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DE102021111879A1 - Laser welding of joining partners with a curved surface - Google Patents

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DE102021111879A1
DE102021111879A1 DE102021111879.4A DE102021111879A DE102021111879A1 DE 102021111879 A1 DE102021111879 A1 DE 102021111879A1 DE 102021111879 A DE102021111879 A DE 102021111879A DE 102021111879 A1 DE102021111879 A1 DE 102021111879A1
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DE
Germany
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joining partner
joining
laser beam
partner
focus
Prior art date
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DE102021111879.4A
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German (de)
Inventor
Jonas Kleiner
Daniel Flamm
Felix Zimmermann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trumpf Laser und Systemtechnik SE
Original Assignee
Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
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Publication date
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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.A method for forming a welded joint between a first joining partner (14) and a second joining partner (15) using a laser beam (3) is disclosed. The welded joint welds a first joining surface (14B) of the first joining partner (14) to a second joining surface (15B) of the second joining partner (15). At least the first joining partner (14) has a curved surface (14A) onto which the laser beam is radiated. In order to form an in particular elongated focus zone (7), the laser beam (3) is shaped with an arrangement of diffractive, reflective and/or refractive optics, the beam shaping comprising a focus-forming beam shaping and a phase-correcting beam shaping. The phase-correcting beam shaping counteracts the curved surface (14A) influencing the propagation of the laser beam (3) in the material of the first joining partner (14), so that the focal zone (7) can be formed on the first joining surface (14B).

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.The present invention relates to a method for forming a welded joint between joining partners using a laser beam. Furthermore, the invention relates to a laser processing system with an optical 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.In laser welding, laser radiation, which includes, for example, high-intensity, ultra-short laser pulses, is focused in the area of the joining surfaces of two or more joining partners. Intensities are generated in the focus of the laser radiation, which lead to melting of the material of the joining partners. The formation of a defined focal zone causes localized melting of the material in an area delimited by the focal zone. To form a melting zone that extends beyond the focal zone, a relative movement can be undertaken between the focal zone and the joining partners. The melting zone is thus dependent on the geometry of the focal zone and the relative movement. Their extent defines a spatial extent of the welded joint.

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.The heating required for melting takes place through the interaction of the laser radiation with the material. The heating can be caused, for example, by linear absorption or non-linear absorption (such as multiphoton absorption in the case of ultrashort high-intensity laser pulses) of the laser radiation in the material. As the melted material cools down, there is an inseparable, materially bonded connection between the joining partners in the area of the melting zone.

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.One aspect of this disclosure is based on the task of carrying out a laser welding process for joining partners, at least one of which has a curved surface such as the surface of a glass tube or a glass cylinder. In particular, beam shaping approaches, such as those developed for the laser processing of flat workpieces, should also be used in a laser welding process for joining partners with at least one curved surface.

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.At least one of these objects is achieved by a method for forming a welded joint according to claim 1 and a laser processing system according to claim 20. Further developments are specified in the dependent claims.

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 one aspect, a method for forming a welded joint between a first joining partner and a second joining partner using a laser beam is disclosed. The laser beam is in particular an ultra-short pulse laser beam. The welded connection welds a first joining surface of the first joining partner to a second joining surface of the second joining partner. At least the first joining partner has a curved surface. The procedure includes the steps:
  • Storing the first joining partner and the second joining partner in such a way that the first joining surface and the second joining surface are spatially firmly aligned with one another. A distance between the joining surfaces is selected in particular in such a way that melted material from the joining partners can bridge the gap.
  • Beam shaping of the laser beam to form a focus zone on the first joining surface, the beam shaping being carried out with an arrangement of diffractive, reflective and/or refractive optics. Beam shaping includes focus-forming beam shaping and phase-correcting beam shaping. The phase-correcting beam shaping counteracts an influencing of the propagation of the laser beam in the material of the first joining partner by the curved surface for a predetermined alignment of a beam axis of the laser beam when the laser beam enters the first joining partner. In particular, if both parts to be joined have a curved surface, the phase-correcting beam shaping can counteract the influence of the propagation of corresponding beam regions of the laser beam through these curved surfaces.
  • Radiation of the laser beam onto the curved surface in such a way that at least part of the laser beam enters the first joining partner through the curved surface, propagates in a material of the first joining partner to the first joining surface and the focal zone at least partially with the material of the first joining partner and/or of the second joining partner is generated overlapping. In general, the focus zone for melting material of the first joining partner, the second joining partner or both joining partners can be positioned in the area of at least one of the joining surfaces. The formation of the focus zone - and thus the melting - is based on the laser radiation of the laser beam, which has entered the material of the first joining partner through the curved surface. In addition, laser radiation from the laser beam can propagate through the material of the second joining partner and contribute to the formation of the focal zone.
  • Setting beam parameters of the laser beam in such a way that the material of the first joining partner and/or the second joining partner is melted in the focal zone. The melting can generally by linear and/or non-linear absorption of the laser radiation can be effected.
  • Forming the welded connection between the first joining partner and the second joining partner by cooling the melted material. As the melted material cools, the melt solidifies, leading to the formation of the welded joint.

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 some embodiments, the method may further include:
  • moving the focal zone along the first mating surface while maintaining an alignment of the laser beam with respect to a curvature of the curved surface. Optionally, the laser beam can be irradiated onto the curved surface in such a way that the beam axis of the laser beam is aligned in an incident angle range of ±10° to a normal direction of the curved surface at an impingement point of the beam axis on the curved surface.

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 some embodiments of the method, the focal zone can be moved by rotating the first joining partner and/or the second joining partner about an axis associated with the curvature of the curved surface and/or by rotating the laser beam about the first joining partner and the second joining partner.

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 some specific embodiments of the method, the curved surface can be designed at least in sections as a cylinder jacket surface with respect to a cylinder axis. The laser beam can be irradiated in a radial direction on the cylinder axis and the rotation can be made around the cylinder axis.

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 some embodiments of the method, the first joining partner can at least partially have a cylindrical or hollow-cylindrical shape with respect to a cylinder axis and the first joining surface can be a butt joint surface of the cylindrical or hollow-cylindrical shape.

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 some embodiments of the method, the second joining partner can have a cylindrical basic shape, which extends along the cylinder axis or at an angle to the cylinder axis of the first joining partner. Optionally, the focus zone can also be formed on the second joining surface and at least partially overlap with the material of the second joining partner.

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 some embodiments of the method, the first joining partner can have, at least in sections, a hollow-cylindrical shape with respect to a cylinder axis, and the first joining surface can be an inner surface of the hollow-cylindrical shape. An outer surface of the second joining partner can have a section whose course at least partially follows a course of the inner surface of the first joining partner. Optionally, moving the focal zone can include a relative translational movement between the laser beam and the first joining partner. In particular, the first joining partner can be a hollow cylinder and the second joining partner can have a cylindrical basic shape.

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 some embodiments of the method, the focal zone can be moved by a relative translational movement between the laser beam and the first joining partner and the second joining partner.

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 some embodiments of the method, the curved surface can be configured at least in sections as a cylinder jacket surface with respect to a cylinder axis and the first joining partner can have an azimuthal section of a cylindrical or hollow-cylindrical shape and the first joining surface can be a side surface of the azimuthal section extending in the direction of the cylinder axis. The laser beam can be irradiated in the radial direction onto the cylinder axis and the translational movement can take place along the cylinder axis.

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 some embodiments of the method, the focus-forming beam shaping can be set up to allow beam portions of the laser beam to arrive at an angle of incidence onto a beam axis of the laser beam to form an elongated focus zone along a beam axis at least partially in the material of the first joining partner and/or in the material of the second To effect joining partners by interference. Furthermore, the method can include setting the focal length to be less than or equal to a predetermined joint length in a propagation direction of the laser beam, in particular setting the focal length in a range between 100 μm and 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 some embodiments of the method, the first joining partner can be designed as a hollow body, in particular a glass tube, with a wall that delimits an interior space and has a wall thickness, and the method can also have the step:
  • - Setting a focal length of the focal zone in a range between 20 microns and 500 microns and / or to a maximum of the wall thickness, in particular other to a maximum of 80% of the wall thickness. Optionally, the focal zone can start at the curved surface of the first joining partner. Between the first joining partner and the second joining partner, the welded connection can comprise a plurality of weld seams which are arranged in a star shape and which optionally merge into one another.

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.
In some embodiments of the method, the first joining partner can be a solid cylinder, in particular a glass cylinder, and the method can also have the step:
  • - Setting a focal length of the focal zone in a range between 20 µm and 500 µm and/or to a maximum of half the diameter of the cylinder.

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.The focal zone can optionally start at the curved surface of the joining partner. The welded connection between the first joining partner and the second joining partner can comprise a plurality of weld seams which are arranged in a star shape and which optionally merge into one another.

In einigen Ausführungsformen des Verfahrens kann die fokusbildende Strahlformung dazu eingerichtet sein, einen Gaußschen Fokus zu erzeugen.In some embodiments of the method, the focus-forming beam shaping can be set up to generate a Gaussian focus.

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 some embodiments of the method, moving the focal zone can also include a transverse oscillating movement of the focal zone perpendicular to the first joining surface and/or a translational movement of the focal zone in the direction of the beam axis.

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 some embodiments of the method, the material of the second joining partner can be transparent, partially transparent or non-transparent with respect to the laser beam and can be melted near the surface of the second joining surface of the second joining partner. The material of the second joining partner can be heated in particular via linear absorption of the laser beam and the material of the first joining partner can be heated in particular by non-linear absorption of the laser beam and/or indirectly by the heated material of the second joining partner.

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 some embodiments of the method, the curved surface may be curved in one direction. The beam shaping of the laser beam can include impressing at least one two-dimensional phase distribution on the laser beam, wherein the at least one two-dimensional phase distribution for the phase-correcting beam shaping can include phase contributions that cancel out an entry phase locally accumulated by the laser beam when it enters the first joining partner, and optionally for the Focus-forming beam shaping can include phase contributions that cause beam components to arrive at an angle of incidence and, in particular, to generate a non-diffracting beam for the formation of an elongated focus zone along the beam axis in the area of the joint surfaces.

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 some embodiments of the method, the phase contributions can form a phase distribution that is axisymmetric to an axis of symmetry, the second phase contributions being constant in particular parallel to the axis of symmetry and changing perpendicularly to the axis of symmetry, and the method can also include the step:
  • Aligning the axisymmetric phase distribution and the first joining partner to one another in such a way that the axis of symmetry runs orthogonally to a plane, taking into account a beam path, between a location where the axisymmetric phase distribution is impressed and the first partner, in which a radius of curvature of the surface is defined.

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.In some embodiments of the method, the phase-correcting beam shaping can be generated by a cylindrical lens, which is positioned in a beam path of the laser beam before or after an optical system that brings about the focus-forming beam shaping.

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.
Another aspect includes a laser processing system for forming a welded joint between a first joining partner and a second joining partner with a laser beam, in particular an ultra-short pulse laser beam, the welded joint welding a first joining surface of the first joining partner to a second joining surface of the second joining partner and with at least the first joining partner has a curved surface. The laser processing equipment can include:
  • a laser beam source that emits a particularly pulsed laser beam,
  • an optical system for beam shaping of the laser beam to form a focal zone in the first joining partner and/or the second joining partner, with focus-forming optics that are designed to form the focal zone without taking the curved surface into account, with the focal zone optionally being along a beam axis of the Laser beam is elongated, and
  • a workpiece holder for storing the first joining partner and/or the second joining partner.

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.In this case, a phase correction, which counteracts an influencing of the formation of the focus zone due to the curved surface, is provided with phase-correcting optics or is integrated into the focus-forming optics.

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.In summary, according to the concepts disclosed herein, a process for laser welding joining partners with at least one curved surface can be implemented. The joining partners can consist of transparent, partially transparent or opaque materials, such as glasses, crystals, polymers, semiconductors, ceramics, metals such as aluminum, and different materials can also be welded together. In particular, a combination of a transparent/partially transparent material and an opaque material is possible.

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.The underlying optics concept allows, for example, the welding of glass tubes with radii in the range of 0.5 mm to e.g. 25 mm, e.g. with radii of a few millimeters. In particular, laser welding processes can be carried out with elongated focal zones from a few 10 μm to a few 100 μm in length. The diameter of the beam impinging on the parts to be joined or the areas of the curved surface through which the beam passes are, for example, in the range from 0.5 mm to 15 mm. Aberrations caused by the curved surface can be pre-compensated or evened out with the phase-correcting beam shaping in order to ensure a focus formation that is aimed for in the context of the focus-forming beam shaping.

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.For example, the focus-forming beam shaping can bring about the focusing of the laser radiation in a Gaussian focus or in an elongated focal zone. In this way, a non-diffracting beam can be generated for the formation of an elongated focal zone along the beam axis in at least one of the joining partners.

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.Concerning non-diffracting rays disclose WO 2016/079062 A1 , WO 2016/079063 A1 and WO 2016/079275 A1 the applicant that in transparent materials an elongated focus zone and corresponding elongated modifications can be generated in a material. Non-diffracting beams can be formed, for example, due to interference from beam components arriving from the outside. This is the case, for example, with Bessel-like rays. Beam-shaping elements and optics structures for laser processing are mentioned, for example, in WO 2016/079275 A1 described. The concepts presented here enable the use of such non-diffracting beams (designed for irradiation through a flat workpiece surface) for laser welding of joining partners with at least one curved surface.

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.The connection of joining partners using ultra-short laser pulses can be based in particular on non-linear absorption and heat accumulation in the material of the joining partners. The focal zones of successive laser pulses usually overlap. The locally melted and cooled material leads to the connection of the joining partners when the cooled melt (weld seam) is localized in the interface between the joining partners.

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.In order to connect joining partners (e.g. pipes) to one another at the front (in a butt joint), the laser pulses can be focused through the upper material forming the curved surface into the interface in order to initiate the laser welding process. If necessary, the position of the laser focus can be modulated along the laser propagation direction. A circumferential weld seam can be created by rotating the pipes to be connected.

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.Alternatively, the laser pulses can be irradiated and focused parallel to the interface of the joining partners and next to the interface. The joining partners are welded together by scanning/wobbling the focal zone across the interface. The scanning/wobbling of the focal zone takes place in particular at the same time as a rotary movement of the pipes to be connected.

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.In addition to butt-joining, further joining constellations are explained below in connection with the figures, whereby, for example, the optional approaches mentioned above, such as wobbling, can be implemented in an appropriately adapted manner.

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.The surfaces of the joining partners to be welded are preferably clean and polished. This means that they have sufficient optical quality for the laser radiation to enter the material with as little disruption as possible. Likewise, the surfaces of the abutting surfaces/joining surfaces to be welded preferably have an evenness that leads to a joint gap that preferably has a maximum width of a few micrometers.

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.For the welding process, the parts to be joined are pressed together, e.g. with a device in the area of the joining surfaces, or clamped with a defined gap (e.g. less than 15 µm) between the joining surfaces.

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.In general, allow the concepts proposed herein, laser radiation through a curved surface of a joining partner in the To irradiate the area of a joining zone so that the laser radiation melts the material there of at least one of the joining partners in order to form the weld seam after cooling.

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.
Concepts are disclosed herein that allow at least some aspects of the prior art to be improved. In particular, further features and their usefulness result from the following description of embodiments with reference to the figures. From the figures show:
  • 1 Figures showing a focal zone of a Gaussian beam and non-diffracting rays,
  • 2 a schematic sketch of a laser processing system for laser welding,
  • 3A until 4B schematic sketches of butt welding processes,
  • 5 a schematic sketch of a laser processing system for laser welding with an elongated focal zone,
  • 6A and 6B schematic sketches of an optical system for beam shaping,
  • 7A and 7B Sketches to illustrate the effect of a curved surface on the formation of a Bessel ray focal zone,
  • 8A and 8B Intensity distributions of a Bessel beam focus zone that was simulated for entry into a planar joining partner or for a correction with regard to a curved surface of a joining partner,
  • 9A and 9B Intensity distributions of a Bessel beam focal zone without correction for a curved surface,
  • 10A until 10F Phase distributions for focus-forming beam formations and phase-correcting beam formations and phase distributions combining these,
  • 11 a flowchart to illustrate an exemplary method for forming a welded joint in a joining partner with a curved surface and
  • 12A until 12D schematic sketches of further exemplary welding processes.

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.Aspects described herein are based in part on the knowledge that when joining partners are welded, at least one of which has a curved surface, laser radiation enters the material of the joining partner through the curved surface in order to form the focus therein. The curved surface affects the formation of the focal zone because aberrations (especially spherical aberrations) can deform the focal zone or even prevent the formation of the focal zone. As a result, the laser radiation can no longer be absorbed to the extent necessary for the welding process. The inventors propose phase-correcting beam shaping which counteracts an influencing of the propagation of the laser beam through the curved surface for a predetermined alignment of a beam axis of the laser beam when the laser beam enters the joining partner with the curved surface. The inventors have also recognized that aberration correction depends on the shape/curvature of the curved surface, for example the radius of curvature of a tube surface, and the beam diameter, generally the extent of the laser radiation impinging on the surface.

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 2 U ( r ) + k 2 U ( r ) = 0

Figure DE102021111879A1_0001
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 )
Figure DE102021111879A1_0002
aufweisen.The aspects described herein generally relate to focus-forming beam shaping and thus in particular to the use of non-diffracting beams in laser welding. Non-diffractive beams can be formed by wave fields that correspond to the Helmholtz equation 2 u ( right ) + k 2 u ( right ) = 0
Figure DE102021111879A1_0001
suffice and a clear separability into a transverse (ie, in the x and y direction) dependency and a longitudinal (ie, in the z direction/propagation direction) dependency of the shape u ( x , y , e.g ) = u t ( x , y ) ex ( ι k e.g e.g )
Figure DE102021111879A1_0002
exhibit.

Hierbei ist k = ω/c der Wellenvektor mit seinen longitudinalen/axialen und transversalen Komponenten k 2 = k z 2 + k t 2

Figure DE102021111879A1_0003
und Ut (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 )
Figure DE102021111879A1_0004
Here k = ω/c is the wave vector with its longitudinal/axial and transverse components k 2 = k e.g 2 + k t 2
Figure DE102021111879A1_0003
and U t (x, y) is any complex-valued function that depends only on the transverse coordinates x and y. Since the z-dependence in Equation 2 shows a pure phase modulation, an intensity I(x, y, z) of a function solving Equation 2 is propagation-invariant and is called “non-diffractive”: I ( x , y , e.g ) = | u ( x , y , e.g ) | 2 = I ( x , y ,0 )
Figure DE102021111879A1_0004

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.This approach provides different solution classes of the Helmholtz equation in different coordinate systems, such as so-called Mathieu rays in elliptic-cylindrical coordinates or so-called Bessel rays in circular-cylindrical coordinates.

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).See also J. Turunen and AT Friberg, "Propagation-invariant optical fields", in Progress in optics, 54, 1-88, Elsevier (2010) and 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.A large number of types of non-diffracting beams can be realized to a good approximation. These realized non-diffractive beams will continue to be referred to herein as "finitely limited non-diffractive beams", "non-diffractive beams", or also as "quasi-non-diffractive beams" for the sake of simplicity. In contrast to the theoretical construct, they lead to a finite performance. A length L of a propagation invariance assigned to them is also finite.

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. 1 shows in comparison with intensity representations of a conventional Gaussian focus (see the propagation behavior of a Gaussian focus in figure (a) of the 1 ) the propagation behavior of non-diffracting rays based on intensity plots in Figures (b) and (c). Figures (a), (b) and (c) each show a longitudinal section (xz-plane) and a transverse section (xy-plane) through the focus of a Gaussian beam and non-diffracting rays, respectively, directed in the z-direction propagate.

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.Figure (b) refers to a rotationally symmetrical, non-diffracting beam, in this case a Bessel-Gaussian beam. Figure (c) refers to a non-asymmetric non-diffracting beam as an example. For a Bessel-Gaussian beam, Figures (d) and (e) show the 1 further details of a central intensity maximum. So shows figure (d) of the 1 an intensity profile in a transversal section plane (XY plane) and a transversal intensity profile in the X-direction. The figure (e) of 1 shows details of the central intensity maximum in a slice in the direction of propagation.

Für den Vergleich wird ein Fokusdurchmesser d 0 GF

Figure DE102021111879A1_0005
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
Figure DE102021111879A1_0006
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
Figure DE102021111879A1_0007
als die transversale Dimension eines lokalen Intensitätsmaximums definiert, wobei der transversaler Fokusdurchmesser d 0 ND
Figure DE102021111879A1_0008
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.A focus diameter is used for comparison i.e 0 GF
Figure DE102021111879A1_0005
of the Gaussian focus, where the Gaussian focus is defined via the second moments. Furthermore, an associated characteristic length over the Rayleigh length e.g R = π ( i.e 0 G f ) 2 / 4 λ
Figure DE102021111879A1_0006
defined as a distance from the focal position at which the beam cross-section has increased by a factor of 2. Furthermore, for a quasi-non-diffracting beam, a transverse focus diameter i.e 0 ND
Figure DE102021111879A1_0007
defined as the transverse dimension of a local intensity maximum, where the transverse focus diameter i.e 0 ND
Figure DE102021111879A1_0008
is given by the shortest distance of directly adjacent, opposite intensity minima (e.g. intensity drop to 25%). See, for example, Figures (b) and (d) of the 1 . The longitudinal extent of the almost propagation-invariant intensity maximum can be viewed as a characteristic length L of the quasi-non-diffracting beam. It is defined by an intensity drop to 50%, starting from the local intensity maximum, in the positive and negative z-direction, see Figures (c) and (e) of the 1 .

Hierin wird von einem quasi nicht-beugenden Strahl ausgegangen, wenn für ähnliche transversale Dimensionen, z.B. d 0 ND d 0 GF ,

Figure DE102021111879A1_0009
die charakteristische Länge L des nicht-beugenden Strahls die Rayleigh-Länge des zugehörigen Gauß-Fokus deutlich überragt, insbesondere wenn L > 10zR.Herein a quasi-non-diffracting beam is assumed if for similar transverse dimensions, e.g i.e 0 ND i.e 0 GF ,
Figure DE102021111879A1_0009
the characteristic length L of the non-diffracting ray significantly exceeds the Rayleigh length of the associated Gaussian focus, especially when 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 Ut (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.(Quasi) Bessel rays, also known as Bessel-like rays, are examples of a class of (quasi) non-diffracting rays. In such beams, the transverse field distribution U t (x, y) near the optical axis obeys a Bessel function of the first kind of order n to a good approximation. A subset of this class of beams are the so-called Bessel-Gauss beams, which are widespread due to their ease of generation. A Bessel-Gaussian beam can be formed, for example, by illuminating an axicon of refractive, diffractive or reflective design with a collimated Gaussian beam. An associated transverse field distribution in the vicinity of the optical axis in the area of an associated elongated focal zone obeys, to a good approximation, a Bessel function of the first kind of order 0 (in a good approximation), which is enveloped by a Gaussian distribution, see figure (d) and (e) the 1 , where the intensity distribution shown corresponds to the square of the absolute value of a Bessel function (to a good approximation).

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

Figure DE102021111879A1_0010
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 d 0 ND = 2,5 μ m
Figure DE102021111879A1_0011
zeichnet sich hingegen durch eine Fokuslänge in Luft von lediglich zR ≈ 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 >> 10zR, beispielsweise das 20-fache oder mehr oder sogar das 100-fache oder mehr der Rayleigh-Länge.Typical Bessel-Gauss beams, which can be used to weld a transparent/partially transparent material to a transparent/partially transparent/opaque material, have a central intensity maximum diameter on the optical axis in the range of 0.5 μm and 10 μm, in particular between 1 μm and 5 µm like e.g i.e 0 ND = 2.5 µ m
Figure DE102021111879A1_0010
on. In laser welding, for example, the length L is in the range from 20 µm to 500 µm (eg in the range from 100 µm to 500 µm), see figures (b) and (e) of the 1 . (For non-diffracting beams, the length can also generally exceed 1 mm.) A focus of a Gaussian beam with i.e 0 GF i.e 0 ND = 2.5 µ m
Figure DE102021111879A1_0011
is characterized by a focus length in air of only z R ≈ 5 µm at a wavelength λ of 1 µm, see figure (a) of 1 . In these cases, which are relevant for laser welding, the following applies to the associated length L of a non-diffracting beam: L >> 10z R , at for example 20 times or more or even 100 times or more the Rayleigh length.

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.However, the elongated focal zone is associated with a larger irradiated area when entering the material in which the elongated focal zone is to be formed. Exemplary ring beam diameters for typical Bessel-Gaussian beams range from 1 mm to 15 mm, for example.

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.Those skilled in the art will appreciate that the advantage of a non-diffracting beam, compared to a Gaussian beam, is the increased tolerance in positioning the elongated focal zone with respect to the mating surfaces. In the case of an overlap joint in particular, only a small area of the focal zone in the direction of propagation will contribute to the welding. In particular, this is the area that contributes to the melting of the material near the joining surfaces. A larger focus length can more easily compensate for/tolerate changes in the thickness of the joining partners. Furthermore, the non-diffracting beam allows a larger gap between joining surfaces to be bridged than a Gaussian focus, which is particularly suitable for contacting joining surfaces due to its short extent. The focal position tolerance of a non-diffracting beam is, for example, in the range of the length of the elongated focal zone, i.e. in the range of, for example, 20 µm to 500 µm (e.g. in the range of 100 µm to 500 µm). An increased tolerance is particularly advantageous for laser welding of curved joining surfaces.

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.Aspects described herein are also based in part on the knowledge that if joining partners with a curved surface are to be welded with a laser beam, in particular a non-diffracting beam such as is formed, for example, in an interference-based focal zone of a Bessel-Gaussian beam the curved surface can affect the formation of the focal zone, in the case of a non-diffracting beam e.g. an underlying interference. Accordingly, beam shaping/focusing, as used to process flat workpieces, is no longer effective. This is particularly the case when the curvature is not rotationally symmetrical but is one-dimensional, as in the case of a tube or cylinder to be machined made of glass or ceramic, for example.

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.According to the invention, this influencing of the e.g.

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.In order to maintain the formation and properties of a desired focus zone, e.g. a non-diffracting beam with a beam profile similar to a Bessel beam, it is proposed here to counteract the aberrations that occur when entering the joining partner with a phase correction. The phase correction in the beam path is preferably carried out in the area in which there is still a Gaussian or almost Gaussian lateral laser beam profile. In the case of beam shaping of a non-diffracting beam, the phase correction can take place in the area of a phase imprint, such as is used to form the non-diffracting beam for welding planar joining partners. In the case of a curved surface that is curved square and aligned symmetrically to the pulsed laser beam, the phase correction can be effected with simple optical components. Even with tilted surfaces, the geometries of the optical components required for the correction can become very complex.

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.Despite the aberrations that occur when entering a joining partner, a non-diffracting beam can be generated with almost undisturbed propagation in the material of a tube or cylinder, as explained below. If the phase correction is carried out, a pulsed laser beam can be used to produce, for example, elongated melt zones even in a joint partner with a curved surface, with parameters such as pulse energy, pulse duration and focus zone geometry being set accordingly.

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. 2 shows a schematic representation of a laser processing system 1 with a laser beam source 1A and an optical system 1B. The optical system 1B is designed for beam shaping of a pulsed output laser beam 3' of the beam source 1A and emits a laser beam 3 for a laser welding process.

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.The laser processing system 1 is set up for welding two parts to be joined 4, 5, with at least one of the parts to be joined 4, 5 having a curved (outer) surface 4A, 5A. In 2 the joining partners 4, 5 are indicated schematically in three dimensions with a basic cylindrical shape.

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.In general, the beam shaping of the optical system 1B serves to provide laser radiation in a focal zone 7 with the pulsed laser beam 3 . In the area of the focus zone 7 , energy can be introduced into the material of the joining partners 4 , 5 for welding the joining partners 4 , 5 . In order to control the position of the energy input, the optical system 1B can be moved, for example, in the three spatial directions (arrow 6A). This allows, for example, a transverse oscillating movement (wobbling) (eg perpendicular to the joint surface in a butt joint configuration or along the joint surface in a lap joint configuration). Furthermore, an oscillating movement/translational movement can be carried out in the direction of the beam axis, with the latter being able to affect the phase-correcting beam shaping and possibly requiring its adaptation.

Ferner kann die Position des Energieeintrags variiert werden, indem das optische System 1B um die Fügepartner 4, 5 geschwenkt wird (Pfeil 6B).Furthermore, the position of the energy input can be varied by pivoting the optical system 1B about the joining partners 4, 5 (arrow 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.For the energy input, the focus zone 7 overlaps with at least one of the joining partners 4, 5. Since the energy is to be introduced into the interior of at least one of the joining partners 4, 5, the laser radiation will at least partially propagate in the material. Correspondingly, at least one of the joining partners 4, 5 consists of a (largely for the laser wavelength of the laser beam 3 used) transparent or partially transparent material in e.g. ceramic or crystalline design such as glass, sapphire, transparent ceramic, glass ceramic or a polymer. Transparency of a material herein refers to linear absorption. For light below the threshold fluence/intensity of nonlinear absorption, a “substantially” transparent material may absorb or scatter, e.g., less than 20% or even less than 10% of the incident light over a length of 1 mm. A “substantially” partially transparent material can, for example, absorb or scatter 20% to 80% of the incident light over a length of 1 mm. An opaque material essentially absorbs all of the laser radiation near the surface.

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.In general, the output laser beam 3' and thus the laser beam 3 is determined by beam parameters such as the formation of individual laser pulses or groups of laser pulses, wavelength, spectral width, temporal pulse shape, pulse energy, beam diameter and polarization. For laser welding, the laser pulses have, for example, pulse energies that lead to pulse peak intensities that cause volume absorption in the material of the joining partners and thus the formation of a melting area (melting pool) in a desired geometry.

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. 2 also shows a workpiece holder 19 for mounting the joining partners 4, 5. In the illustrated example of a butt joint welding process, the end faces represent the joining surfaces of the joining partners. The workpiece holder 19 can bring the joining partners 4, 5 together at the end faces (arrow 6C) and in particular set a predetermined dimension for a maximum gap width. As an alternative or in addition to pivoting the optical system 1B, the parts to be joined 4, 5 can be rotated with the aid of the workpiece holder 19 to produce a circumferential welded joint.

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.In general, the weld seam can be produced continuously or azimuthally in sections. in 2 illustrated case of an elongated focal zone 7, the weld extends in the radial direction over the length of the focal zone.

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.the inside 2 witnessed exemplary butt welding process of two cylindrical base bodies is in connection with 3A and 3B for welding two pipes 14, 15 and in connection with 4A , and 4B for two solid cylinders 16, 17 illustrated. Generally show the 2 until 4B Examples of the curved surface being designed at least in sections as a cylinder jacket surface with respect to a cylinder axis, the laser beam being radiated onto the cylinder axis in a radial direction and the rotation taking place around the cylinder axis.

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.The tubes 14, 15 (as an example of a hollow cylindrical shape with respect to a cylinder axis like a glass tube) and solid cylinders 16, 17 (like a glass rod) were axially aligned and brought into contact at joining surfaces 14B, 15B and 16B, 17B, respectively, or in a predetermined one positioned at a distance from each other. Joining surfaces are the one butt joint surface of the cylindrical or hollow-cylindrical shape.

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.The laser beam 3 enters the material (at least for the most part) through the curved surfaces 14A, 15A or 16A, 17A. An example is in 4A an incident ring ray is indicated to form a Bessel-Gaussian beam, the ring ray extending over a surface 18 upon entry into the solid cylinders 16,17. In the area of the irradiated area 18, there are incidence conditions (angle of incidence) which depend on the respective location and which can lead to aberrations in the formation of the focal zone 7A, 7B.

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.For the formation of a desired weld it is in the example 3A the goal, despite these aberrations, is to form the focal zone 7A with the desired geometry and beam intensity in the region of the tube wall on the joint surface 14B of the tube 14. Analogous is in the example 4A proposes the goal of forming the focal zone 7B with the desired geometry and beam intensity in such a way that the focal zone 7B overlaps both the solid cylinder 16 and the solid cylinder 17 in the area of the joining surfaces 16B, 17B over a predetermined length.

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.To form these focal zones, the laser beam 3' in the optical system 1B is provided with a Arrangement of diffractive, reflective and / or refractive optics shaped, wherein the beam shaping comprises a phase-correcting beam shaping in addition to a focus-forming beam shaping. The phase-correcting beam shaping is designed in such a way that, for a predetermined alignment of the beam axis 8 of the laser beam 3 when it enters the tubes 14, 15 or the solid cylinders 16, 17, the propagation of the laser radiation in the material of the joining partners is influenced by the curved surfaces 14A , 15A or 16A, 17A.

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.In the case of the tubes 14, 15, a focal length of the focal zone can be set, for example, in a range between 20 µm and 500 µm. The focus length is preferably set to a maximum of the wall thickness, in particular to a maximum of 80% of the wall thickness. Optionally, the focal zone starts at the curved surface of the joining partner. In the case of solid cylinders 16, 17, a focal length of the focal zone can be set, for example, in a range between 20 μm and 500 μm. The focal length is preferably set to a maximum of half the diameter of the cylinder, with the focal zone optionally starting again at the curved surface of the joining partner.

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. 3B FIG. 12 further illustrates that a continuous circumferential melt zone 21 can be formed in the tube wall on the mating surface 14B by rotating the tubes 14,15. For this purpose, the welded connection between the joining partners can comprise a plurality of weld seams which are arranged in a star shape around the cylinder axis and merge into one another.

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.As another example clarifies 4B that discrete fusion zones 21A, 21B distributed azimuthally on the mating surface 16B can be formed by incrementally rotating the solid cylinders 16, 17, thereby forming a plurality of welds arranged in a star (spaced) pattern about the cylinder axis.

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.The in the 3A until 4B The welding processes shown are examples of welding processes with a pure rotational movement around a longitudinal axis of the tubes 14, 15/solid cylinders 16, 17, the scanning trajectory of the laser beam 3 running in a plane of maximum curvature of the surface. In addition, a translational movement in the direction of the longitudinal axis of the tubes 14, 15/solid cylinders 16, 17 can take place to bridge the gap. Accordingly, in 3B both joining surfaces 14B, 15B are also melted.

Weitere beispielhafte Konstellationen bei der Ausbildung von Schweißverbindungen werden in Zusammenhang mit den 12A bis 12D erläutert.Other exemplary constellations in the formation of welds are in connection with the 12A until 12D explained.

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. 5 shows another example of a laser processing system 1 '. Regarding 2 Similar/comparable features are identified with corresponding reference numbers. The laser beam source 1A (for example a UKP high-power laser system) generates a collimated Gaussian beam with a transverse Gaussian intensity profile as the output laser beam 3'. The output laser beam 3' is irradiated into an optical system 1B'.

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.In the optical system 1B', on the one hand, the output laser beam 3' is shaped in such a way that the focus zone 7 is formed by the laser beam 3 in the form of a non-diffracting beam. The focus zone 7 is elongated along the beam axis 8 of the laser beam 3 .

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.For example, a Bessel-Gaussian beam with an ordinary or inverse Bessel-beam-like beam profile is generated with the aid of a beam-shaping element 11 of the optical system 1B'. The beam-shaping element 11 is designed to impress a transverse phase curve on the incident output laser beam 3'. The beam shaping element 11 is, for example, a (hollow cone) axicon, a (hollow cone) axicon lens/mirror system, a reflective axicon lens/mirror system or a diffractive optical beam shaping element. The diffractive optical beam-shaping element can be a programmable or permanently written diffractive optical beam-shaping element, in particular a spatial light modulator (SLM spatial light modulator). For exemplary configurations of the optical system and in particular of the beam-shaping element 11, reference is made to that mentioned at the outset WO 2016/079275 A1 referred. The transversal phase curve is designed in particular in such a way that an elongated focal zone is formed without radiation passing through a curved surface.

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 FIG. 12 schematically shows further beam-guiding components 20 as part of the optical system 1B', such as a telescope arrangement 20A, mirrors, lenses, filters and control modules for aligning the various components.

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. 5 shows a tube 9 as an example of a joining partner, which has an outer radius Ra and an inner radius Ri and a wall thickness Ra-Ri. In 5 the beam axis 8 is directed onto the surface 9A along a normal direction N of the surface 9A and strikes it at an impingement point 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.The optical system 1B' focuses the pulsed laser beam 3 into the tube 9, here into the wall of the tube 9, so that the elongated focus zone 7 is formed there. The elongated focus zone 7 refers here to a three-dimensional intensity distribution that determines the spatial extent of the interaction for the melting of the material with the laser pulse/the laser pulse group in the joining partner. The elongated focus zone 7 defines an elongated volume area in which there is a fluence/intensity. If the fluence/intensity is above the threshold fluence/intensity relevant for the required heating, an elongated melt pool 21C is formed along the elongated focus zone 7 .

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.One speaks of elongated focal zones when a three-dimensional intensity distribution with regard to a target threshold intensity is characterized by an aspect ratio (expansion in the direction of propagation in relation to the lateral extent transverse to the axis of the focal zone (diameter of the on-axis maximum)) of at least 10:1, for example 20:1 and more or 30:1 and more, or 1000:1 and more. Such an elongated focal zone (without relative movement) can lead to a melt pool with a similar aspect ratio. In general, with such aspect ratios, a maximum change in the lateral extension of the intensity distribution, which causes the melt pool, over the focal zone 7 can be in the range of 50% and less, for example 20% and less, for example in the range of 10% and less. The same applies accordingly to a maximum change in the lateral extent of the weld pool.

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.In general, when creating a melt pool by means of elongated volume absorption, it applies that as soon as absorption takes place, this absorption/the melt pool can influence the propagation of laser radiation. Therefore, it is advantageous to direct the beam components that lead further down the beam to the melt pool at an angle to the focal zone/to the axis of the interaction zone. An example of such an energy input is the non-diffracting beam, e.g. a (conventional) Bessel-Gaussian beam (see 1 ), in which there is a ring-shaped far-field distribution whose ring width is typically small compared to the radius. In the case of a rotationally symmetrical Bessel-Gaussian beam, the interaction zone/focus zone axis is supplied with radial beam components essentially with this angle in a rotationally symmetrical manner. The same applies to the inverse Bessel-Gauss beam and to modifications such as homogenized, asymmetric or modulated (inverse) Bessel beams.

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.An example of beam shaping that leads to such an elongated focal zone is in the 6A until 9B clarified. The figures show an example of the arrival of (radial) beam components 3T in a sectional plane through the beam path (see in particular 7B ) at an angle of incidence δ in air or δ' in the material on the beam axis 8 of the laser beam 3. Thus, the elongated focal zone 7 along the beam axis 8 in the material can be caused by interference of the beam components 3T (over a length Z, see 1 ) be formed.

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.The formation of an elongated (e.g. Bessel beam-based) focal zone presupposes that energy can be supplied laterally over the entire length L of the focal zone and that the conditions for constructive interference are present.

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.To weld two joining partners, a relative movement takes place between the optical system 1B′ and the joining partners, so that the focal zone 7 can be irradiated at different positions to melt the material. The relative movement is controlled in such a way that molten pools line up along a scanning trajectory T. the inside 5 The arrow illustrating the scanning trajectory T is representative of a movement of the impact point P over the surface of the pipe 9. In particular, during laser welding, a relative movement can be effected in which the focal zone 7 is repeatedly positioned along the scanning trajectory T (at least partially) in the material of the pipe 9 becomes.

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.For a circumferential weld seam (circular scanning trajectory T) is stored in 5 the workpiece holder 19 rotates the tube 9 about a longitudinal axis A of the tube 9 . Support rollers 19A are indicated as an example. Furthermore, a base unit 19B of the workpiece holder 19 can allow the tube 9 to be displaced along the longitudinal axis A or can adjust the distance from the optical system 1B'.

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.Alternatively or additionally, a relative movement between the joining partners and the optical system 1B′ can be brought about by moving the optical system 1B′ (or components thereof). In 5 a linear displacement unit 19' of the optical system 1B' is shown by way of example, with which the focal zone 7 can be positioned along the beam axis 8. Further processing axes can be provided, which allow the exiting laser beam 3 and thus the axis of the focal zone to be spatially aligned.

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).The laser processing system 1' (similar to the laser processing system 1) also has a control unit 23, which in particular has an interface for inputting operating parameters by a user. In general, the control unit 23 includes electronic control components such as a processor for controlling electrical, mechanical and optical components of the laser processing system 1′. For example, operating parameters of the laser beam source 1A such as pump laser power, parameters for setting an optical element (e.g. an SLM) and parameters for the spatial alignment of an optical element of the optical system 1B' and parameters of the workpiece holder 19 (for traversing the scanning trajectory T) can be set (indicated by arrows 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).In 5 A distance sensor 25 is also indicated schematically, which is arranged, for example, on the optical system 1B′. The distance sensor 25 is set up to detect the distance between the joining partners and the optical system 1B′. In particular, the distance sensor 25 can determine a position of a surface 9A of the tube 9 along the beam axis 8 in relation to a target position with regard to the elongated focal zone. The target position is specified specifically for a welding process, the respective joining partners and the respective beam formation. For example, the target position can be specified by a desired displacement Δz (in or against the propagation direction of the laser beam) between the beginning of the elongated focal zone and the surface of the joining partner/tube 9 . For example, the beginning of the elongated focal zone can be at the location in the Z-direction at which the intensity has increased to 50% of the maximum intensity. In addition to the beginning of the elongated focus zone meeting the surface of the joining partner, a displacement Δz>0 can be set as the target position, in which the elongated focus zone is already formed in front of the tube 9 and then extends into the material of the tube 9 . Likewise, a shift Δz < 0 can be set, in which case the elongated focal zone forms only in the material of the pipe or at least beginning in the material of the pipe 9 (as in 5 indicated).

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.The distance sensor 25 outputs distance data to the control unit 23, which can regulate the distance, for example, via the workpiece holder 19 or the linear displacement unit 19' in relation to a specified target position. Distance sensors can be designed, for example, as confocal white-light sensors, white-light interferometers (such as optical coherence tomographs) or capacitive sensors.

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.In particular, the distance sensor 25 can be used to measure the position of the joining partners with respect to processing optics and/or the geometry of the joining partners in a pre-measurement step or during the welding process. For example, it can happen that the joining partners are mounted in the workpiece holder 19 in a wobbling manner during a rotation. In such a case, the distance between the surface and the specified target position can be measured before the actual processing and the position data of the surface can be saved. For this purpose, the control unit 23 can cause the joining partners to be traversed once along the trajectory to be processed without the laser beam 3 being irradiated. During this pre-measurement, the distance sensor 25 detects the distance data and outputs it to the control unit 23 in which the distance data is stored.

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.Furthermore, the distance sensor 25 can be designed to measure a curvature of the surface of at least one of the joining partners in a pre-measurement step or during processing. The curvature can be calculated from the distance data, for example. For example, the curvature of the surface of a joining partner can vary along the scanning trajectory, so that the scanning trajectory is traversed in a pre-measurement in order to save data about the curvature of the surface along the scanning trajectory and to use it for later adjustment of a phase-correcting beam shaping. A corresponding preliminary measurement can in turn be controlled by the control unit 23 and the recorded curvature data can be stored in the control unit 23 .

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)
Furthermore, the control unit 23 can set parameters of the laser beam 3 . Exemplary parameters of the laser beam 3 that can be used within the scope of this disclosure for the laser welding process are:
  • Laser pulse energies/energy of a laser pulse group (burst): eg in the mJ range and more, for example in the range between 20 μJ and 5 mJ (eg 1200 μJ), typically between 100 μJ and 1 mJ
  • Wavelength ranges: IR, VIS, UV (e.g. 2 µm > λ > 200 nm; e.g. 1550 nm, 1064 nm, 1030 nm, 515 nm, 343 nm)
  • Pulse duration (FWHM): a few picoseconds (e.g. 3 ps) and shorter, for example a few hundred or a few (tens) of femtoseconds, in particular ultra-short laser pulses/laser pulse groups
  • Number of laser pulses in a burst: e.g. 2 to 4 pulses (or more) per burst with a time interval in the burst of a few nanoseconds (e.g. 20 ns)
  • Number of laser pulses per modification: one laser pulse or one burst for a modification Repetition rate: usually greater than 0.1 kHz, eg 100 kHz Length of the focal zone in the material: greater than 20 µm, up to a few millimeters
  • Diameter of the focal zone in the material: greater than 1 µm, up to 20 µm and more (resulting lateral expansion of the melting zone in the material (without relative movement): greater than 100 nm, e.g. 300 nm or 1 µm, up to 20 µm and more)

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.The pulse duration refers to a single laser pulse. Accordingly, an exposure time refers to a group/burst of laser pulses that lead to the formation of a melt pool at a location in at least one of the joining partners. If the duration of action and the duration of the pulse are short with regard to a given feed rate, one laser pulse and all laser pulses of a group of laser pulses contribute to the formation of a melt pool at one location. With lower feed rates or repeated scanning, continuously melted areas can also occur along the joining surfaces.

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.The aforementioned parameter ranges can allow the formation of a melt pool that extends up to, for example, 1 mm (typically 20 μm to 500 μm) in the beam propagation direction along a joint surface.

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.For the formation of elongated focal zones, the focus-forming beam shaping can be set up to cause beam portions of the laser beam to arrive at an angle of incidence onto a beam axis of the laser beam at least partially in the material of the first joining partner and/or in the material of the second joining partner through interference. Thus, the focus length (given essentially by the extent of the molten pool) can be set to be less than or equal to a predetermined joint length in the direction of propagation of the laser beam. In particular, the focal length can be adjusted in a range between 20 µm and 500 µm (e.g. between 100 µm and 500 µm). Furthermore, focal zones with asymmetrical intensity distributions, such as a flattened beam, can be used in laser welding in order to produce correspondingly shaped molten pools (and thus, if appropriate, correspondingly shaped weld seams).

Die Strahlformung wird in 5 beispielhaft mit einem flächigen diffraktiven optischen Strahlformungselement 27 umgesetzt.The beam shaping is done in 5 implemented by way of example with a flat diffractive optical beam-shaping element 27 .

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).The concepts disclosed herein for phase correction with regard to the curved surface of a joining partner is described in 5 implemented by a cylindrical lens 29. A cylinder axis associated with the cylinder lens extends in 5 along the axis A of the tube 9. Furthermore, in 5 schematically indicated that the cylindrical lens 29 can be formed as a phase distribution of an (adjustably deformable) cylindrical mirror or a diffractive optical beam-shaping element 29'. In this case, the diffractive optical beam-shaping element 29' can be embodied as a permanently inscribed diffractive optical beam-shaping element. Furthermore, the diffractive optical beam-shaping element 29' can be an adjustable diffractive optical beam-shaping element. Furthermore, the diffractive optical beam-shaping element 27 and the diffractive optical beam-shaping element 29' can be combined in one diffractive optical beam-shaping element. An adjustable diffractive optical beam-shaping element or a deformable cylinder mirror can be controlled and adjusted by the control unit 23 with regard to the phase-correcting beam shaping to be carried out (see arrow 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.In general, a diffractive optical beam-shaping element is designed to impose a phase contribution on a transverse beam profile of the output laser beam 3', the diffractive optical beam-shaping element adjoining surface elements (see, for example, for the beam-shaping element 27 in 5 indicated surface elements 27A). The surface elements 27A can build up a surface lattice structure in which a phase shift value is assigned to each surface element 27A. With the help of specially selected phase shift values, an axicon or an inverse axicon, for example, but also a cylindrical lens can be diffractively simulated.

Hierin werden diffraktive optische Strahlformungselemente und entsprechende refraktive Optiken sowie reflektive Optikimplementierungen als hinsichtlich der vorzunehmenden Phasenkorrektur im Wesentlichen gleichwertige optische Mittel angesehen.Here, diffractive optical beam-shaping elements and corresponding refractive optics as well as reflective optics implementations are regarded as essentially equivalent optical means with regard to the phase correction to be carried out.

Die 6A und 6B zeigen orthogonale Schnittansichten des Strahlengangs (nur schematisch, nicht physikalisch) in einem optischen System zur Verdeutlichung der Strahlformung. the 6A and 6B show orthogonal sectional views of the beam path (only schematically, not physically) in an optical system to clarify the beam shaping.

6A zeigt eine Schnittansicht in einer Z-Y-Ebene und 6B zeigt eine Schnittansicht in einer Z-X-Ebene. 6A shows a sectional view in a ZY plane and 6B shows a sectional view in a ZX plane.

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.The processing optics is used for (Gaussian) Bessel beam generation and includes an axicon 31 with a cone angle γ, so that radial beam components are each at an angle δ on the Converge beam axis 8 and form a first real Bessel beam focal zone (interference zone 33 over a length 10). The Axicon 31 is embedded in two telescopes. A telescope (not shown) positioned upstream matches the beam diameter of the output laser beam 3' to the axicon 31, generally the beam shaping element. Explicitly in the 6A and 6B the telescope arrangement 20A positioned downstream with telescope lenses L1 and L2 and focus lengths f1 and f2 is shown, with which the axicon tip 31_S is imaged in the joining partners in a reduced manner (reduction factor M=f1/f2). The general aim of the illustration is that the interference zone 33 is reduced to form the elongated focus zone 7 (of the non-diffracting laser beam) in the material of at least one of the joining partners. The non-diffractive laser beam hits the curved surface at an impingement point P. In general, the point of impact is understood here as the point of intersection of the optical axis of the laser beam with the arrangement of joining partners. When the axicon tip 31_S is imaged onto the curved surface, there is no shift Δz of the beginning of the non-diffractive laser beam to the entrance surface (ie, Δz=0). In the example of 6A the start of the non-diffracting laser beam lies before the surface by an amount Δz > 0. Alternatively, the start of the non-diffracting laser beam lies behind the surface by an amount Δz < 0 (see Fig 5 and 8A ), ie, in the material so that the surface is not affected by the welding process. For example, |Δz| in the range of 100 µm to 200 µm or more.

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.After imaging and entering the material, the radial ray fractions in the Z-Y plane in the material extend towards the ray axis 8 at, for example, an angle δ'.

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.this is in 7A (ideal propagation; without aberrations) for a flat surface 37 shown. The interference of the radial beam components 3T takes place over the entire length.

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.An exemplary intensity curve I(x, z) is along the beam axis 8 (in the Z direction) in 8A shown how it can be generated with a Bessel beam. An associated transverse intensity curve I(x, y) shows 8B . The intensity curves correspond to those in figure (b) of the 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.The goal is to achieve such an intensity curve for a joining partner with a curved surface 9A. However, this is not possible without correcting the optical path in the plane of curvature.

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. 7B (disturbed propagation; with aberrations) clarifies the problem for the entry of a Bessel beam-shaped laser beam into a material through a curved surface 39. Due to the curvature (ie, a locally inclined incidence), the radial beam components in the material run at varying angles δ (r) towards the beam axis 8. In the case of the Bessel beam, the interference conditions are only given at the beginning (in the case of the inverse Bessel beam only at the end) due to the still approximately flat surface in the central area around the beam axis. For example, this is the situation for a surface with a radius of curvature R of 5 mm and a diameter D of the impinging laser beam 3 of, for example, 250 μm to 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.An exemplary intensity profile I (x, z) is in the 9A and 9B for this situation of entry through a curved surface. 9A shows an intensity profile I(x, z). It can be seen that high intensities are only present over a limited area along the beam axis 8 (in the Z-direction), zones of somewhat higher intensity then form at a distance from the beam axis 8 . In the associated transversal intensity profile I(x, y) of 8B one can see that these off-axis zones are arranged in the X and Y directions.

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.The wave front aberrations when passing through the curved surface 39 thus result in a focus distribution with a significant loss of intensity in the direction of propagation, so that optical processing of, in particular, deeper-lying areas is no longer possible. Similar effects can also exist with regard to a Gaussian focus.

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.coming back on 6B Due to the curved surface 9A of the tube 9 in the ZX plane, a non-diffracting beam extending over the entire intended length (ie constructive interference in particular in lower-lying areas) is no longer formed without compensation in the ZX plane , since the conditions regarding the interference in the joining partner differ from those in the interference zone 33 . The desired intensity distribution is therefore no longer generated in the joining partner without compensation.

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.Assuming the phase compensation concept proposed here has been implemented, the correction phase influences the course of the laser beam in the material in such a way that the radial beam components also in the Z-X plane also essentially run towards the beam axis 8 at the angle δ′.

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.For phase compensation is in the construction of the 6A and 6B a cylindrical lens 35 is positioned in front of the axicon 31, the refractive effect of which lies in the cross-sectional plane of the tube 9. To illustrate an alternative arrangement, a cylindrical lens 35 'in 6B indicated by dashed lines, which is positioned directly downstream of the axicon 31 in the beam path in the processing optics. The cylindrical lens 35, 35' represents the place where an axisymmetric phase distribution is impressed.

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.The cylindrical lens has a refractive index nz, a cylinder radius Rz and a focal length fz to compensate for aberrations due to the radius of curvature Ra of the surfaces and a refractive index nw.

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.Except for the cylindrical lens 35, the optics are in the structure 6A and 6B to be understood as rotationally symmetrical about the beam axis 8 in the case of a rotationally symmetrical axicon 31 .

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.Because of the cylindrical lens 35, the interference following the axicon 31 will no longer form in a rotationally symmetrical manner, since, for example, the conditions in the interference zone 33 in the Z-Y plane differ from those in the Y-X plane.

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.In the 5 and in the 6A and 6B The optical systems shown are examples of an optical system for beam shaping of a laser beam for forming a focal zone in a joining partner/joining partners with a curved surface, the focal zone being elongated along a beam axis of the laser beam. On the one hand, the optical systems have focus-forming optics, which allow beam components to enter the beam axis of the laser beam at an angle of incidence for forming the elongated focus zone along the beam axis (ie, for forming a non-diffracting beam) in the material by interference causes. On the other hand, a phase correction is provided in the optical system, which counteracts the interference caused by the laser beam entering the joining partners. The phase correction can generally be implemented as diffractive, refractive and/or reflective. It can, for example, be provided as phase-correcting (separate) optics or be integrated into the focus-forming optics.

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).For the use of a cylindrical lens 35, 35' as compensation optics, the cylindrical lens 35, 35' should be as close as possible in the plane of the axicon or the diffractive optical element (beam shaping element 27) (if possible directly in front of or behind it).

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.The selection of the radius of curvature Rz of the surface of the cylindrical lens depends on the relative position of the non-diffracting beam with respect to the joining partner, in particular from the beginning of the elongated focal zone with respect to the entrance surface of the joining partner.

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 ( n z 1 ) [ M 2 R w n w 1 ]

Figure DE102021111879A1_0012
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.
In the event that there is no shift Δz of the beginning of the elongated focal zone to the entrance surface (Δz = 0), the radius of curvature Rz of the cylindrical lens is calculated to a good approximation from fz ≈ Rw M 2 / (n-1) and fz ≈ Rz / ( nz-1) R e.g ( n e.g 1 ) [ M 2 R w n w 1 ]
Figure DE102021111879A1_0012
With
para
radius of curvature of the cylindrical lens,
na
refractive index of cylindrical lens,
Rw
radius of curvature of the surface of the joining partner,
nw
Refractive index of the material of the joining partner and
M
M = f1 / f2 - imaging factor of the beam path between a location where the phase distribution is impressed and the joining partner.

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 Rz der Oberfläche der Zylinderlinse, die jeweils für Δz = 0 der obigen Bedingung entspricht.If one takes into account that the elongated focal zone begins in front of the surface of the joining partner (Δz greater than 0) or falls into the joining partner (Δz less than 0), the following approximate definitions of the radius of curvature R z of the surface of the cylindrical lens result, each for Δz = 0 of the meets the above condition.

Δz > 0 (mit den zusätzlichen Parametern a = 5060 mm-2 und b = 9645 mm-1): R z ( Δ z 0, R w ) ( n z 1 ) [ ( b a R w ) ( Δ z ) 2 M 2 R w n w 1 ]

Figure DE102021111879A1_0013
Δz > 0 (with the additional parameters a = 5060 mm -2 and b = 9645 mm -1 ): R e.g ( Δ e.g 0, R w ) ( n e.g 1 ) [ ( b a R w ) ( Δ e.g ) 2 M 2 R w n w 1 ]
Figure DE102021111879A1_0013

Δz ≤ 0 (mit den zusätzlichen Parametern c = 284 mm-1 und d = 590): R z ( Δ z 0, R w ) ( n z 1 ) [ ( d c R w ) Δ z M 2 R w n w 1 ]

Figure DE102021111879A1_0014
Δz ≤ 0 (with the additional parameters c = 284 mm -1 and d = 590): R e.g ( Δ e.g 0, R w ) ( n e.g 1 ) [ ( i.e c R w ) Δ e.g M 2 R w n w 1 ]
Figure DE102021111879A1_0014

Man erkennt einen angenähert linearen Verlauf für Δz < 0 sowie einen angenähert quadratischen Verlauf für Δz > 0.An approximately linear curve can be seen for Δz < 0 and an approximately quadratic curve for 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.As in 5 In the case of a "positive" curved joining partner (convex in the section plane), a "negative" cylindrical lens convex is indicated exercise (concave) to be provided. In other words, a phase distribution caused by the cylindrical lens has a scattering effect (and not a collecting effect, as occurs when it enters the joining partner). Those skilled in the art will appreciate that with the concepts disclosed herein, mating partners having a concavely curved surface (e.g., for laser welding along a rod having a trough) can also be welded by providing a "positive" cylindrical lens curvature (convex).

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 Rz kleiner Null/negative Zylinderlinse für eine konkave Form des Fügepartners. Entsprechend ergibt sich ein Krümmungsradius Rz 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.Radii of curvature are considered herein to be generally in a sectional plane transverse to the longitudinal axis of the curved-surface join partner to be welded. A radius of curvature is the inverse of a concave shape for a joining partner with a convex shape in the section plane (round tube surface). The curvature of the correcting optics (or a “curvature” that can be assigned to the corresponding phase curves) is inverted in accordance with the curvature of the joining partner. This is indicated in the above formula for by the factor (-1). A radius of curvature R z of less than zero/negative cylindrical lens can be seen for a concave shape of the joining partner. Accordingly, a radius of curvature R z greater than zero/positive cylindrical lens results for a convex shape of the joining partner. Those skilled in the art will appreciate that in addition to plano-convex or plano-concave cylindrical lenses (see 5 ) corresponding lenses curved on both sides with the appropriate refractive behavior can be used.

Nachfolgend werden anhand der 10A bis 10F Phasenverteilungen mit diffraktiven optischen Strahlformungselementen erläutert.The following are based on the 10A until 10F Phase distributions with diffractive optical beam shaping elements explained.

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.Exemplary phase distributions for a realistic laser welding process based on phase progressions as they correspond to a 2° axicon and a 1000 mm cylindrical lens are given in the 10A until 10C shown for center cutouts of eg 1 inch diameter DOEs. Since the phase distribution for the 2° axicon dominates the combined phase distribution, the 10D until 10F to illustrate an example case based on phase curves, as they can be assigned to a 0.5° axicon and a 200 mm cylindrical lens.

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. 10A shows a two-dimensional phase distribution PHI_BESSEL(x, y) [in rad] for a diffractive optical element that brings about focus-forming beam shaping. In particular, the phase distribution PHI_BESSEL(x,y) can impose a symmetric Bessel beam phase distribution on an incident Gaussian beam (to produce a Bessel-Gaussian beam). In the phase distribution PHI_BESSEL(x, y) you can see ring-shaped constant phase shift values that run radially in a sawtooth shape between -PI and +PI. The phase shift values represent first phase contributions 25A of the beam formation and cause beam components to arrive at a beam axis of the laser beam at an angle of incidence for formation of an elongated focus zone along the beam axis in the material by interference. The elongated focus zone roughly corresponds to the focus zone created with a 2° axicon (γ = 2°).

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“. 10B shows a two-dimensional phase distribution PHI_ZYL(x, y) for a diffractive optical element, which causes a phase-correcting beam shaping, as is the case when welding pipes with an outer radius of 5 mm with an elongated focal zone, as is the case with the phase distribution PHI_BESSEL(x, y) is generated can be used. The phase curve roughly corresponds to that of a 1000 mm cylindrical lens with a cylinder radius of "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.One recognizes constant phase shift values in the Y direction, which run (increase) squarely in the X direction in a sawtooth-like form between −PI and +PI in the X direction and represent second phase contributions 25B of the beam shaping. The second phase contributions 25B form a phase distribution that is symmetrical to an axis of symmetry S, the second phase contributions 25B being constant parallel to the axis of symmetry S (in the y-direction) and changing perpendicularly to the axis of symmetry S.

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.Assuming an imaging factor M = 10 and correspondingly usual refractive indices for the cylindrical lens and the tube, the second phase contributions 25B can cancel out the entry phase, which occurs locally, i.e., when a laser beam enters the tube with the outer radius of 5 mm. on a surface element on the curved surface.

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.The two-dimensional phase distribution PHI_BESSEL(x, y) and the phase distribution PHI_ZYL(x, y) can be generated together with a diffractive optical element. 10C shows a corresponding superimposed two-dimensional phase distribution PHI total (x, y), in which the two-dimensional phase distribution PHI_BESSEL(x, y) dominates in appearance.

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.To clarify the appearance of a superimposition of a point-symmetrical phase curve for Bessel beam generation of an axisymmetric phase curve for phase correction 10D a phase distribution PHI_BESSEL(x,y) to generate an elongated focal zone that roughly corresponds to the focal zone generated with a 0.5° axicon. 10E indicates a two-dimensional phase distribution PHI_ZYL(x, y), the phase curve of which roughly corresponds to that of a 200 mm cylindrical lens with a cylinder radius of approx. -100 mm.

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.In 10F a corresponding deformation of the phase distribution PHI_BESSEL(x, y) can now be seen in the superimposed two-dimensional phase distribution PHI total(x, y). With the phase distribution PHI_BESSEL(x, y) of 10F pipes with an outer radius of 1 mm (at M = 10) could be welded. It is noted again that the 10D until 10F underlying parameters serve purely to clarify the phase progression and are not intended to represent a realistic example.

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. 11 shows a flowchart of a method for forming a welded joint between a first joining partner and a second joining partner using a laser beam, in particular an ultra-short pulse laser beam, the welded joint welding a first joining surface of the first joining partner to a second joining surface of the second joining partner.

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 a step 100, 2 parts to be joined are spatially mounted in such a way that the associated joining surfaces are spatially firmly aligned with one another. The joining surfaces usually contact each other or have a distance/gap of a maximum size of a few micrometers (less than 15 μm, for example).

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.In a step 101, a laser beam is shaped to form a (in particular elongated) focal zone in the area of the joining surfaces of the joining partners. Beam shaping is performed with an array of diffractive and/or refractive and/or reflective optics. Step 101 includes the sub-steps of focus-forming beam shaping 101A and phase-correcting beam shaping 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.The focus-forming beam shaping 101A leads, for example, to the formation of the focal zone in the event that no curved surface would have to be traversed. For example, in the area of the joining surfaces, it causes the formation of a Gaussian focus or that beam components run in at an angle of incidence onto a beam axis of the laser beam for the formation of an elongated focus zone along the beam axis by interference.

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.The phase-correcting beam shaping 101B counteracts an influencing of the interference by the entry of the laser beam into the joining partner with the curved surface or into the joining partner with the curved surfaces.

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).Steps 101A and 101B can also be carried out in combination in a common phase imprinting step. In step 101, a two-dimensional phase distribution can be applied to the laser beam to form the focus zone, with the phase distribution for the focus-forming beam shaping comprising first phase contributions, which e.g. cause beam components to arrive at the angle of arrival, and/or for the phase-correcting beam shaping comprising second phase contributions , which cancel an entry phase locally accumulated by the laser beam when it enters the joining partner(s). The accumulated entry phase is determined for an alignment of the beam axis along a normal direction of the surface at a point of impact of the beam axis on the surface. It takes into account the angle of incidence (δ'), the radius of curvature Rw of the surface of the joining partner at the point of impact and the refractive index nw of the material of the joining partner (especially the material in the area where the beam enters).

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 a step 103, for example, the symmetrical phase distribution and the joining partners can be aligned in such a way that an axis of symmetry of the phase distribution of the second phase contributions, taking into account the beam path, runs orthogonally to a plane between a location where this axisymmetric phase distribution is impressed and the joining partners, in which a ( maximum) radius of curvature of the surface is defined.

In einem Schritt 105 werden Strahlparameter des Laserstrahls derart eingestellt, dass das Material mindestens einer der Fügepartner aufgeschmolzen wird.In a step 105, beam parameters of the laser beam are set in such a way that the material of at least one of the joining partners is melted.

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 a step 107, the laser beam is radiated onto the curved surface of the joining partner in such a way that at least part of the laser beam enters the joining partner through the curved surface. The beam axis of the laser beam can be aligned to a normal direction of the surface (step 107A) such that the beam axis impinges on the surface in an angular range of 10° around the normal direction and preferably along the normal direction. In the material of the joining partner(s), laser radiation propagates to the first joining surface(s) and creates the focal zone. This at least partially overlaps with the material of one of the joining partners.

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.In a step 109, a relative movement is effected between at least one of the joining partners and the focal zone, in which the focal zone is positioned along a scanning trajectory in the material of at least one of the joining partners. Ent accordingly, a plurality of melt zones or a continuous melt zone can be formed in the area of the joining surfaces along the scanning trajectory.

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.For example, the focal zone is moved along the first joining surface while maintaining an alignment of the laser beam with respect to a curvature of the curved surface. For example, the focus zone can be brought about by a rotation of one or both joining partners about an axis assigned to the curvature of the curved surface. Alternatively or additionally, the laser beam (of the beam-shaping optics) can be rotated about the first joining partner and/or the second joining partner.

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.The relative movement can be controlled in step 109 as a rotational movement of at least one of the joining partners, in which the beam axis of the laser beam runs in particular through a longitudinal axis of the joining partner. In the case of a purely rotational movement, the scanning trajectory of the laser beam can run in a plane with the maximum curvature of the surface of the joining partner. Alternatively or additionally, a translational movement can be controlled, for example transversely, in order to expand the area of the melt pool laterally.

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.In a step 111, a position of the surface along the beam axis can optionally be monitored and regulated to a target position (target distance from the optical system). The monitoring and regulation is carried out in particular when a rotational axis of the rotational movement deviates from an axis of rotational symmetry of the surface and/or the surface deviates at least in sections from a rotationally symmetrical surface profile.

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.In particular, the use of elongated focal zones can (at least partially) replace a translational movement in the direction of propagation. It is noted that a change in distance can affect the phase-correcting beamforming to be carried out. Accordingly, if the distance changes, the phase-correcting beam shaping would have to be changed or the possible deviation in the focus geometry would have to be worked with.

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.Similarly, in a step 113, a phase-correcting beam shaping 101B′ can be adjusted in its compensation effect on the curvature of the surface that is present in each case if the trajectory runs in a region with varying curvature. In this way, for example, an influence on the interference caused by the entry of the laser beam into the material can be counteracted for the existing curvature of the surface. The phase-correcting beam shaping is adapted, for example, by taking into account the curvature that is present in each case in the two-dimensional phase distribution of the beam-shaping element. For example, the second phase contributions 25B provided for such a phase correction can be adjusted accordingly in an adjustable SLM. Alternatively, for example, the curvature of a deformable mirror can be adjusted.

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.The adjustment can be based, for example, on measurements that are carried out during the welding process. A correspondingly fast analysis unit for the geometry of the joining partners must be provided. Alternatively or in addition, in a step 115, a preliminary measurement of the geometry of the joining partners can be carried out along the scanning trajectory. For the preliminary measurement, the laser processing system can, for example, follow the scanning trajectory to be traversed for the welding process without activating the laser beam source for measuring the geometry of the joining partners.

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. 12A clarifies, as a further example of a welding process, the constellation of an angled butt joint 51 when welding two pipes 53A, 53B as joining partners. That is, each of the joining partners has a cylindrical basic shape. However, in this case, the cylinder axes 55A, 55B extend at an angle. In contrast to the arrangement of 3A , in which the cylinder axes are aligned, the tubes 53A, 53B have a different geometry of incidence on the curved outer surfaces with respect to the laser beam 3: orthogonal incidence on the cylinder axis 55A in the case of the tube 53A and oblique incidence on the cylinder axis 55B in the case of the tube 53B.

Beispielhaft überlappt die Fokuszone 7 mit dem Material der Rohre 53A, 53B an beiden Rohrendflächen (als Fügeflächen) .For example, the focus zone 7 overlaps with the material of the tubes 53A, 53B on both tube end faces (as joining faces).

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.One recognizes in 12A that phase-correcting beam formations for beam components 57A, 57B, which each propagate through one of the joining parts, can differ. For example, the beam portion 57A as in the example of FIG 3A be compensated for, whereas the beam component 57B could be adjusted depending on the rotation angle due to the oblique incidence.

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.Because if a rotation (arrow 59) takes place around the cylinder axis 55A during the welding process, it should be noted that the ideal phase-correcting beam shaping for the beam component 57B changes as the angle of incidence on the cylinder axis 55B changes during rotation.

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. 12B clarifies, as a further example of a welding process, the constellation of a butt joint 61 when welding a transparent glass tube 63A (first joining partner) to an opaque rod 63B (second joining partner). The material of the rod 63B is essentially opaque to the laser radiation of the laser beam 3. As in the arrangement of FIGS 3A the cylinder axes 65A, 65B of the glass tube 63A and the rod 63B are aligned with one another, so that the curved outer surfaces of the glass tube 63A and the rod 63B merge into one another.

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.The material of the opaque rod 63B already absorbs an incident beam portion 67B of the laser radiation of the laser beam 3 with linear absorption on the surface of the opaque rod 63B, so that the beam portion 67B cannot be used to form the melt pool in the area of the joining surfaces.

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.However, due to the phase-correcting beam shaping, a beam component 67A spreads out in the direction of the joining surface of the opaque rod 63B in such a way that a focal zone, in particular also an elongated one, can be formed there. In view of the losses, sufficiently high intensities are to be generated for the remaining beam portion 67A. In particular, the material of the opaque rod 63B can be heated via linear absorption of the laser beam 3 . The material of the glass tube 63A can also be heated by non-linear absorption and/or indirectly by the heated material of the opaque rod 63B in order to form a common molten pool of the joining partners in the focus zone 7.

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. 12C clarifies as a further example of a welding process the constellation of an overlap joint 71 when welding a transparent glass tube 73A (first joining partner: hollow cylinder) into which a glass rod 73B (second joining partner: cylindrical basic shape) was partially inserted. That is to say, the glass tube 73A has, at least in sections, a hollow-cylindrical shape with respect to a cylinder axis 75, along which the glass rod 73B also extends.

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.The first joining surface is a portion of an inner surface 77A of the transparent glass tube 73A. A section of an outer surface 77B of the glass rod 73B forms a second joining surface, the course of the second joining surface essentially following a course of the first joining surface.

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.In 12C a melting of material of the glass tube 73A and material of the glass rod 73B with an elongated focus zone 7 is effected. The use of the elongated focus zone 7 can bridge a possible gap between the joining partners. In addition to a rotational movement (arrow 79A) of the focal zone 7 around the cylinder axis 75, the focal zone 7 can also be moved with a relative translational movement (79B) between the laser beam 3 and the joining partners along the cylinder axis 75, for example to produce a spiral weld seam.

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. 12D FIG. 12 illustrates, as a further example of a welding process, the constellation of a longitudinal weld 81 of a pipe that is butt-welded from two half-shells 83A, 83B as joining partners. The half-shells 83A, 83B are formed along a direction of extension (cylinder axis 85 of the tube to be produced) and in 12D shown spaced apart for clarity. Curved surfaces 87A, 87B of the half-shells 83A, 83B together form a cylinder surface around the cylinder axis 85 at least in sections in the area of the weld seam. In general, the joining partners include an azimuthal section of a cylindrical or hollow-cylindrical basic shape - in 12D in the form of a half shell.

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.Side surfaces 88A, 88B of the half-shells 83A, 83B form the joining surfaces and extend in the radial direction with respect to the cylinder axis 85. The laser beam 3 is radiated in the radial direction onto the cylinder axis 85, with phase-correcting beam shaping compensating for aberrations due to the curved surfaces 87A, 87B. A step-by-step translational movement (arrow 89) of the focal zone 7, which is elongated (e.g. over 80% of the wall thickness), takes place along the cylinder axis 85, so that the half-shells 83A, 83B are joined together. In the process, spatially separated melting zones 91 are formed, which run towards the cylinder axis 85 in the radial direction.

Mit den hierin beschriebenen Schweißverfahren können Fügepartner wie Rohre, Zylinder oder Abschnitte eines Rohrs oder Zylinders, wie ein Halbrohr oder Halbzylinder, verschweißt werden.Joining partners such as pipes, cylinders or sections of a pipe or cylinder, such as a half-pipe or half-cylinder, can be welded with the welding methods described here.

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.In the optics systems exemplified herein, separate optics are shown for beam shaping and phase compensation. However, these optics can also be implemented in a single optic (e.g. as a refractive/reflective free-form element or as a diffractive optical element) or in a hybrid optical element (cylindrical lens on the input side, axicon on the output side; "Zaxicon").

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.For the sake of completeness, it is pointed out that, in addition to a symmetrical intensity distribution in a focal zone, there is also a phase imprint e.g. with a diffractive optical element, which leads to an intensity distribution in the focal zone that is asymmetrical (e.g. flattened in one direction) or produces several intensity ranges running parallel to one another (see figure (c) of the 1 ). Exemplary phase impressions and intensity distributions are, for example, in the German patent application 10 2019 128 362.0 , "Segmented beam-shaping element and laser processing system", filed October 21, 2019 by the applicant and in K. Chen et al., "Generalized axicon-based generation of nondiffracting beams", arXiv:1911.03103v1 [physics.optics] 8 Nov 2019 disclosed. In other words, beam shaping, which is to be carried out for such asymmetric intensity distribution, can be combined with phase correction, which can correct the influence on the phase distribution when entering the material.

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.Another aspect discloses optical systems for beam shaping of a pulsed laser beam, in particular ultra-short laser pulses, for forming a focal zone in at least one joining partner with a curved surface, the focal zone being elongated along a beam axis of the laser beam. The optical system includes focus-forming optics, which causes beam components to arrive at an angle of incidence onto a beam axis of the laser beam for formation of the elongated focus zone along the beam axis in the material of the joining partner by interference. A phase correction, which counteracts the interference caused by the laser beam entering the joining partner, is provided with phase-correcting optics or is integrated into the focus-forming optics. In other words, the optical systems comprise phase-correcting optics which effect phase correction which counteracts the interference being influenced by the laser beam entering the material, or such a phase correction is integrated into the focus-forming optics.

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 some developments of the method, the locally accumulated entry phase for an alignment of the beam axis along a normal direction of the surface at a point of impact of the beam axis on the surface can be determined and the angle of arrival, a radius of curvature of the surface at the point of impact and - a refractive index of the material of a joining partner can be taken into account.

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 some developments of the method, phase contributions can be impressed on a transverse beam profile of the laser beam with a diffractive optical beam-shaping element, the diffractive optical beam-shaping element having surface elements which adjoin one another and build up a surface grating structure in which each surface element is assigned a phase shift value, and the phase shift values cause the phase contributions.

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 some developments of the method, the phase-correcting beam shaping can be generated by a cylindrical lens, which is positioned in a beam path of the laser beam before or after an optical system that effects the focus-forming beam shaping. The cylindrical lens may have a radius of curvature that matches a radius of curvature of the surface.

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 some developments of the method, the beam shaping of the laser beam can be carried out by impressing a two-dimensional phase distribution on a transverse beam profile of an output laser beam with:
  • - a diffractive optical beam-shaping element having fixed or adjustable phase values in a two-dimensional array; or
  • - a combination of a cylindrical lens with an axicon; or
  • - a combination of a cylindrical lens with a diffractive optical beam-shaping element, which has fixed or adjustable phase values in a two-dimensional arrangement, which is designed to impress a phase distribution causing a non-diffracting beam, in particular a Bessel beam-like phase distribution, for the formation of the elongated focal zone is.

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.
In some developments, the methods can further include the step:
  • Monitoring and controlling a position of the surface of the joining partner along the beam axis to a target 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.The monitoring and regulation can be carried out in particular if, during a rotational movement, a rotational axis deviates from an axis of rotational symmetry of the surface of the joining partner and/or the surface of the joining partner deviates at least in sections from a rotationally symmetrical surface profile.

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 some developments, the methods may further include adjusting the phase-correcting beam shaping to a change in curvature of the curved surface along the scanning trajectory of the laser beam. For example, a control signal to adjust sen the phase-correcting beam shaping based on a pre-measurement of a curvature of the curved surface along the welding trajectory and / or based on an online measurement of a curvature of the curved surface during a relative movement between the joining partner / the joining partners and the focal zone along the scanning trajectory. The control signal can then be output to an adjustable beam-shaping element, such as a spatial light modulator or deformable mirror, to adjust the phase contributions for phase-correcting beam-shaping.

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 some developments, the optical systems can be set up to impress a two-dimensional phase distribution on the laser beam and to output it as a laser beam that forms a non-diffracting beam, in particular a real or virtual Bessel-like one, with the focus-forming optics generating first phase contributions to the phase distribution and the phase-correcting optics or the phase correction can generate second phase contributions to the phase distribution, which cancel out an entry phase locally accumulated by the laser beam when it enters the joining partners.

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 some developments of the optical systems, the focus-forming optics and/or the phase-correcting optics for the phase imposition of a two-dimensional phase distribution can be designed as a diffractive optical beam-shaping element that is set up to impress the first phase contributions and/or the second phase contributions on a transverse beam profile of the laser beam . The diffractive optical beam-shaping element can have surface elements adjoining one another, which build up a surface grating structure in which each surface element is assigned a phase shift value, and the phase shift values bring about the first phase contributions and/or the second phase contributions. Alternatively or additionally, the focus-forming optics can be designed as an axicon that generates the focus-forming phase contributions. Furthermore, as an alternative or in addition, the phase-correcting optics can be designed as a cylindrical lens, which generates the second phase contributions and is positioned directly before or after the focus-forming optics in the beam path of the laser beam. Alternatively or additionally, the focus-forming optics can be designed as a refractive free-form element that generates the first phase contributions and the second phase contributions. Alternatively or additionally, the focus-forming optics and the phase-correcting optics can be embodied as hybrid optics that generate the first phase contributions and the second phase contributions and are embodied in particular as a combination of an input-side cylindrical lens and an output-side axicon.

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 some developments of the optical systems, the phase-correcting optics for the phase imposition of a two-dimensional phase distribution can be designed as an optical element that can be adjusted in the two-dimensional phase distribution. For example, it can be designed as a diffractive optical beam-shaping element such as a spatial light modulator or a deformable cylinder mirror. Furthermore, the adjustable optical element can be designed for an adjustment of the phase corrections when there is a change in a curvature of the curved surface that is to be corrected, as a function of a control signal.

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 some developments, the optical systems can also include:
  • a telescope arrangement for reducing a real or virtual focal zone, which is assigned to the focus-forming optics, and/or
  • a distance sensor that is set up to determine a position of a surface of the joining partner along the beam axis.

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 some developments of the laser processing system, the optical system and/or the workpiece holder can be set up to:
  • - aligning the beam axis of the laser beam to a normal direction of the surface in such a way that the beam axis impinges on the surface in an angular range of 5° or 10° around the normal direction, preferably along the normal direction, and/or
  • - bring about a relative movement between the joining partner and the focal zone, in which the focal zone is positioned along a scanning trajectory in the material, with the alignment of the beam axis to the normal direction being adapted to the course of the surface.

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 some developments, the laser processing system also includes
a distance sensor which is arranged and set up to determine a position of a surface of the joining partner along the beam axis, and
a controller that is set up to monitor a position of the surface of the joining partner along the beam axis with the distance sensor and to regulate it to a target position.

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 some developments of the laser processing system, the optical system can have phase-correcting optics for phase imprinting of a two-dimensional phase distribution, which is adjustable in the two-dimensional phase distribution. For this purpose, the laser processing system can also include a controller that is set up to output a control signal to the adjustable optical element that adapts the two-dimensional phase distribution to a curvature of the curved surface of the joining partner that is to be corrected. The control signal can be provided, in particular by the control unit, based on a pre-measurement of a curvature of the curved surface along a scanning trajectory or based on an online measurement of a curvature of the curved surface during a relative movement between the joining partner and the focus zone along a scanning trajectory.

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.In some developments, the laser processing systems can also have a distance sensor that is arranged and set up to determine a position of a surface of the joining partner along the beam axis. Furthermore, the laser processing systems can have a controller that is set up to monitor a position of the surface of the joining partner along the beam axis with the distance sensor and to regulate it to a target position.

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.It is explicitly emphasized that all features disclosed in the description and/or the claims are to be regarded as separate and independent from each other for the purpose of original disclosure as well as for the purpose of limiting the claimed invention independently of the combinations of features in the embodiments and/or the claims must. It is explicitly stated that all indications of ranges or groups of units disclose every possible intermediate value or subgroup of units for the purpose of original disclosure as well as for the purpose of limiting the claimed invention, in particular also as a limit of a range indication.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • WO 2016/079062 A1 [0030]WO 2016/079062 A1 [0030]
  • WO 2016/079063 A1 [0030]WO 2016/079063 A1 [0030]
  • WO 2016/079275 A1 [0030, 0077]WO 2016/079275 A1 [0030, 0077]
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Claims (20)

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.Method for forming a welded joint between a first joining partner (14) and a second joining partner (15) using a laser beam (3), in particular an ultra-short pulse laser beam, the welded joint having a first joining surface (14B) of the first joining partner (14) with a second Joining surface (15B) of the second joining partner (15) is welded and at least the first joining partner (14) has a curved surface (14A), with the steps: Storing the first joining partner (14) and the second joining partner (15) in such a way that the first joining surface (14B) and the second joining surface (15B) are spatially firmly aligned with one another, Beam shaping of the laser beam (3) to form a focus zone (7) on the first joining surface (14B), the beam shaping being carried out with an arrangement of diffractive, reflective and/or refractive optics and comprising: - a focus-forming beam shaping and - a phase-correcting beam shaping which, for a predetermined alignment of a beam axis (8) of the laser beam (3) when the laser beam (3) enters the first joining partner (14), influences the propagation of the laser beam (3) in the material of the first joining partner (14 ) counteracted by the curved surface (14A), Radiating the laser beam (3) onto the curved surface (14A) in such a way that at least part of the laser beam (3) enters the first joining partner (14) through the curved surface (14A), in a material of the first joining partner (14). the first joining surface (14B) and the focal zone (7) is generated at least partially overlapping with the material of the first joining partner (14) and/or the second joining partner (15), Setting beam parameters of the laser beam (3) in such a way that the material of the first joining partner (14) and/or the second joining partner (15) is melted in the focal zone (7), and Forming the welded connection between the first joining partner (14) and the second joining partner (15) by cooling the melted material. 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.procedure after claim 1 , further comprising moving the focal zone (7) along the first joining surface (14B) while maintaining an orientation of the laser beam (3) with respect to a curvature of the curved surface (14A), and optionally wherein the laser beam (3) is so directed onto the curved surface (14A) that the beam axis (8) of the laser beam (3) is in an angle of incidence range of ±10° to a normal direction (N) of the curved surface (14A) at an impingement point (P) of the beam axis (8) on the curved Surface (14A) is aligned. 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.procedure after claim 2 , the movement of the focal zone (7) by rotating - the first joining partner (14) and/or the second joining partner (15) about an axis associated with the curvature of the curved surface (14A) and/or - the laser beam (3). the first joining partner (14) and the second joining partner (15). 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.procedure after claim 3 , wherein the curved surface (14A) is formed at least in sections as a cylinder jacket surface with respect to a cylinder axis and wherein the laser beam (3) is radiated onto the cylinder axis in a radial direction and the rotation takes place around the cylinder axis. 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.procedure after claim 3 or 4 , wherein the first joining partner (14) has at least partially a cylindrical or hollow-cylindrical shape with respect to a cylinder axis and the first joining surface (14B) is a butt joint surface of the cylindrical or hollow-cylindrical shape. 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.procedure after claim 4 or 5 , wherein the second joining partner (15) has a cylindrical basic shape that extends along the cylinder axis or at an angle to the cylinder axis of the first joining partner (14), and wherein the focal zone (7) is optionally also formed on the second joining surface (15B). and at least partially overlaps with the material of the second joining partner (15). 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.Procedure according to one of Claims 1 until 4 , wherein the first joining partner has at least in sections a hollow-cylindrical shape with respect to a cylinder axis (50) and the first joining surface is an inner surface (77A) of the hollow-cylindrical shape and wherein an outer surface (77B) of the second joining partner has a section whose course at least partially corresponds to a course follows the inner surface (77A) of the first joining partner, and wherein optionally the movement of the focal zone (7) comprises a relative translational movement between the laser beam (3) and the first joining partner. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der erste Fügepartner ein Hohlzylinder ist und der zweite Fügepartner eine zylindrische Grundform aufweist.procedure after claim 7 , wherein the first joining partner is a hollow cylinder and the second joining partner has a cylindrical basic shape. 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.procedure after claim 2 , wherein the movement of the focal zone (7) is effected by a relative translational movement between the laser beam (3) and the first joining partner and the second joining partner. 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.procedure after claim 9 , wherein the curved surface at least partially is designed as a cylindrical lateral surface with respect to a cylinder axis (85) and the first joining partner has an azimuthal section of a cylindrical or hollow-cylindrical shape and the first joining surface is a side surface (88A) of the azimuthal section extending in the direction of the cylinder axis (85) and the laser beam (3) is irradiated in the radial direction onto the cylinder axis and the translational movement takes place along the cylinder axis (85). 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.Method according to one of the preceding claims, wherein the focus-forming beam shaping is set up to allow beam portions (3T) of the laser beam (3) to arrive at an incidence angle (δ') onto a beam axis (8) of the laser beam (3) to form an elongated effecting a focal zone (7) along a beam axis (8) at least partially in the material of the first joining partner (14) and/or in the material of the second joining partner (15) by interference, and the method further comprises: Setting the focus length (L) to be less than or equal to a predetermined gap length in a propagation direction of the laser beam (3), in particular setting the focus length (L) in a range between 100 µm and 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.Method according to one of the preceding claims, wherein the first joining partner (14) is designed as a hollow body, in particular a glass tube, with a wall delimiting an interior space with a wall thickness, and wherein the method further has the step: - Setting a focus length (L) of the focus zone (7) in a range between 20 µm and 500 µm and/or to a maximum of the wall thickness, in particular to a maximum of 80% of the wall thickness, with the focus zone (7) optionally on the curved surface (14 A) of the first joining partner (14), and wherein the welded connection between the first joining partner (14) and the second joining partner (15) comprises a plurality of weld seams which are arranged in a star shape and which optionally merge into one another. 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.Method according to one of the preceding claims, wherein the first joining partner (14) is a solid cylinder, in particular a glass cylinder, and wherein the method further has the step: - Setting a focal length (L) of the focal zone (7) in a range between 20 µm and 500 µm and/or to a maximum of half the diameter of the cylinder, with the focal zone (7) optionally being on the curved surface (14A) of the joining partner (14 ) begins, and wherein the welded connection between the first joining partner (14) and the second joining partner (15) comprises a plurality of weld seams which are arranged in a star shape and which optionally merge into one another. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die fokusbildende Strahlformung dazu eingerichtet ist, einen Gaußschen Fokus zu erzeugen.Procedure according to one of Claims 1 until 10 , wherein the focus-forming beam shaping is set up to generate a Gaussian focus. 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.Procedure according to one of claims 2 until 14 , wherein the movement of the focal zone (7) further comprises a transverse oscillating movement of the focal zone (7) perpendicular to the first joining surface (14B) and/or a translational movement of the focal zone (7) in the direction of the beam axis (8). 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.Method according to one of the preceding claims, wherein the material of the second joining partner (15) is transparent, partially transparent or non-transparent with regard to the laser beam (3) and is melted close to the surface on the second joining surface (15B) of the second joining partner (15), the material of the second joining partner (15) is heated in particular via linear absorption of the laser beam (3) and the material of the first joining partner (15) is heated in particular by non-linear absorption of the laser beam (3) and/or indirectly by the heated material of the second joining partner (15). becomes. 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.Method according to one of the preceding claims, wherein the curved surface (14A) is curved in one direction, and the beam shaping of the laser beam (3) comprises imposing at least one two-dimensional phase distribution on the laser beam (3), the at least one two-dimensional phase distribution comprising: - phase contributions (25B) for the phase-correcting beam formation, which cancel out an entry phase locally accumulated by the laser beam (3) when entering the first joining partner (14) and - optional phase contributions (25A) for the focus-forming beam shaping, which cause the arrival of beam components (3T) at an arrival angle (δ') and in particular a non-diffracting beam for the formation of an elongated focus zone (7) along the beam axis (8) in the Create the area of the joining surfaces (14 B, 15B). 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.procedure after Claim 17 , wherein the phase contributions (25B) form a phase distribution that is axisymmetric to an axis of symmetry (S), the second phase contributions being constant parallel to the axis of symmetry (S) and changing perpendicularly to the axis of symmetry (S), further with the step: aligning the axisymmetric phase distribution and of the first joining partner (14) to one another in such a way that the axis of symmetry (S), taking into account a beam path, is between a location where the axisymmetric phases are impressed distribution and the first partner (14) is orthogonal to a plane in which a radius of curvature of the surface (14A) is defined. 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.Method according to one of the preceding claims, wherein the phase-correcting beam shaping is generated by a cylindrical lens (35, 35') which is positioned in a beam path of the laser beam (3) before or after an optical system (27, 31) causing the focus-forming beam shaping. 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.Laser processing system (1) for forming a welded joint between a first joining partner (14) and a second joining partner (15) using a laser beam (3), in particular an ultrashort pulse laser beam, the welded joint having a first joining surface (14B) of the first joining partner (14). a second joining surface (15B) of the second joining partner (15) and wherein at least the first joining partner (14) has a curved surface (14A), with: a laser beam source (1A) which emits a particularly pulsed laser beam (3'), an optical system (1B) for shaping the laser beam (3) to form a focus zone (7) in the first joining partner (14) and/or the second joining partner (15), with focus-forming optics (27, 31) which are the focal zone (7) is formed without taking the curved surface (14A) into account, the focal zone (7) optionally being elongated along a beam axis (8) of the laser beam (3), and a workpiece holder (19) for mounting the first joining partner (14) and/or the second joining partner (15), and wherein a phase correction, which counteracts an influencing of the formation of the focus zone (7) due to the curved surface (14A), is provided with phase-correcting optics (29, 29', 35, 35') or in the focus-forming optics (27, 31) is integrated.
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