellte oder einstellbare Phasenwerte in einer zweidimensionalen Anordnung aufweist; oder
- einer Kombination einer Zylinderlinse mit einem Axicon; oder
- einer Kombination einer Zylinderlinse mit einem diffraktiven optischen Strahlformungselement, das festeingestellte oder einstellbare Phasenwerte in einer zweidimensionalen Anordnung aufweist, die zum Aufprägen einer einen nicht-beugenden Strahl bewirkenden Phasenverteilung, insbesondere einer Bessel-Strahl-artigen Phasenverteilung, für die Ausbildung der langgezogenen Fokuszone ausgebildet ist.

In einigen Weiterbildungen können die Verfahren ferner den Schritt umfassen:

Überwachen und Regeln einer Position der Oberfläche des Fügepartners entlang der Strahlachse auf eine Soll-Position.

Dabei, kann das Überwachen und Regeln insbesondere durchgeführt werden, falls bei einer Rotationsbewegung eine Rotationsachse von einer Rotationssymmetrieachse der Oberfläche des Fügepartners abweicht und/oder die Oberfläche des Fügepartners zumindest abschnittsweise von einem rotationssymmetrischen Oberflächenverlauf abweicht.
In einigen Weiterbildungen können die Verfahren ferner ein Anpassen der phasenkorrigierenden Strahlformung an eine Änderung einer Krümmung der gekrümmten Oberfläche entlang der Abtasttrajektorie des Laserstrahls umfassen. Beispielsweise kann ein Steuerungssignal zum Anpassen der phasenkorrigierenden Strahlformung anhand einer Vorvermessung einer Krümmung der gekrümmten Oberfläche entlang der Schweißtrajektorie und/oder anhand einer Onlinevermessung einer Krümmung der gekrümmten Oberfläche während einer Relativbewegung zwischen dem Fügepartner/ den Fügepartnern und der Fokuszone entlang der Abtasttrajektorie abgeleitet werden. Das Steuerungssignal kann dann an ein einstellbares strahlformendes Element wie an einen räumlichen Lichtmodulator oder an einen deformierbaren Spiegel ausgegeben werden, um für die phasenkorrigierende Strahlformung die Phasenbeiträge anzupassen.
In einigen Weiterbildungen können die optischen Systeme dazu eingerichtet sein, eine zweidimensionale Phasenverteilung auf den Laserstrahl aufzuprägen und diesen als einen einen nicht-beugenden Strahl formenden Laserstrahl, insbesondere einen realen oder virtuellen Bessel-artigen, auszugeben, wobei die fokusbildende Optik erste Phasenbeiträge der Phasenverteilung erzeugen kann, und die phasenkorrigierende Optik oder die Phasenkorrektur zweite Phasenbeiträge der Phasenverteilung erzeugen kann, die eine vom Laserstrahl bei einem Eintritt in die Fügepartner lokal akkumulierte Eintrittsphase aufheben.
In einigen Weiterbildungen der optischen Systeme können die fokusbildende Optik und/oder die phasenkorrigierende Optik zur Phasenaufprägung einer zweidimensionalen Phasenverteilung als ein diffraktives optisches Strahlformungselement ausgebildet sein, das dazu eingerichtet ist, die ersten Phasenbeiträge und/oder die zweiten Phasenbeiträge auf ein transversales Strahlprofil des Laserstrahls aufzuprägen. Das diffraktive optische Strahlformungselement kann aneinander angrenzende Flächenelemente aufweisen, die eine flächige Gitterstruktur aufbauen, bei der jedem Flächenelement ein Phasenschiebungswert zugeordnet ist, und wobei die Phasenschiebungswerte die ersten Phasenbeiträge und/oder die zweiten Phasenbeiträge bewirken. Alternativ oder zusätzlich kann die fokusbildende Optik als ein Axicon ausgebildet sein, das die fokusbildenden Phasenbeiträge erzeugt. Ferner kann alternativ oder zusätzlich die phasenkorrigierende Optik als eine Zylinderlinse ausgebildet sein, die die zweiten Phasenbeiträge erzeugt und direkt vor oder nach der fokusbildenden Optik im Strahlengang des Laserstrahls positioniert ist. Alternativ oder zusätzlich kann die fokusbildende Optik als ein refraktives Freiformelement ausgebildet sein, das die ersten Phasenbeiträge und die zweiten Phasenbeiträge erzeugt. Alternativ oder zusätzlich können die fokusbildende Optik und die phasenkorrigierende Optik als eine hybride Optik ausgebildet sein, die die ersten Phasenbeiträge und die zweiten Phasenbeiträge erzeugt und insbesondere als eine Kombination aus einer eingangsseitigen Zylinderlinse und einem ausgangsseitigen Axicon ausgebildet ist.
In einigen Weiterbildungen der optischen Systeme kann die phasenkorrigierende Optik zur Phasenaufprägung einer zweidimensionalen Phasenverteilung als in der zweidimensionalen Phasenverteilung einstellbares optisches Element ausgebildet sein. Sie kann z.B. als ein diffraktives optisches Strahlformungselement wie ein räumlicher Lichtmodulator oder ein deformierbarer Zylinderspiegel ausgebildet sein. Ferner kann das einstellbare optische Element für eine Anpassung der Phasenkorrekturen bei einer Änderung einer zu korrigierenden Krümmung der gekrümmten Oberfläche in Abhängigkeit eines Steuerungssignals ausgebildet sein.
In einigen Weiterbildungen können die optischen Systeme ferner umfassen:

eine Teleskopanordnung zum Verkleinern einer realen oder virtuellen Fokuszone, die der fokusbildenden Optik zugeordnet ist, und/oder
einen Abstandssensor, der dazu eingerichtet ist, eine Position einer Oberfläche des Fügepartners entlang der Strahlachse zu bestimmen.

In einigen Weiterbildungen der Laserbearbeitungsanlage kann das optische System und/oder die Werkstückhalterung dazu eingerichtet sein:

- die Strahlachse des Laserstrahls zu einer Normalenrichtung der Oberfläche derart auszurichten, dass die Strahlachse in einem Winkelbereich von 5° oder 10° um die Normalenrichtung, bevorzugt entlang der Normalenrichtung, auf die Oberfläche auftrifft, und/oder
- eine Relativbewegung zwischen dem Fügepartner und der Fokuszone zu bewirken, bei der die Fokuszone entlang einer Abtasttrajektorie im Material positioniert wird, wobei die Ausrichtung der Strahlachse zur Normalenrichtung an den Verlauf der Oberfläche angepasst wird.

In einigen Weiterbildungen umfasst die Laserbearbeitungsanlage ferner
eine Abstandssensor, der dazu angeordnet und eingerichtet ist, eine Position einer Oberfläche des Fügepartners entlang der Strahlachse zu bestimmen, und
eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, eine Position der Oberfläche des Fügepartners entlang der Strahlachse mit dem Abstandssensor zu überwachen und auf eine Soll-Position zu regeln.
In einigen Weiterbildungen der Laserbearbeitungsanlage kann das optische System eine phasenkorrigierende Optik zur Phasenaufprägung einer zweidimensionalen Phasenverteilung aufweisen, die in der zweidimensionalen Phasenverteilung einstellbar ausgebildet ist. Dazu kann die Laserbearbeitungsanlage ferner eine Steuerung umfassen, die dazu eingerichtet ist, an das einstellbare optische Element ein Steuerungssignal auszugeben, das die zweidimensionale Phasenverteilung an eine zu korrigierende Krümmung der gekrümmten Oberfläche des Fügepartners anpasst. Das Steuerungssignal kann insbesondere anhand einer Vorvermessung einer Krümmung der gekrümmten Oberfläche entlang einer Abtasttraj ektorie oder anhand einer Onlinevermessung einer Krümmung der gekrümmten Oberfläche während einer Relativbewegung zwischen dem Fügepartner und der Fokuszone entlang einer Abtasttrajektorie bereitgestellt werden, insbesondere von der Steuerungseinheit abgeleitet werden.
In einigen Weiterbildungen können die Laserbearbeitungsanlagen ferner einen Abstandssensor aufweisen, der dazu angeordnet und eingerichtet ist, eine Position einer Oberfläche des Fügepartners entlang der Strahlachse zu bestimmen. Ferner können die Laserbearbeitungsanlagen eine Steuerung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, eine Position der Oberfläche des Fügepartners entlang der Strahlachse mit dem Abstandssensor zu überwachen und auf eine Soll-Position zu regeln.
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2016/079062 A1 [0030]
WO 2016/079063 A1 [0030]
WO 2016/079275 A1 [0030, 0077]
DE 102019128362 [0166]

Claims

Verfahren zum Ausbilden einer Schweißverbindung zwischen einem ersten Fügepartner (14) und einem zweiten Fügepartner (15) mit einem Laserstrahl (3), insbesondere ein Ultrakurzpuls-Laserstrahl, wobei die Schweißverbindung eine erste Fügefläche (14B) des ersten Fügepartners (14) mit einer zweiten Fügefläche (15B) des zweiten Fügepartners (15) verschweißt und wobei mindestens der erste Fügepartner (14) eine gekrümmte Oberfläche (14A) aufweist, mit den Schritten: Lagern des ersten Fügepartners (14) und des zweiten Fügepartners (15) derart, dass die erste Fügefläche (14B) und die zweite Fügefläche (15B) räumlich zueinander fest ausgerichtet sind, Strahlformen des Laserstrahls (3) zum Ausbilden einer Fokuszone (7) an der ersten Fügefläche (14B), wobei das Strahlformen mit einer Anordnung von diffraktiven, reflektiven und/oder refraktiven Optiken durchgeführt wird und umfasst: - eine fokusbildende Strahlformung und - eine phasenkorrigierende Strahlformung, die für eine vorgegebene Ausrichtung einer Strahlachse (8) des Laserstrahls (3) bei Eintritt des Laserstrahls (3) in den ersten Fügepartner (14) einer Beeinflussung der Propagation des Laserstrahls (3) im Material des ersten Fügepartners (14) durch die gekrümmte Oberfläche (14A) entgegenwirkt, Einstrahlen des Laserstrahls (3) auf die gekrümmte Oberfläche (14A) derart, dass zumindest ein Teil des Laserstrahls (3) durch die gekrümmte Oberfläche (14A) in den ersten Fügepartner (14) eintritt, in einem Material des ersten Fügepartners (14) zu der ersten Fügefläche (14B) propagiert und die Fokuszone (7) zumindest teilweise mit dem Material des ersten Fügepartner (14) und/oder des zweiten Fügepartners (15) überlappend erzeugt wird, Einstellen von Strahlparametern des Laserstrahls (3) derart, dass das Material des ersten Fügepartners (14) und/oder des zweiten Fügepartners (15) in der Fokuszone (7) aufgeschmolzen wird, und Ausbilden der Schweißverbindung zwischen dem ersten Fügepartner (14) und dem zweiten Fügepartner (15) durch Abkühlen des aufgeschmolzenen Materials.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit Bewegen der Fokuszone (7) entlang der ersten Fügefläche (14B) unter Beibehalten einer Ausrichtung des Laserstrahls (3) mit Bezug zu einer Krümmung der gekrümmten Oberfläche (14A), und wobei optional der Laserstrahl (3) derart auf die gekrümmte Oberfläche (14A) eingestrahlt wird, dass die Strahlachse (8) des Laserstrahls (3) in einem Einfallswinkelbereich von ±10° zu einer Normalenrichtung (N) der gekrümmten Oberfläche (14A) an einem Auftreffpunkt (P) der Strahlachse (8) auf der gekrümmten Oberfläche (14A) ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Bewegen der Fokuszone (7) durch eine Rotation - des ersten Fügepartners (14) und/oder des zweiten Fügepartners (15) um eine der Krümmung der gekrümmten Oberfläche (14A) zugeordnete Achse und/oder - des Laserstrahls (3) um den ersten Fügepartner (14) und den zweiten Fügepartner (15) bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die gekrümmte Oberfläche (14A) zumindest abschnittsweise als eine Zylindermantelfläche bezüglich einer Zylinderachse ausgebildet ist und wobei der Laserstrahl (3) in einer radialen Richtung auf die Zylinderachse eingestrahlt wird und die Rotation um die Zylinderachse erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei der erste Fügepartner (14) zumindest abschnittsweise eine zylindrische oder hohlzylindrische Form bezüglich einer Zylinderachse aufweist und die erste Fügefläche (14B) eine Stumpfstoßfläche der zylindrischen oder hohlzylindrischen Form ist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei der zweite Fügepartner (15) eine zylindrische Grundform aufweist, die sich entlang der Zylinderachse oder unter einem Winkel zur Zylinderachse des ersten Fügepartners (14) erstreckt, und wobei optional die Fokuszone (7) zusätzlich an der zweiten Fügefläche (15B) ausgebildet wird und zumindest teilweise mit dem Material des zweiten Fügepartners (15) überlappt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste Fügepartner zumindest abschnittsweise eine hohlzylindrische Form bezüglich einer Zylinderachse (50) aufweist und die erste Fügefläche eine Innenfläche (77A) der hohlzylindrischen Form ist und wobei eine Außenoberfläche (77B) des zweiten Fügepartners einen Abschnitt aufweist, dessen Verlauf zumindest teilweise einem Verlauf der Innenfläche (77A) des ersten Fügepartners folgt, und wobei optional das Bewegen der Fokuszone (7) eine relative Translationsbewegung zwischen dem Laserstrahl (3) und dem ersten Fügepartner umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der erste Fügepartner ein Hohlzylinder ist und der zweite Fügepartner eine zylindrische Grundform aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Bewegen der Fokuszone (7) durch eine relative Translationsbewegung zwischen dem Laserstrahl (3) und dem ersten Fügepartner und dem zweiten Fügepartner bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die gekrümmte Oberfläche zumindest abschnittsweise als eine Zylindermantelfläche bezüglich einer Zylinderachse (85) ausgebildet ist und der erste Fügepartner einen azimutalen Abschnitt einer zylindrischen oder hohlzylindrischen Form aufweist und die erste Fügefläche eine sich in Richtung der Zylinderachse (85) erstreckende Seitenfläche (88A) des azimutalen Abschnitts ist und wobei der Laserstrahl (3) in radialer Richtung auf die Zylinderachse eingestrahlt wird und die Translationsbewegung entlang der Zylinderachse (85) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die fokusbildende Strahlformung dazu eingerichtet ist, ein Einlaufen von Strahlanteilen (3T) des Laserstrahls (3) unter einem Einlaufwinkel (δ') auf eine Strahlachse (8) des Laserstrahls (3) für eine Ausbildung einer langgezogenen Fokuszone (7) entlang einer Strahlachse (8) zumindest teilweise im Material des ersten Fügepartners (14) und/oder im Material des zweiten Fügepartner (15) durch Interferenz zu bewirken, und wobei das Verfahren ferner umfasst: Einstellen der Fokuslänge (L) kleiner oder gleich einer vorbestimmten Fugenlänge in einer Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls (3), insbesondere Einstellen der Fokuslänge (L) in einem Bereich zwischen 100 µm und 500 µm.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Fügepartner (14) als ein Hohlkörper, insbesondere ein Glasrohr, mit einer einen Innenraum abgrenzenden Wand mit einer Wanddicke ausgebildet ist, und wobei das Verfahren ferner den Schritt aufweist: - Einstellen einer Fokuslänge (L) der Fokuszone (7) in einem Bereich zwischen 20 µm und 500 µm und/oder auf maximal die Wanddicke, insbesondere auf maximal 80% der Wanddicke, wobei die Fokuszone (7) optional an der gekrümmten Oberfläche (14 A) des ersten Fügepartners (14) beginnt, und wobei die Schweißverbindung zwischen dem ersten Fügepartner (14) und dem zweiten Fügepartner (15) eine Mehrzahl von Schweißnähten umfasst, die sternförmig angeordnet sind und die optional ineinander übergehen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Fügepartner (14) ein massiver Zylinder, insbesondere ein Glaszylinder, ist, und wobei das Verfahren ferner den Schritt aufweist: - Einstellen einer Fokuslänge (L) der Fokuszone (7) in einem Bereich zwischen 20 µm und 500 µm und/oder auf maximal einen halben Durchmesser des Zylinders, wobei die Fokuszone (7) optional an der gekrümmten Oberfläche (14A) des Fügepartners (14) beginnt, und wobei die Schweißverbindung zwischen dem ersten Fügepartner (14) und dem zweiten Fügepartner (15) eine Mehrzahl von Schweißnähten umfasst, die sternförmig angeordnet sind und die optional ineinander übergehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die fokusbildende Strahlformung dazu eingerichtet ist, einen Gaußschen Fokus zu erzeugen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 14, wobei das Bewegen der Fokuszone (7) ferner eine transversale Oszillationsbewegung der Fokuszone (7) senkrecht zur ersten Fügefläche (14B) und/oder eine Translationsbewegung der Fokuszone (7) in Richtung der Strahlachse (8) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material des zweiten Fügepartners (15) transparent, teiltransparent oder intransparent hinsichtlich des Laserstrahls (3) ist und oberflächennah an der zweiten Fügefläche (15B) des zweiten Fügepartners (15) aufgeschmolzen wird, wobei das Material des zweiten Fügepartners (15) insbesondere über lineare Absorption des Laserstrahls (3) erwärmt wird und das Material des ersten Fügepartners (15) insbesondere durch nicht-lineare Absorption des Laserstrahls (3) und/oder indirekt vom erwärmten Material des zweiten Fügepartners (15) erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gekrümmte Oberfläche (14A) in einer Richtung gekrümmt ist, und das Strahlformen des Laserstrahls (3) ein Aufprägen mindestens einer zweidimensionalen Phasenverteilung auf den Laserstrahl (3) umfasst, wobei die mindestens eine zweidimensionale Phasenverteilung umfasst: - für die phasenkorrigierende Strahlformung Phasenbeiträge (25B), die eine vom Laserstrahl (3) bei einem Eintritt in den erste Fügepartner (14) lokal akkumulierte Eintrittsphase aufheben und - optional für die fokusbildende Strahlformung Phasenbeiträge (25A), die das Einlaufen von Strahlanteilen (3T) unter einem Einlaufwinkel (δ') bewirken und insbesondere einen nicht-beugenden Strahl für die Ausbildung einer langgezogenen Fokuszone (7) entlang der Strahlachse (8) im Bereich der Fügeflächen (14 B, 15B) erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Phasenbeiträge (25B) eine zu einer Symmetrieachse (S) achsensymmetrische Phasenverteilung ausbilden, wobei die zweiten Phasenbeiträge parallel zur Symmetrieachse (S) konstant sind und sich senkrecht zur Symmetrieachse (S) verändern, ferner mit dem Schritt: Ausrichten der achsensymmetrische Phasenverteilung und des ersten Fügepartners (14) derart zueinander, dass die Symmetrieachse (S) unter Berücksichtigung eines Strahlengangs zwischen einem Ort des Aufprägens der achsensymmetrischen Phasenverteilung und dem ersten Partner (14) orthogonal zu einer Ebene verläuft, in der ein Krümmungsradius der Oberfläche (14A) definiert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die phasenkorrigierende Strahlformung durch eine Zylinderlinse (35, 35') erzeugt wird, die vor oder nach einer die fokusbildende Strahlformung bewirkenden Optik (27, 31) in einem Strahlengang des Laserstrahls (3) positioniert ist.
Laserbearbeitungsanlage (1) zum Ausbilden einer Schweißverbindung zwischen einem ersten Fügepartner (14) und einem zweiten Fügepartner (15) mit einem Laserstrahl (3), insbesondere Ultrakurzpuls-Laserstrahl, wobei die Schweißverbindung eine erste Fügefläche (14B) des ersten Fügepartners (14) mit einer zweiten Fügefläche (15B) des zweiten Fügepartners (15) verschweißt und wobei mindestens der erste Fügepartner (14) eine gekrümmte Oberfläche (14A) aufweist, mit: einer Laserstrahlquelle (1A), die einen, insbesondere gepulsten, Laserstrahl (3') ausgibt, einem optischen System (1B) zum Strahlformen des Laserstrahls (3) für eine Ausbildung einer Fokuszone (7) in dem ersten Fügepartner (14) und/oder dem zweiten Fügepartner (15), mit einer fokusbildenden Optik (27, 31), die für eine Ausbildung der Fokuszone (7) ohne Berücksichtigung der gekrümmten Oberfläche (14A) ausgebildet ist, wobei die Fokuszone (7) optional entlang einer Strahlachse (8) des Laserstrahls (3) langgezogen ausgebildet ist, und einer Werkstückhalterung (19) zur Lagerung des ersten Fügepartners (14) und/oder des zweiten Fügepartners (15), und wobei eine Phasenkorrektur, die einer Beeinflussung der Ausbildung der Fokuszone (7) aufgrund der gekrümmten Oberfläche (14A) entgegenwirkt, mit einer phasenkorrigierenden Optik (29, 29', 35, 35') vorgesehen ist oder in die fokusbildende Optik (27, 31) integriert ist.