DE102021111879A1 - Laser welding of joining partners with a curved surface - Google Patents
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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
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.
- 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.
- 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.
- - 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.
- - 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.
- 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.
- 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
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 bis4B 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 und8B 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 und9B Intensitätsverteilungen einer Bessel-Strahl-Fokuszone ohne Korrektur hinsichtlich einer gekrümmten Oberfläche, -
10A bis10F 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 bis12D schematische Skizzen zu weiteren beispielhaften Schweißvorgängen.
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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 until4B schematic sketches of butt welding processes, -
5 a schematic sketch of a laser processing system for laser welding with an elongated focal zone, -
6A and6B schematic sketches of an optical system for beam shaping, -
7A and7B Sketches to illustrate the effect of a curved surface on the formation of a Bessel ray focal zone, -
8A and8B 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 and9B Intensity distributions of a Bessel beam focal zone without correction for a curved surface, -
10A until10F 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 until12D 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
Hierbei ist k = ω/c der Wellenvektor mit seinen longitudinalen/axialen und transversalen Komponenten
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.
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
Für den Vergleich wird ein Fokusdurchmesser
Hierin wird von einem quasi nicht-beugenden Strahl ausgegangen, wenn für ähnliche transversale Dimensionen, z.B.
(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
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.
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.
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
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
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
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
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
Allgemein kann die Schweißnaht kontinuierlich oder azimutal abschnittsweise erzeugt werden. Im in
Der in
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
Der Laserstrahl 3 tritt (zumindest großteils) durch die gekrümmten Oberflächen 14A, 15A bzw. 16A, 17A in das Material ein. Beispielhaft ist in
Für das Ausbilden einer angestrebten Schweißverbindung ist es im Beispiel der
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
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
Als ein weiteres Beispiel verdeutlicht
Die in den
Weitere beispielhafte Konstellationen bei der Ausbildung von Schweißverbindungen werden in Zusammenhang mit den
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
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
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
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
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
Eine beispielhafte Strahlformung, die zu so einer langgezogenen Fokuszone führt, ist in den
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
Für eine umlaufende Schweißnaht (umlaufende Abtasttrajektorie T) lagert in
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
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
In
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
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
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
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 100µJ 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)
- 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
Die hierin offenbarten Konzepte zur Phasenkorrektur hinsichtlich der gekrümmten Oberfläche eines Fügepartners wird in
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
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
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
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
Dies ist in
Ein beispielhafter Intensitätsverlauf I(x, z) ist entlang der Strahlachse 8 (in Z-Richtung) in
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
Ein beispielhafter Intensitätsverlauf I(x, z) wird in den
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
Zurückkommend auf
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
Zur Phasenkompensation wird im Aufbau der
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
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
Die in
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
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)
- 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.
- 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):
Δz ≤ 0 (mit den zusätzlichen Parametern c = 284 mm-1 und d = 590):
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
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
Nachfolgend werden anhand der
Beispielhafte Phasenverteilungen sind für einen realistischen Laserschweißvorgang basierend auf Phasenverläufen, wie sie einem 2°-Axicon und einer 1000 mm-Zylinderlinse entsprechen, in den
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
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
Die zweidimensionale Phasenverteilung PHI_BESSEL(x, y) und die Phasenverteilung PHI_ZYL(x, y) können mit einem diffraktiven optischen Element zusammengefasst erzeugt werden.
Zur Verdeutlichung des Erscheinungsbildes einer Überlagerung eines punktsymmetrischen Phasenverlaufs zur Bessel-Strahl-Erzeugung eines achsensymmetrischen Phasenverlaufs zur Phasenkorrektur zeigt
In
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
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
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).
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
In einem Schritt 105 werden Strahlparameter des Laserstrahls derart eingestellt, dass das Material mindestens einer der Fügepartner aufgeschmolzen wird.In a
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
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
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
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
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
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
Beispielhaft überlappt die Fokuszone 7 mit dem Material der Rohre 53A, 53B an beiden Rohrendflächen (als Fügeflächen) .For example, the
Man erkennt in
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
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
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
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
In
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-
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
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.
- - 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.
- 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.
- 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.
- - 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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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R012 | Request for examination validly filed | ||
| R016 | Response to examination communication | ||
| R082 | Change of representative |
Representative=s name: KUEMMEL, FELIX, DIPL.-PHYS. DR. RER. NAT., DE |
|
| R082 | Change of representative |
Representative=s name: KUEMMEL, FELIX, DIPL.-PHYS. DR. RER. NAT., DE |
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| R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: TRUMPF LASER- UND SYSTEMTECHNIK SE, DE Free format text: FORMER OWNER: TRUMPF LASER- UND SYSTEMTECHNIK GMBH, 71254 DITZINGEN, DE |
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| R082 | Change of representative |