DE102023134096A1

DE102023134096A1 - Lasereinrichtung und Verfahren zum Bearbeiten mindestens eines Werkstücks mittels mindestens eines Laserstrahls

Info

Publication number: DE102023134096A1
Application number: DE102023134096.4A
Authority: DE
Inventors: Nicolai Speker; Tim Hesse; Patrick Haug; Oliver Bocksrocker
Original assignee: Trumpf Laser & Systemtechnik Se; Trumpf Laser und Systemtechnik SE
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik SE
Priority date: 2023-12-06
Filing date: 2023-12-06
Publication date: 2025-06-12
Also published as: WO2025119721A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lasereinrichtung (10) zum Bearbeiten, insbesondere Laserschweißen, mindestens eines Werkstücks (12) mittels mindestens eines Laserstrahls (14) mit Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Bearbeiten, insbesondere Laserschweißen, mindestens eines Werkstücks (12) mittels mindestens eines Laserstrahls (14) mit Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lasereinrichtung zum Bearbeiten mindestens eines Werkstücks mittels mindestens eines Laserstrahls mit Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Bearbeiten mindestens eines Werkstücks mittels mindestens eines Laserstrahls mit Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs.
Beim Laserschweißen von mindestens zwei Komponenten werden für das Tiefenschweißen üblicherweise CW-Laser (Continuous Wave) mit einer konstanten Leistung über die Dauer des Laserschweißens verwendet. Insbesondere beim Tiefenschweißen von metallischen Werkstoffen mit einer niedrigen Viskosität können Instabilitäten im Schweißbereich, insbesondere im sogenannten Keyhole, entstehen. So können bspw. Spritzer, Poren und/oder eine unregelmäßige Einschweißtiefe entstehen. Um solche Instabilitäten zu reduzieren können mehrere Laserstrahlen überlagert werden. Dadurch können, insbesondere bei metallischen Werkstoffen mit niedriger Viskosität, jedoch nicht alle Instabilitäten beseitigt werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Lasereinrichtung und ein Verfahren zum Bearbeiten, insbesondere Laserschweißen, mindestens eines Werkstücks mittels mindestens eines Laserstrahls bereitzustellen, wobei die obigen Nachteile ausgeräumt werden.
Die obige Aufgabe wird durch eine Lasereinrichtung zum Bearbeiten mindestens eines Werkstücks mittels mindestens eines Laserstrahls mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bei der Bearbeitung kann es sich um Laserschweißen handeln.
Die Lasereinrichtung ist eingerichtet, um den Laserstrahl zu erzeugen und derart auf das Werkstück zu fokussieren, dass der Laserstrahl auf dem Werkstück einen Laserspot erzeugt. Der Laserspot weist einen, insbesondere kreisförmigen, Kernbereich und einen, insbesondere ringförmigen, Ringbereich auf. Eine mittlere Laser-Leistungsdichte im Kernbereich ist höher, als eine mittlere Laser-Leistungsdichte im Ringbereich.
Die Lasereinrichtung ist zudem eingerichtet, um die mittlere Laser-Leistungsdichte im Kernbereich mit einer Variations-Frequenz von mindestens 50 kHz (Kiloherzt) und einer Variations-Amplitude von mindestens 10 % der mittleren Laser-Leistungsdichte des Kernbereichs zu variieren. Alternativ oder zusätzlich ist die Lasereinrichtung eingerichtet, um die mittlere Laser-Leistungsdichte im Ringbereich mit einer Variations-Frequenz von mindestens 50 kHz und einer Variations-Amplitude von mindestens 10 % der mittleren Laser-Leistungsdichte des Ringbereichs zu variieren. Die mittlere Laser-Leistungsdichte im Ringbereich kann insbesondere maximal 5 % der (Gesamt)Laserleistung betragen.
Dabei kann die Variations-Amplitude sowohl positiv als auch negativ sein. Mit anderen Worten, die mittlere Laser-Leistungsdichte (des Kern- und/oder Ringbereichs) kann jeweils periodisch erhöht (bei positiver Variations-Amplitude) und/oder reduziert (bei negativer Variations-Amplitude) werden.
Hierdurch kann eine (zusätzliche) Stabilisierung des Keyholes, insbesondere in Werkstücken mit einer niedrigeren Viskosität, erzielt werden, wodurch die Spritzer und Poren abnehmen und eine möglichst kontinuierliche Einschweißtiefe erzielt werden kann. Die Instabilitäten des Keyholes können insbesondere dadurch vermieden oder zumindest reduziert werden, dass die Dampfrate und der Dampfdruck schnell genug erhöht und reduziert werden, sodass ein Kollabieren des Keyholes vermieden werden kann. Mit anderen Worten, das Keyhole kann durch ein gezieltes Beeinflussen des Dampfdrucks (bzw. der Dampfrate) stabilisiert werden, was zu weniger Spritzern, Poren und einer konstanten Einschweißtiefe führen kann.
Gemäß einer Weiterbildung der Lasereinrichtung kann die Lasereinrichtung eingerichtet sein, um die mittlere Laser-Leistungsdichte im Kernbereich und/oder die mittlere Laser-Leistungsdichte im Ringbereich konstant zu halten. Bei mehreren Laserstrahlen bzw. mehreren Laserspots kann die mittlere Laser-Leistungsdichte mindestens eines der Kernbereiche und/oder die mittlere Laser-Leistungsdichte mindestens eines der Ringbereiche konstant gehalten werden. Alternativ oder zusätzlich kann die mittlere Laser-Leistungsdichte im Kernbereich und/oder die mittlere Laser-Leistungsdichte im Ringbereich mit der Variations-Frequenz variiert werden. Bei mehreren Laserstrahlen bzw. mehreren Laserspots kann die mittlere Laser-Leistungsdichte mindestens eines der Kernbereiche und/oder die mittlere Laser-Leistungsdichte mindestens eines der Ringbereiche mit der Variations-Frequenz variiert werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Lasereinrichtung kann die Lasereinrichtung eingerichtet sein, um die mittlere Laser-Leistungsdichte im Kernbereich und die mittlere Laser-Leistungsdichte der im Ringbereich jeweils mit einer unterschiedlichen Variation-Frequenz und/oder einer unterschiedlichen Variation-Amplitude zu variieren. Ebenso ist es denkbar, dass die mittlere Laser-Leistungsdichten im Kernbereich und im Ringbereich jeweils mit der gleichen Variation-Frequenz und/oder der Variation-Amplitude variiert werden können.
Hierdurch kann der Laserspot bereichsweise gezielt eingestellt und optimiert werden, wodurch eine weitere Stabilisierung des Keyholes ermöglicht werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung der Lasereinrichtung kann die Lasereinrichtung zur Erzeugung des Laserstrahls, insbesondere des Kernbereichs und/oder des Ringbereichs, mindestens einen CW-Laser umfassen. Dabei kann die Lasereinrichtung derart eingerichtet sein, dass der Kernbereich und/oder der Ringbereich des Laserspots jeweils mit einer Modulationsfrequenz und einer Modulationsamplitude moduliert werden. Dabei können die Modulationsfrequenz der Variations-Frequenz und die Modulationsamplitude der Variations-Amplitude entsprechen. Der CW-Laser kann eine durchschnittliche Leistung von mindestens 0,2 kW (Kilowatt), vorzugsweise mindestens 4 kW, aufweisen.
Hierdurch kann der Laserstrahl, insbesondere der Kernbereich und/oder der Ringbereich, mit einfachen Mitteln erzeugt werden.
Es ist ebenso denkbar, dass die Lasereinrichtung zur Erzeugung des Laserstrahls, insbesondere des Kernbereichs und/oder des Ringbereichs, mindestens einen gepulsten Laser umfassen kann. Dabei kann eine Pulswiederholrate des gepulsten Lasers der Variations-Frequenz entsprechen. Der gepulste Laser kann eine durchschnittliche Leistung von mindestens 0,2 kW, vorzugsweise mindestens 4 kW, und/oder eine Pulsenergie von mindestens 10 mJ (Millijoule), vorzugsweise mindestens 50 mJ, aufweisen.
Es ist denkbar, dass der Kernbereich des Laserspots mittels eines gepulsten Lasers (insbesondere eines ns(Nanosekunden)-gepulsten Lasers) und der Ringbereich des Laserspots mittels eines CW-Laser erzeugt werden oder umgekehrt.
Der gepulste Laser und/oder der CW-Laser können jeweils ein Strahlparameterprodukt von maximal 8 mm*mrad (Millimeter*Milliradiant) aufweisen. Der gepulste Laser und/oder der CW-Laser können jeweils als (Multi-Mode) NIR-Laser (Near InfraRed) ausgebildet sein. Es ist ebenso denkbar, dass der gepulste Laser und/oder der CW-Laser jeweils als ein Laser im sichtbaren Bereich (VIS-Laser) mit einer Wellenlänge in einem blauen oder grünen Wellenlängenbereich ausgebildet sein können. Der gepulste Laser und/oder der CW-Laser können jeweils als ein Festkörperlaser ausgebildet sein.
Die Lasereinrichtung kann eine Steuereinrichtung umfassen. Die Steuereinrichtung kann zur Programmierung und/oder Steuerung der (hochfrequenten) Modulation bzw. Pulsation mit der Variations-Frequenz und Variations-Amplitude eingerichtet sein. Die Steuereinrichtung kann eingerichtet sein, um den Kernbereich und Ringbereich des durch den Lichtstrahl erzeugten Laserspots, insbesondere separat und unabhängig voneinander, anzusteuern bzw. die jeweilige mittlere Laser-Leistungsdichte zu modulieren bzw. einzustellen.
Die Lasereinrichtung kann eine Düse zum Zuführen eines Schutzgases (Schneid- oder Schweißgas) auf das Werkstück aufweisen. Diese kann eine Laval-Innengeometrie aufweisen.
Gemäß einer Weiterbildung der Lasereinrichtung kann die Lasereinrichtung mindestens zwei, insbesondere unterschiedliche, Laserquellen zur Erzeugung des Laserstrahls, insbesondere des Kernbereichs und/oder des Ringbereichs, umfassen. So kann bspw. der Kernbereich mittels mindestens eines ersten Lasers und der Ringbereich mittels mindestens eines zweiten Lasers erzeugt werden.
Hierdurch kann der Laserspot bereichsweise gezielt erzeugt und eingestellt werden, wodurch eine weitere Stabilisierung des Keyholes ermöglicht werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung der Lasereinrichtung kann die Lasereinrichtung zur Erzeugung des Laserstrahls und/oder des Laserspots eine Faser (2 in 1 Faser) mit einem Kernbereich und einem Ringbereich umfassen. Der Kernbereich der Faser kann einen Außendurchmesser von höchstens 30 µm (Mikrometer), insbesondere von höchstens 20 µm, vorzugsweise von höchstens 10 µm (bspw. bei Grundmode bzw. Single Mode) aufweisen. Alternativ kann der Kernbereich der Faser einen größeren Außendurchmesser aufweisen, insbesondere von mindestens 50 µm oder 100 µm (bspw. bei Multi Mode). Alternativ oder zusätzlich kann der Ringbereich einen Außendurchmesser von 200 µm oder 400 µm aufweisen. Der Kernbereich kann innerhalb des Ringbereichs angeordnet sein. Das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser des Kernbereichs und dem Außendurchmesser des Ringbereichs kann im Bereich von 1:2 bis 1:9, insbesondere 1:3, 1:4 oder 1:6, liegen.
Der Kernbereich kann eine Ummantelung (Cladding) aufweisen. Die Ummantelung kann zwischen dem Kernbereich und dem Ringbereich angeordnet sein. Die Ummantelung kann eine Dicke von maximal 10 µm aufweisen. Die Ummantelung kann einen im Vergleich zum Kernbereich und/oder Ringbereich niedrigeren Brechungsindex aufweisen. Die Faser kann derart eingerichtet sein, dass aufgrund der Ummantelung des Kernbereichs das Licht innerhalb des Kernbereichs, insbesondere aufgrund von Totalreflexionen an dem Grenzübergang zwischen dem Kernbereich und der Ummantelung, „eingeschlossen“ wird. Entsprechend kann das Licht im Ringbereich, welches zwischen der Ummantelung des Kernbereichs und einer zusätzlichen Ummantelung des Ringbereichs total reflektiert werden kann, „eingeschlossen“ werden.
Hierdurch lässt sich der Schweißbereich, insbesondere das Keyhole, weiter stabilisieren. Dies kann zur weiteren Reduzierung der Instabilität (innerhalb des Keyholes) und zu weniger Spritzern und Poren, sowie einer konstanten Einschweißtiefe führen. Aufgrund der Ummantelung des Kernbereichs und/oder des Ringbereichs kann Licht im Kernbereich und Ringbereich voneinander isoliert geführt werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Lasereinrichtung kann die Lasereinrichtung derart eingerichtet sein, dass mindestens zwei Laserstrahlen erzeugt und auf das Werkstück fokussiert werden. Es können insbesondere mindestens vier Laserstrahlen erzeugt und auf das Werkstück fokussiert werden. Insbesondere können alle Laserstrahlen jeweils identisch ausgebildet sein. Entsprechend können auch alle von den jeweiligen Laserstrahlen auf dem Werkstück erzeugten Laserspots jeweils identisch ausgebildet sein. Zur Erzeugung von mehreren Laserstrahlen kann die Lasereinrichtung ein optisches Element zur Strahlteilung, insbesondere eine Keilweiche, umfassen.
Hierdurch lässt sich der Schweißbereich, insbesondere das Keyhole, weiter stabilisieren. Dies kann zur weiteren Reduzierung der Instabilität (innerhalb des Keyholes) und zu weniger Spritzern und Poren, sowie einer konstanten Einschweißtiefe führen.
Gemäß einer Weiterbildung der Lasereinrichtung kann die Lasereinrichtung derart eingerichtet sein, dass eine Anstiegszeit und/oder eine Abfallzeit der Variations-Amplitude maximal 10 µs (Mikrosekunden) beträgt.
Vorliegend ist mit Anstiegszeit die Zeit gemeint, die benötigt wird, um die mittlere Laser-Leistungsdichte auf einen Maximalwert (bspw. die positive Variations-Amplitude) zu erhöhen. Entsprechend ist mit einer Abfallzeit die Zeit gemeint, die benötigt wird, um die mittlere Laser-Leistungsdichte auf einen Minimalwert (bspw. die negative Variations-Amplitude) zu reduzieren.
Gemäß einer Weiterbildung der Lasereinrichtung kann die Lasereinrichtung eine Scanneroptik zum Bewegen des Laserstrahls über das Werkstück umfassen. Die Scanneroptik kann ein Abbildungsverhältnis in einem Bereich von 1:1 bis 5:1, vorzugsweise von 1,9:1 oder 3,4:1, aufweisen.
Hierdurch kann mit einfachen Mitteln der Laserstrahl optimal auf das Werkstück fokussiert und/oder über das Werkstück bewegt werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Lasereinrichtung kann die Lasereinrichtung einen optischen Sensor zur Positionserfassung des Laserstrahls und/oder des Werkstücks umfassen. Der optische Sensor kann als ein kamerabasierter Sensor oder als eine Kamera ausgebildet sein. Es ist ebenso denkbar, dass der optische Sensor, als ein interferometerisch basiertes Sensorsystem ausgebildet sein kann. Der Laserstrahl und der optische Sensor können aufeinander kalibriert sein.
Hierdurch lässt sich mit einfachen Mitteln eine Positionskontrolle des Laserstrahls und/oder des Werkstücks umsetzen. Dadurch kann die Bearbeitung, insbesondere das Laserschweißen, des Werkstücks möglichst genau umgesetzt werden.
Die obige Aufgabe wird weiter durch ein Verfahren zum Bearbeiten mindestens eines Werkstücks mittels mindestens eines Laserstrahls mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs gelöst. Bei der Bearbeitung kann es sich um Laserschweißen handeln. Das Verfahren umfasst die Schritte:

Bereitstellen des Werkstücks. Das Werkstück kann aus Metall, insbesondere Aluminium und/oder Kupfer, ausgebildet sein. Das Werkstück kann im schmelzflüssigen Zustand (bei Schmelztemperatur) eine Viskosität von maximal 5 mPa*s (Millipascal * Sekunde) aufweisen. Das Werkstück kann eine Dicke von maximal 4 mm (Millimeter) aufweisen.

Erzeugen und Fokussieren mindestens eines Laserstrahls derart auf das Werkstück, dass der Laserstrahl auf dem Werkstück einen Laserspot erzeugt, wobei der Laserspot einen, insbesondere kreisförmigen, Kernbereich und einen, insbesondere ringförmigen, Ringbereich aufweist. Dabei ist eine mittlere Laser-Leistungsdichte im Kernbereich höher, als eine mittlere Laser-Leistungsdichte im Ringbereich.
Variieren, insbesondere Pulsieren oder Modulieren, der mittleren Laser-Leistungsdichte im Kernbereich und/oder der mittleren Laser-Leistungsdichte im Ringbereich jeweils mit einer Variations-Frequenz von mindestens 50 kHz und einer Variations-Amplitude von mindestens 10 % der jeweiligen mittleren Laser-Leistungsdichte. Dabei kann eine Anstiegs- und/oder eine Abfallzeit der Variations-Amplitude kleiner 10 µs (Mikrosekunden) sein. Die Variations-Amplitude kann sowohl positiv als auch negativ sein. Mit anderen Worten, die mittleren Laser-Leistungsdichte kann periodisch erhöht (bei positiver Variations-Amplitude) und/oder reduziert (bei negativer Variations-Amplitude) werden.
Hierdurch kann eine (zusätzliche) Stabilisierung des Keyholes, insbesondere in Werkstücken mit einer niedrigeren Viskosität, erzielt werden, wodurch die Spritzer und Poren abnehmen und eine möglichst kontinuierliche Einschweißtiefe erzielt werden kann. Die Instabilitäten des Keyholes können insbesondere dadurch vermieden oder zumindest reduziert werden, dass die Dampfrate und der Dampfdruck schnell genug erhöht und reduziert werden, sodass ein Kollabieren des Keyholes vermieden werden kann. Mit anderen Worten, das Keyhole kann durch ein gezieltes Beeinflussen des Dampfdrucks (bzw. der Dampfrate) stabilisiert werden, was zu weniger Spritzern, Poren und einer konstanten Einschweißtiefe führen kann.
Das Verfahren kann den Schritt umfassen:

Zuführen eines Schutzgases (Schneid- oder Schweißgas) auf das Werkstück, insbesondere in den Bereich der Bearbeitung des Werkstücks. Dies kann mittels einer Düse, insbesondere mit einer Laval-Innengeometrie, umgesetzt werden.

Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens kann das Verfahren den Schritt umfassen:

Bewegen des Laserstrahls und/oder des Werkstücks, um einen Vorschub des auf dem Werkstück fokussierten Laserstrahls zu erzeugen. Dabei kann der Laserstrahl mittels einer Scanneroptik über das Werkstück bewegt werden. Die Bewegung des Laserstrahls und/oder des Werkstücks kann eine Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstück sein. Mit anderen Worten, es kann entweder der Laserstrahl oder das Werkstück oder beides bewegt werden.

Hierdurch kann mit einfachen Mitteln eine fortlaufende Bearbeitung des Werkstücks, bspw. eine Schweißnaht, erzeugt werden.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens kann das Verfahren den Schritt umfassen:

Ermitteln einer Position des Laserstrahls und/oder des Werkstücks. Dies kann mittels eines optischen Sensors umgesetzt werden.

Eventuelles Nachstellen einer Bearbeitungsposition des Laserstrahls und/oder des Werkstücks.
Hierdurch kann mit einfachen Mitteln eine Positionskontrolle und bei einer Abweichung ein entsprechendes Nachstellen des Laserstrahls und/oder des Werkstücks umgesetzt werden.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens kann das Verfahren den Schritt umfassen:

Variieren, insbesondere Pulsieren oder Modulieren, der mittleren Laser-Leistungsdichte im Kernbereich und der mittleren Laser-Leistungsdichte im Ringbereich jeweils mit einer unterschiedlichen Variations-Frequenz und/oder einer unterschiedlichen Variations-Amplitude der jeweiligen mittleren Laser-Leistungsdichte.

Hierdurch kann der jeweilige Energieeintrag durch den Kernbereich bzw. den Ringbereich zielt und wunschgemäß eingestellt und optimiert werden.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens kann zur Durchführung des Verfahrens eine Lasereinrichtung gemäß obiger Ausführungen verwendet werden.
Hinsichtlich der damit erzielbaren Vorteile wird auf die diesbezüglichen Ausführungen zur Lasereinrichtung verwiesen. Zur weiteren Ausgestaltung des Verfahrens können die im Zusammenhang mit der Lasereinrichtung beschriebenen und/oder die nachfolgend noch erläuterten Maßnahmen dienen.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Lasereinrichtung zum Bearbeiten mindestens eines Werkstücks;
2 eine schematische Draufsicht auf das Werkstück und einen Laserspot eines Laserstrahls der Lasereinrichtung gemäß 1;
3 einen schematischen Querschnitt einer Faser der Lasereinrichtung gemäß 1;
4 ein schematisches Diagramm eines Verlaufs von mittleren Laser-Leistungsdichten im Kernbereich und Ringbereich des Laserspots des Laserstrahls der Lasereinrichtung gemäß 1.

In der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Figuren tragen sich entsprechende Bauteile und Elemente gleiche Bezugszeichen. Der besseren Übersichtlichkeit wegen sind nicht in allen Figuren sämtliche Bezugszeichen wiedergegeben.
In 1 ist eine Lasereinrichtung 10 zum Bearbeiten mindestens eines Werkstücks 12 mittels mindestens eines Laserstrahls 14 schematisch dargestellt. Vorliegend handelt es sich bei der Bearbeitung um Laserschweißen.
Die Lasereinrichtung 10 ist eingerichtet, um den Laserstrahl 14 zu erzeugen und derart auf das Werkstück 12 zu fokussieren, dass der Laserstrahl 14 auf dem Werkstück 12 einen Laserspot 16 erzeugt, wobei der Laserspot 16 einen, insbesondere kreisförmigen, Kernbereich 18 und einen, insbesondere ringförmigen, Ringbereich 20 aufweist (vgl. 2). Eine mittlere Laser-Leistungsdichte 22 im Kernbereich 18 ist höher, als eine mittlere Laser-Leistungsdichte 24 im Ringbereich 20 (vgl. 4).
Die Lasereinrichtung 10 ist zudem eingerichtet, um die mittlere Laser-Leistungsdichte 22 im Kernbereich 18 und/oder die mittlere Laser-Leistungsdichte 24 im Ringbereich 20 jeweils mit einer Variations-Frequenz von mindestens 50 kHz und einer Variations-Amplitude 26 von mindestens 10 % der jeweiligen mittleren Laser-Leistungsdichte 22, 24 zu variieren (vgl. 4).
Die Lasereinrichtung 10 kann derart eingerichtet sein, dass eine Anstiegszeit und/oder eine Abfallzeit der Variations-Amplitude 26 maximal 10 µs beträgt.
Die Lasereinrichtung 10 kann eingerichtet sein, um die mittlere Laser-Leistungsdichte 22 im Kernbereich 18 und die mittlere Laser-Leistungsdichte 24 im Ringbereich 20 jeweils mit einer unterschiedlichen Variations-Frequenz und/oder einer unterschiedlichen Variations-Amplitude 26 zu variieren.
Die Lasereinrichtung 10 kann einen CW-Laser zur Erzeugung des Laserstrahls 14, insbesondere des Kernbereichs 18 und/oder des Ringbereichs 20, umfassen. Die Lasereinrichtung 10 kann derart eingerichtet sein, dass der Kernbereich 18 und/oder der Ringbereich 20 des Laserspots 16 mit einer Modulationsfrequenz und einer Modulationsamplitude moduliert wird. Dabei können die Modulationsfrequenz der Variations-Frequenz und die Modulationsamplitude der Variations-Amplitude 26 entsprechen. Der CW-Laser kann eine durchschnittliche Leistung von mindestens 1 kW, insbesondere von mindestens 4 kW, aufweisen.
Die Lasereinrichtung 10 umfasst vorliegend eine Scanneroptik 34 zum Bewegen des Laserstrahls 14 über das Werkstück 12. Die Scanneroptik 34 kann ein Abbildungsverhältnis in einem Bereich von 1:1 bis 5:1, vorzugsweise von 1,9:1 oder 3,4:1, aufweisen.
Die Lasereinrichtung 10 umfasst vorliegend zudem einen optischen Sensor 36 zur Positionserfassung des Laserstrahls 14 und/oder des Werkstücks 12.
Die Lasereinrichtung 10 kann derart eingerichtet sein, dass mindestens zwei, insbesondere mindestens vier, Laserstrahlen 14 erzeugt und auf das Werkstück 12 fokussiert werden. Dabei können alle Laserstrahlen 14 (bzw. die durch die jeweiligen Laserstrahlen 14 erzeugten Laserspots 16) jeweils identisch ausgebildet sein.
2 zeigt eine schematische Draufsicht auf das Werkstück 12 und einen Laserspot 16 des Laserstrahls 14 der Lasereinrichtung 10 gemäß 1.
Die Lasereinrichtung 10 umfasst vorliegend zur Erzeugung des Laserstrahls 14 und/oder des Laserspots 16 eine Faser 28 mit einem Kernbereich 30 und einem Ringbereich 32.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt der Faser 28 der Lasereinrichtung 10 gemäß 1.
Der Kernbereich 30 der Faser 28 ist vorliegend innerhalb des Ringbereichs 32 der Faser 28 angeordnet sein. Der Kernbereich 30 der Faser 28 kann einen Außendurchmesser von 50 µm oder 100 µm aufweisen. Der Ringbereich 32 der Faser 28 kann einen Außendurchmesser von 200 µm oder 400 µm aufweisen.
Die Lasereinrichtung 10 weist vorliegend mindestens zwei Laserquellen zur Erzeugung des Laserstrahls 14 auf. Die Laserquellen können unterschiedlich ausgebildet sein. Vorliegend wird in den Kernbereich 30 der Faser 28 Licht aus einer ersten Laserquelle eingekoppelt. Hierzu kann der Kernbereich 30 der Faser 28 mit einem ersten Lichtleiter 38 (erste Faser) gekoppelt sein. Der an den Kernbereich 30 gekoppelte erste Lichtleiter 38 ist in 3 mittels eines gestrichelten Kreises angedeutet.
Vorliegend wird in den Ringbereich 32 der Faser 28 Licht aus mindestens einer zweiten Laserquelle eingekoppelt. Hierzu kann der Ringbereich 32 der Faser 28 mit mehreren, vorliegend sechs, zweiten Lichtleitern (zweite Fasern) gekoppelt sein. Die an den Ringbereich 32 der Faser 28 gekoppelten zweiten Lichtleiter 40 sind in 3 jeweils mittels eines gestrichelten Kreises angedeutet. Die sechs zweiten Lichtleiter 40 können mittels einer gemeinsamen zweiten Laserquelle mit Licht versorgt werden. Ebenso ist es denkbar, dass die sechs zweiten Lichtleiter 40 jeweils mittels einer separaten zweiten Laserquelle (also insgesamt sechs zweiten Laserquellen) mit Licht versorgt werden können.
4 zeigt ein schematisches Diagramm eines Verlaufs der mittleren Laser-Leistungsdichten 22, 24 im Kernbereich 18 und Ringbereich 20 des Laserspots 16 des Lichtstrahls 14 der Lasereinrichtung 10 gemäß 1.
In dem dargestellten Diagramm ist eine mittlere Laser-Leistungsdichte 42 des Laserspots 16 des Laserstrahls 14 der Lasereinrichtung 10 in W/cm² (Watt pro Quadratzentimeter) über der Zeit 44 in Sekunden aufgetragen. Mit anderen Worten, auf der x-Achse ist die Zeit 44 in Sekunden und auf der Y-Achse die mittlere Laser-Leistungsdichte 42 in W/cm² dargestellt.
Vorliegend wird die mittlere Laser-Leistungsdichte 22 des Kernbereichs 18 des Laserspots 16 konstant gehalten. Mit anderen Worten, die mittlere Laser-Leistungsdichte 22 des Kernbereichs 18 des Laserspots 16 wird vorliegend nicht moduliert. Die mittlere Laser-Leistungsdichte 24 des Ringbereichs 20 wird vorliegend mit der Modulationsfrequenz und der Modulationsamplitude moduliert. Mit anderen Worten, die mittlere Laser-Leistungsdichte 24 des Ringbereichs 20 wird periodisch um mindestens 10 % (Modulationsamplitude) variiert. So wird die mittlere Laser-Leistungsdichte 24 des Ringbereichs 20 des Laserspots 16 um die Modulationsamplitude bzw. die Variations-Amplitude 26 in regelmäßigen Abständen von maximal 20 µs (da die Modulationsfrequenz bzw. Variations-Frequenz mindestens 50 kHz beträgt) verändert. In dem dargestellten Beispiel wird die mittlere Laser-Leistungsdichte 24 des Ringbereichs 20 in Abständen von maximal 20 µs um die Variations-Amplitude 26 reduziert und wieder auf den Ausgangswert erhöht. Vorliegend ist die Variations-Amplitude größer 10 % und kleiner 100 % der mittlere Laser-Leistungsdichte 24 des Ringbereichs 20 des Laserspots 16.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Bearbeiten, insbesondere Laserschweißen, mindestens eines Werkstücks 12 anhand der 1 bis 4 beschrieben. Das Verfahren umfasst die Schritte:

Bereitstellen des Werkstücks 12. Das Werkstück 12 kann aus Metall, insbesondere Aluminium und/oder Kupfer, ausgebildet sein. Das Werkstück 12 kann im schmelzflüssigen Zustand eine Viskosität von maximal 5 mPa*s aufweisen.

Erzeugen und Fokussieren mindestens eines Laserstrahls 14 derart auf das Werkstück 12, dass der Laserstrahl 14 auf dem Werkstück 12 einen Laserspot 16 erzeugt, wobei der Laserspot 16 einen, insbesondere kreisförmigen, Kernbereich 18 und einen, insbesondere ringförmigen, Ringbereich 20 aufweist. Eine mittlere Laser-Leistungsdichte 22 im Kernbereich 18 ist höher, als eine mittlere Laser-Leistungsdichte 24 im Ringbereich 20.
Variieren, insbesondere Pulsieren oder Modulieren, der mittleren Laser-Leistungsdichte 22 im Kernbereich 18 und/oder der mittleren Laser-Leistungsdichte 24 im Ringbereich 20 jeweils mit einer Variations-Frequenz von mindestens 50 kHz und einer Variations-Amplitude 26 von mindestens 10 % der jeweiligen mittleren Laser-Leistungsdichte 22, 24. Eine Anstiegs- und/oder eine Abfallzeit der Variations-Amplitude 26 kann kleiner 10 µs sein.
Das Verfahren kann den Schritt umfassen:

Bewegen des Laserstrahls 14 und/oder des Werkstücks 12, um einen Vorschub des auf dem Werkstück 12 fokussierten Laserstrahls 14 bzw. Laserspot 16 zu erzeugen. Das Bewegen des Laserstrahls 14 bzw. des Laserspots 16 kann mittels einer Scanneroptik 34 umgesetzt werden.

Das Verfahren kann weiter den Schritt umfassen:

Ermitteln der Position des Laserstrahls 14 und/oder des Werkstücks 12. Dies kann mittels eines optischen Sensors 36 umgesetzt werden.

Das Verfahren kann den Schritt umfassen:

Variieren, insbesondere Pulsieren oder Modulieren, der mittleren Laser-Leistungsdichte 22 im Kernbereich 18 und der mittleren Laser-Leistungsdichte 24 im Ringbereich 20 jeweils mit einer unterschiedlichen Variations-Frequenz und/oder einer unterschiedlichen Variations-Amplitude 26 der jeweiligen mittleren Laser-Leistungsdichte 22, 24.

Zur Durchführung des Verfahrens kann eine Lasereinrichtung 10 gemäß obiger Ausführungen, insbesondere die in 1 gezeigte Lasereinrichtung 10, verwendet werden.

Claims

Lasereinrichtung (10) zum Bearbeiten, insbesondere Laserschweißen, mindestens eines Werkstücks (12) mittels mindestens eines Laserstrahls (14), wobei die Lasereinrichtung (10) eingerichtet ist, um den Laserstrahl (14) zu erzeugen und derart auf das Werkstück (12) zu fokussieren, dass der Laserstrahl (14) auf dem Werkstück (12) einen Laserspot (16) erzeugt, wobei der Laserspot (16) einen, insbesondere kreisförmigen, Kernbereich (18) und einen, insbesondere ringförmigen, Ringbereich (20) aufweist, wobei eine mittlere Laser-Leistungsdichte (22) im Kernbereich (18) höher ist, als eine mittlere Laser-Leistungsdichte (24) im Ringbereich (20), wobei die Lasereinrichtung (10) zudem eingerichtet ist, um die mittlere Laser-Leistungsdichte (22) im Kernbereich (18) und/oder die mittlere Laser-Leistungsdichte (24) im Ringbereich (20) mit einer Variations-Frequenz von mindestens 50 kHz und einer Variations-Amplitude (26) von mindestens 10 % der jeweiligen mittleren Laser-Leistungsdichte (22, 24) zu variieren.
Lasereinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (10) eingerichtet ist, um die mittlere Laser-Leistungsdichte (22) im Kernbereich (18) und die mittlere Laser-Leistungsdichte (24) im Ringbereich (20) jeweils mit einer unterschiedlichen Variations-Frequenz und/oder einer unterschiedlichen Variations-Amplitude (26) zu variieren.
Lasereinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (10) eingerichtet ist, um die mittlere Laser-Leistungsdichte (22) im Kernbereich (18) und/oder die mittlere Laser-Leistungsdichte (24) im Ringbereich (20) konstant zu halten.
Lasereinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (10) zur Erzeugung des Laserstrahls (14), insbesondere des Kernbereichs (18) und/oder des Ringbereichs (20), mindestens einen CW-Laser umfasst, wobei die Lasereinrichtung (10) derart eingerichtet ist, dass der Kernbereich (18) und/oder der Ringbereich (20) des Laserspots (16) jeweils mit einer Modulationsfrequenz und einer Modulationsamplitude moduliert wird, wobei die Modulationsfrequenz der Variations-Frequenz und die Modulationsamplitude der Variations-Amplitude (26) entsprechen, insbesondere wobei der CW-Laser eine durchschnittliche Leistung von mindestens 0,2 kW, vorzugsweise mindestens 4 kW, aufweist.
Lasereinrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (10) mindestens zwei, insbesondere unterschiedliche, Laserquellen zur Erzeugung des Laserstrahls (14), insbesondere des Kernbereichs (18) und/oder des Ringbereichs (20), umfasst.
Lasereinrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (10) zur Erzeugung des Laserstrahls (14) und/oder des Laserspots (16) eine Faser (28) mit einem Kernbereich (30) und einem Ringbereich (32) umfasst.
Lasereinrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (10) derart eingerichtet ist, dass mindestens zwei, insbesondere mindestens vier, Laserstrahlen (14) erzeugt und auf das Werkstück (12) fokussiert werden, insbesondere wobei alle Laserstrahlen (14) und/oder Laserspots (16) jeweils identisch ausgebildet sind.
Lasereinrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (10) derart eingerichtet ist, dass eine Anstiegs- und/oder Abfallzeit der Variations-Amplitude (26) maximal 10 µs beträgt.
Lasereinrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (10) eine Scanneroptik (34) zum Bewegen des Laserstrahls (14) über das Werkstück (12) umfasst, insbesondere wobei die Scanneroptik (34) ein Abbildungsverhältnis in einem Bereich von 1:1 bis 5:1, vorzugsweise von 1,9:1 oder 3,4:1, aufweist.
Lasereinrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (10) einen optischen Sensor (36) zur Positionserfassung des Laserstrahls (14) und/oder des Werkstücks (12) umfasst.
Verfahren zum Bearbeiten, insbesondere Laserschweißen, mindestens eines Werkstücks (12) mittels mindestens eines Laserstrahls (14) umfassend die Schritte: - Bereitstellen des Werkstücks (12), insbesondere wobei das Werkstück (12) aus Metall, vorzugsweise Aluminium und/oder Kupfer, ausgebildet ist und im schmelzflüssigen Zustand eine Viskosität von maximal 5 mPa*s aufweist; - Erzeugen und Fokussieren mindestens eines Laserstrahls (14) derart auf das Werkstück (12), dass der Laserstrahl (14) auf dem Werkstück (12) einen Laserspot (16) erzeugt, wobei der Laserspot (16) einen, insbesondere kreisförmigen, Kernbereich (18) und einen, insbesondere ringförmigen, Ringbereich (20) aufweist, wobei eine mittlere Laser-Leistungsdichte (22) im Kernbereich (18) höher ist, als eine mittlere Laser-Leistungsdichte (24) im Ringbereich (20); - Variieren, insbesondere Pulsieren oder Modulieren, der mittleren Laser-Leistungsdichte (22) im Kernbereich (18) und/oder der mittleren Laser-Leistungsdichte (24) im Ringbereich (20) jeweils mit einer Variations-Frequenz von mindestens 50 kHz und einer Variations-Amplitude (26) von mindestens 10 % der jeweiligen mittleren Laser-Leistungsdichte (22, 24), insbesondere wobei eine Anstiegs- und/oder Abfallzeit der Variations-Amplitude (26) maximal 10 µs beträgt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren den Schritt umfasst: - Bewegen des Laserstrahls (14) und/oder des Werkstücks (12), um einen Vorschub des auf dem Werkstück (12) fokussierten Laserstrahls (14) zu erzeugen, insbesondere mittels einer Scanneroptik (34).
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren den Schritt umfasst: - Ermitteln einer Position des Laserstrahls (14) und/oder des Werkstücks (12), insbesondere mittels eines optischen Sensors (36) und - Eventuelles Nachstellen einer Bearbeitungsposition des Laserstrahls (14) und/oder des Werkstücks (12).
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren den Schritt umfasst: - Variieren, insbesondere Pulsieren oder Modulieren, der mittleren Laser-Leistungsdichte (22) im Kernbereich (18) und der mittleren Laser-Leistungsdichte (24) im Ringbereich (20) jeweils mit einer unterschiedlichen Variations-Frequenz und/oder einer unterschiedlichen Variations-Amplitude (26) der jeweiligen mittleren Laser-Leistungsdichte (22, 24).
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Verfahrens eine Lasereinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 verwendet wird.