WO2020254639A1 - Method and device for processing a workpiece with a processing beam composed of at least two beam profiles - Google Patents

Method and device for processing a workpiece with a processing beam composed of at least two beam profiles Download PDF

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WO2020254639A1
WO2020254639A1 PCT/EP2020/067209 EP2020067209W WO2020254639A1 WO 2020254639 A1 WO2020254639 A1 WO 2020254639A1 EP 2020067209 W EP2020067209 W EP 2020067209W WO 2020254639 A1 WO2020254639 A1 WO 2020254639A1
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workpiece
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workpieces
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Malte Kumkar
Felix Zimmermann
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Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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    • B23K2103/54Glass

Definitions

  • the present invention relates to a method for processing at least one workpiece, preferably for welding two workpieces, by means of short laser pulses and in particular by means of an ultra-short pulse laser beam.
  • the method can be used to carry out processing steps known per se in the processing of workpieces, for example for cutting or for welding or for local heating or for introducing others
  • transparent or partially transparent material such as a workpiece made of glass.
  • the processing laser beam is focused into the material of one of the workpieces, into both workpieces and / or into the area of an interface between the two adjacent workpieces by means of appropriate optics and the associated beam shaping, in order to then form the respective process zone in this area.
  • Machining method is the shape and size of the local volume or
  • the process zone is defined here by the area that is heated by the at least two beam profiles in the workpiece to such an extent that ultimately one in the process zone
  • Feed device reacts.
  • the movement of the feed device defines a Feed trajectory in the at least one workpiece that is to be traversed with the process zone.
  • processing for example welding, on several interfaces of (partially) transparent materials can be achieved simultaneously in this way.
  • gaps that are formed, for example, at an interface between two materials to be joined with one another can be better bridged by the proposed method, so that the overall quality of the joining is improved.
  • the proposed method enables some connections in the first place
  • transparent materials such as aluminosilicate glasses
  • transparent materials such as aluminosilicate glasses
  • transparent materials with high thermal expansion for example calcium fluoride
  • transparent materials with high thermal expansion for example calcium fluoride
  • An ultrashort pulse laser provides laser pulses in the picosecond range or femtosecond range.
  • the method can also be carried out with a short pulse laser, which provides pulses in the nanosecond range.
  • At least one of the beam profiles of the processing beam can be provided as a Gaussian beam profile, so that the beam profiles can be provided in a simple manner.
  • the machining of at least one workpiece with a simple Gaussian beam profile is limited in terms of the focus position tolerance.
  • the area in which the focus position can be varied is still a reliable one
  • Non-diffractive rays must satisfy the Helmholtz equation:
  • V 2 U (x, y, z) + k 2 U (x, y, z) 0 and a clear separability into a transverse and a longitudinal dependence of the shape
  • transverse dimensions of local intensity maxima as the shortest distance from directly adjacent, opposite ones as the transverse focus diameter or as the diameter of the beam profile in the case of quasi non-diffractive beams d ND o
  • the longitudinal expansion in the direction of beam propagation of these almost propagation-invariant intensity maxima indicates the characteristic length L of the quasi non-diffractive beam. This is defined by the intensity drop to 50%, starting from the local intensity maximum in the positive and negative z-direction, i.e. in the direction of propagation.
  • quasi-Bessel rays or Bessel-like rays also called Bessel rays here.
  • the transverse field distribution Ut (x, y) in the vicinity of the optical axis obeys a Bessel function of the first type of order n to a good approximation.
  • the Bessel-Gaussian rays represent a further subset of this class of rays Generation are widespread.
  • the illumination of an axicon in a refractive, diffractive or reflective design with a collimated Gaussian beam enables the Bessel-Gaussian beam to be formed.
  • the associated transverse field distribution in the vicinity of the optical axis obeys to a good approximation a Bessel function of the first type of order 0, which is enveloped by a Gaussian distribution.
  • a significantly greater focus position tolerance can be generated during welding. This reduces the influence of local waviness in the glass and the focus adjustment.
  • the proposed method can thus be used in a further area of application - for example, even if the workpieces to be joined do not lie perfectly flat on one another in the area of the desired weld seam and there is accordingly a gap between the workpieces.
  • the machining beam can also ensure that the local energy input is distributed over a larger volume of material, so that the modifications induced in the material become less dependent on the surrounding material areas that are not exposed to the laser beam, which can lead to the material stresses induced in the materials be reduced or redistributed and thereby the quality of the processing and the quality and / or strength of the workpiece is improved.
  • the beam profiles are preferably present in the process zone at an angle to one another.
  • aligning the beam profiles at an angle in the process zone better adaptation to the geometry of a workpiece interface to be machined can be achieved.
  • aligning the beam profile at an angle it can be achieved that both a greater lateral exposure of the material volume with laser intensity is achieved and the beam profiles arranged at an angle can be aligned in such a way that overlapping is avoided and the energy input changes accordingly to a bigger one
  • Laser beams are introduced into the process zone, the laser beams being aligned at an angle to the surface normal of the workpiece, preferably at an angle between 0 ° and 45 °, particularly preferably between 5 ° and 40 °, very particularly preferably between 10 ° and 35 ° to Surface normals of the workpiece. This can be used laterally and / or Generate longitudinally shifted beam profiles, which are correspondingly in the
  • Process zone ensure that the connection cross-section and the focus position tolerance are increased.
  • the beam profiles can be offset from one another in the feed direction, so that a point lying on the feed trajectory is swept at least twice in succession by the two laser beams arriving one after the other.
  • the present beam profiles and / or the workpieces can also be rotated during the advance so that the rotation results in a symmetrization of the connection cross-section, in particular with respect to the advance direction.
  • the beam cross-sections can be rotated by rotating a beam-shaping unit. For example, with a fixed beam profile and a curved feed trajectory, connection cross-sections of different widths can occur, similar to the effect of calligraphy. If the feed direction is, for example, perpendicular in the process plane to a narrow axis of the beam profile, then the connection cross-section is small. If the feed direction is, for example, perpendicular to a broad axis of the beam profile, then the connection cross-section is large.
  • a lateral offset means an offset in the plane whose surface normal coincides with the surface normal.
  • a longitudinal offset means an offset along the
  • At least two beam profiles with a lateral offset to one another and / or with a longitudinal offset to one another are preferably provided in the process zone. It can thus be achieved that the volume of the process zone is increased in order to also improve the connection cross-section and the focal position tolerance of the method in this way.
  • the laser beam in the form of a Gaussian beam or a quasi non-diffractive beam, in particular one can be used to adapt the beam shape to the respective geometrical configuration or requirements of the processing as well as to the material of the respective workpieces
  • Bessel beam are provided and / or at least one beam profile as a Gaussian
  • the lateral offset between two beam profiles is greater than the transverse extent of the respective beam profiles involved, that is to say, in particular, greater than the diameter of the respective beam profiles.
  • the longitudinal offset between two beam profiles is greater than the characteristic lengths of the respective beam profiles involved.
  • the characteristic length serves here as a measure for the longitudinal extent of the focus area or the focus zone of the respective beam profile in the direction of beam propagation.
  • Process zone does not or hardly takes place, but an overlap of the melted area of the individual beam profiles in the process zone can take place. This ensures that the areas in which the energy of the pulsed machining beam is absorbed in the process zone are spatially separated from one another in the process zone.
  • the resulting melt volume which is formed in the process zone, preferably includes all jet profiles.
  • the energy input takes place locally distributed within the process zone in order to provide an enlarged process zone and thus also an enlarged connection cross-section, which leads to an improvement in the
  • Machining process can lead.
  • a larger connection cross-section can lead to greater strength.
  • the pulse energy of the laser pulses is modulated over time.
  • the local energy input in the respective beam profiles can be modulated via the temporal modulation of the pulse energy of the laser pulses in order to reduce or avoid an excessive local input of energy in order to simultaneously prevent excessive stresses from occurring in the material.
  • At least two beam profiles can preferably be introduced into the process zone at the same time. It is particularly preferable for all beam profiles to be introduced into the process zone at the same time.
  • the beam profiles can also be modulated alternately so that the spatial
  • Energy input is modulated.
  • This spatial modulation can also take place with a constant input power. Accordingly, it is not a sequential one Scanning the process zone through the individual beam profiles, but rather to provide a processing beam in the process zone, which is composed of (simultaneously) irradiated beam profiles.
  • the same pulse energy is radiated into the process zone for each laser pulse as with an individually focused laser beam.
  • this energy is distributed locally to different positions within the process zone in such a way that the absorption behavior of the material is better utilized and, on the other hand, it is prevented that an excessively high local energy input causes material changes or damage to the material lying outside the process zone.
  • Processing beam can be introduced into the process zone at the same time. It can thus be achieved that differently pulsed for at least two different beam profiles
  • Laser beams are used so that, for example, the frequency and the energy of the respective pulsed laser beam and the wavelength of the incident light can be adapted to the geometry and the material of the respective workpiece.
  • a first laser beam for generating a first beam profile is preferably introduced into the process zone from a first direction with respect to a workpiece, and a second laser beam is introduced into the process zone from a second direction with respect to the workpiece to generate a second
  • FIG. 6 shows a schematic comparison between Gaussian and quasi non-diffractive rays
  • the beam profiles 30, 32 are also at an angle ⁇ 1 and ⁇ 2 with respect to the surface normal 110, so that here, at the same time as the lateral offset LA and the longitudinal offset LO, there is also an angular offset between the two beam profiles 30, 32 is present in order to achieve an advantageous introduction of energy into the process zone 4 in this way.
  • the respective beam profile 30, 32 introduced into the process zone 4 can be adapted, for example, to the respective material properties of the workpiece 10, 12. Furthermore, it is easily possible in this way to provide the beam profiles 30, 32 with different energies.
  • the device 1 comprises a beam source 200 for generating a laser beam 2, which is guided onto and into the workpieces 10, 12 via an optical system 5.
  • the beam profiles 30, 32 are each shown in the two shown in FIG.
  • the beam-shaping unit 52 can be actively controlled, for example in the form of an acousto-optical deflector (AOD), the position, alignment and intensity of the beam profiles 30, 32 in FIG the workpieces 10,12 are set dynamically or to the respective
  • An axicon 56 can be provided in order to provide a quasi non-diffractive beam, for example a Bessel beam, by means of the optics 5.
  • the present beam profiles and / or the workpieces can also be rotated during feed, so that the rotation results in a symmetrization of the connection cross section, in particular with regard to the feed direction.
  • FIG. 4C shows the effects of the rotation of the beam profile during the advance.
  • the short axis of the beam profile 30 is always kept perpendicular to the feed trajectory V. This results in a homogeneous connection cross-section.
  • the extension of the connection cross-section orthogonal to the feed trajectory is always the same.
  • Machining process shown in which the number of beam profiles in the process zone, which are introduced into the respective workpiece or the workpieces, are varied.
  • FIG. 6 shows a comparison of the propagation behavior of a Gaussian beam in FIG. 6A and two quasi non-diffractive beams in FIGS. 6B, C.
  • the self-drawn arrows mark the diameter or the length of the beam profile.
  • characteristic length L which is defined by the intensity drop to 50%, starting from the local intensity maximum in the positive and negative z-direction.

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Abstract

The invention relates to a method for processing at least one workpiece (10, 12), preferably for welding two workpieces (10, 12), having the step of supplying a processing zone (4) of the at least one workpiece (10, 12) with a processing beam (3), which is provided by a pulsed laser beam (2), preferably an ultrashort pulse laser beam, wherein the processing beam (3) is composed of at least two beam profiles (30, 32, 34) in the processing zone (4).

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM BEARBEITEN EINES WERKSTÜCKS MIT ZUSAMMENSETZUNG DES BEARBEITUNGSSTRAHLES AUS MINDESTENS ZWEI STRAHLPROFILEN METHOD AND DEVICE FOR MACHINING A WORKPIECE WITH COMPOSITION OF THE MACHINING BEAM FROM AT LEAST TWO BEAM PROFILES
Technisches Gebiet Technical area
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten mindestens eines Werkstücks, bevorzugt zum Verschweißen zweier Werkstücke, mittels kurzer Laserpulse und insbesondere mittels eines Ultrakurzpulslaserstrahls. Das Verfahren kann zur Durchführung an sich bekannter Bearbeitungsschritte bei der Bearbeitung von Werkstücken verwendet werden, beispielsweise zum Trennen oder zum Schweißen oder zur lokalen Erwärmung oder zum Einbringen anderer The present invention relates to a method for processing at least one workpiece, preferably for welding two workpieces, by means of short laser pulses and in particular by means of an ultra-short pulse laser beam. The method can be used to carry out processing steps known per se in the processing of workpieces, for example for cutting or for welding or for local heating or for introducing others
Modifikationen in das Material des Werkstücks beziehungsweise der Werkstücke. Das Verfahren eignet sich besonders auch zum Bearbeiten mindestens eines Werkstücks aus einem Modifications in the material of the workpiece or the workpieces. The method is also particularly suitable for machining at least one workpiece from one
transparenten oder teiltransparenten Material wie beispielsweise einem Werkstück aus Glas. transparent or partially transparent material such as a workpiece made of glass.
Stand der Technik State of the art
Zum Bearbeiten von Werkstücken und insbesondere zum Verschweißen zweier Werkstücke miteinander ist es bekannt, die jeweiligen Werkstücke in einer Prozesszone mittels eines For processing workpieces and in particular for welding two workpieces together, it is known to place the respective workpieces in a process zone by means of a
Laserstrahls zu beaufschlagen, um auf diese Weise in der durch den Laserstrahl beaufschlagten Prozesszone durch Energieabsorption eine Schmelze zu erzeugen, welche nach dem Erstarren der Schmelze eine Schweißnaht zwischen den beiden Werkstücken ausbildet. To apply the laser beam in order to generate a melt in the process zone acted upon by the laser beam by energy absorption, which forms a weld seam between the two workpieces after the melt has solidified.
Dabei ist es bekannt, zur Herstellung einer Verschweißung eines transparenten Werkstücks mit einem nicht transparenten Werkstück oder zum Verschweißen zweier transparenter Werkstücke die Prozesszone zwischen die beiden Werkstücke zu legen. Dies wird darüber erreicht, dass der bearbeitende Laserstrahl so in die Prozesszone fokussiert wird, dass der Energieeintrag im Bereich der Prozesszone am höchsten ist, um entsprechend zwischen den beiden Werkstücken in der Prozesszone eine Schmelze zu erzeugen und dann entsprechend nach dem Erstarren eine Schweißnaht bereitzustellen. Dabei tritt der bearbeitende Laserstrahl entsprechend durch eines der transparenten Werkstücke hindurch und wird beispielsweise erst auf der dem Eintrittsbereich gegenüberliegenden Seite des Werkstücks in die Prozesszone fokussiert. Der bearbeitende Laserstrahl wird dabei durch entsprechende Optiken und eine damit einhergehende Strahlformung in das Material eines der Werkstücke, in beide Werkstücke und/oder in den Bereich einer Grenzfläche zwischen den beiden aneinander anliegenden Werkstücken fokussiert, um in diesem Bereich dann die jeweilige Prozesszone auszubilden. It is known to place the process zone between the two workpieces to produce a weld between a transparent workpiece and a non-transparent workpiece or to weld two transparent workpieces. This is achieved by focusing the processing laser beam into the process zone in such a way that the energy input is highest in the area of the process zone, in order to generate a corresponding melt between the two workpieces in the process zone and then provide a weld seam accordingly after solidification. In this case, the processing laser beam passes through one of the transparent workpieces and is, for example, only focused into the process zone on the side of the workpiece opposite the entry area. The processing laser beam is focused into the material of one of the workpieces, into both workpieces and / or into the area of an interface between the two adjacent workpieces by means of appropriate optics and the associated beam shaping, in order to then form the respective process zone in this area.
Beim Bearbeiten von Werkstücken und insbesondere beim Verschweißen zweier Werkstücke miteinander kommt es aufgrund des starken lokalen Energieeintrags durch den fokussierten Laserstrahl in der Prozesszone zu hohen Temperaturen, welche in den umliegenden When machining workpieces and especially when welding two workpieces together, the strong local energy input from the focused laser beam results in high temperatures in the process zone, which in the surrounding areas
Materialbereichen nicht vorliegen. Entsprechend führt die in der Prozesszone für die Bearbeitung - beispielsweise für die Herstellung einer Schweißnaht - notwendige Wärme zu Material areas are not available. Correspondingly, the heat required in the process zone for processing - for example for producing a weld seam - is supplied
Temperaturspannungen gegenüber den umgebenden Materialbereichen. Entsprechend kann es zu Spannungen und/oder Rissen in dem Material im Bereich der Schweißnaht kommen, was in einer Reduzierung der Qualität der gefügten Materialien resultieren kann. Temperature stresses in relation to the surrounding material areas. Correspondingly, there can be tensions and / or cracks in the material in the area of the weld seam, which can result in a reduction in the quality of the joined materials.
Dies gilt gleichermaßen auch für andere lokale Bearbeitungsverfahren, bei denen lokale Volumenoder Oberflächenmodifikationen durchgeführt werden. Auch bei diesen weiteren This also applies to other local machining processes in which local volume or surface modifications are carried out. Even with these others
Bearbeitungsverfahren ist die Form und Größe der lokalen Volumen- oder Machining method is the shape and size of the local volume or
Oberflächenmodifikationen limitiert durch die zulässigen, von den eingetragenen Surface modifications limited by the permissible, from the registered
Temperaturgradienten eingetragenen Spannungen und Risse. Stresses and cracks introduced by temperature gradients.
Die auftretenden Temperaturspannungen, insbesondere während des eigentlichen Wärmeeintrags, wirken entsprechend limitierend auf die Größe und Form der in der Prozesszone einzubringenden Modifikation. Mit anderen Worten sind die bekannten Schweißverfahren limitiert dadurch, dass die über den lokalen Wärmeeintrag eingebrachten Temperaturspannungen ein bestimmtes Maß nicht überschreiten sollen, welches zu einer strukturellen Veränderung des Materials, zu Rissen oder zu einer niedrigen Qualität der Schweißnaht oder der miteinander gefügten Werkstücke führen könnten. The temperature stresses that occur, in particular during the actual heat input, have a correspondingly limiting effect on the size and shape of the modification to be introduced in the process zone. In other words, the known welding processes are limited by the fact that the temperature stresses introduced by the local heat input should not exceed a certain level, which could lead to a structural change in the material, to cracks or to a poor quality of the weld seam or the workpieces joined together.
Zudem können komplexere Bauelemente umfassend mehrere Fügepartner nicht in einer einzigen Überfahrt mit einer einfachen Standardfokussierung gefügt werden. Darstellung der Erfindung In addition, more complex components comprising several joining partners cannot be joined in a single pass with a simple standard focus. Presentation of the invention
Ausgehend ven dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vcrliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Verrichtung zum Bearbeiten mindestens eines Werkstücks anzugeben, mittels welchen eine Verbesserung der eben beschriebenen Eigenschaften erreicht werden kann. Based on the known prior art, it is an object of the present invention to provide a method and a device for processing at least one workpiece, by means of which an improvement in the properties just described can be achieved.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine The object is achieved by a method with the features of claim 1 and by a
Verrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren. Performing with the features of the independent device claim solved. Advantageous further developments result from the subclaims, the description and the figures.
Entsprechend wird ein Verfahren zum Bearbeiten mindestens eines Werkstücks, bevorzugt zum Verschweißen zweier Werkstücke, vorgeschlagen, umfassend das Beaufschlagen einer Correspondingly, a method for machining at least one workpiece, preferably for welding two workpieces, is proposed, comprising the application of one
Prozesszone mindestens eines Werkstücks mit einem durch einen gepulsten Laserstrahl, bevorzugt durch einen Ultrakurzpulslaserstrahl, bereitgestellten Bearbeitungsstrahl. Erfindungsgemäß wird der Bearbeitungsstrahl in der Prozesszone aus mindestens zwei Strahlprofilen zusammengesetzt. Process zone of at least one workpiece with a processing beam provided by a pulsed laser beam, preferably by an ultrashort pulse laser beam. According to the invention, the processing beam in the process zone is composed of at least two beam profiles.
Die Prozesszone ist hierbei durch den Bereich definiert, der durch die mindestens zwei Strahlprofile in dem Werkstück soweit erwärmt wird, dass schlussendlich in der Prozesszone eine The process zone is defined here by the area that is heated by the at least two beam profiles in the workpiece to such an extent that ultimately one in the process zone
Materialmodifikation wie beispielsweise ein Aufschmelzen des Materials erreicht wird. Material modification, such as melting the material, is achieved.
Beispielsweise kommt es bei einem Schweißprozess, in welchem mindestens zwei Werkstücke miteinander gefügt werden sollen, in der Prozesszone zu einem Aufschmelzen des Materials, so dass nach einem Verbinden der Schmelzen und einem nachfolgenden Erstarren in dem Bereich der vormaligen Prozesszone entsprechend eine Schweißnaht ausgebildet ist. Im Falle einer temperaturinduzierten Materialmodifikation in dem Material eines Werkstücks findet diese ebenfalls in der Prozesszone statt, so dass die Materialmodifikation im Bereich der vormaligen Prozesszone im Werkstück verbleibt. For example, in a welding process in which at least two workpieces are to be joined to one another, the material melts in the process zone, so that after the melts have been joined and then solidified, a weld seam is formed accordingly in the area of the previous process zone. In the case of a temperature-induced material modification in the material of a workpiece, this also takes place in the process zone, so that the material modification remains in the workpiece in the area of the previous process zone.
Dadurch, dass der Bearbeitungsstrahl in der Prozesszone aus mindestens zwei Strahlprofilen zusammengesetzt wird, kann eine verbesserte Bearbeitung des mindestens einen Werkstücks erreicht werden. Because the processing beam in the process zone is composed of at least two beam profiles, improved processing of the at least one workpiece can be achieved.
Beispielsweise wird auf diese Weise eine Materialbearbeitung mit einer höheren For example, a material processing with a higher
Fokuslagentoleranz möglich, so dass eine einfachere Ausrichtung des Bearbeitungsstrahls erreicht werden kann, wobei diese weniger empfindlich auf Schwankungen der Geometrie der Werkstücke, auf die Planlage von Werkstücken an einer Grenzfläche oder die Präzision einer Focal position tolerance possible, so that a simpler alignment of the machining beam can be achieved, this being less sensitive to fluctuations in the geometry of the workpieces, to the flatness of workpieces at an interface or the precision of a
Vorschubvorrichtung reagiert. Die Vorschubvorrichtung definiert mit ihrer Bewegung dabei eine Vorschubtrajektorie in dem mindestens einen Werkstück, die mit der Prozesszone abgefahren werden soll. Feed device reacts. The movement of the feed device defines a Feed trajectory in the at least one workpiece that is to be traversed with the process zone.
Weiterhin kann auf diese Weise auch ein Bearbeiten, beispielsweise ein Verschweißen, an mehreren Grenzflächen (teil-)tran sparenter Materialien gleichzeitig erreicht werden. Furthermore, processing, for example welding, on several interfaces of (partially) transparent materials can be achieved simultaneously in this way.
Mit anderen Worten lässt sich so ein höherer Durchsatz in dem Bearbeitungsverfahren erreichen gegenüber beispielsweise einem Schweißen lediglich mit einem Einzelspot, wie es herkömmlich bekannt war. In other words, a higher throughput can thus be achieved in the machining process compared to, for example, welding only with a single spot, as was conventionally known.
Weiterhin können auch Spalte, welche sich beispielsweise an einer Grenzfläche zwischen zwei miteinander zu fügenden Materialien ausbilden, durch das vorgeschlagene Verfahren besser überbrückt werden, sodass insgesamt die Qualität des Fügens verbessert wird. Insbesondere können durch das vorgeschlagene Verfahren überhaupt erst Verbindungen mancher Furthermore, gaps that are formed, for example, at an interface between two materials to be joined with one another, can be better bridged by the proposed method, so that the overall quality of the joining is improved. In particular, the proposed method enables some connections in the first place
Materialkombinationen oder Bearbeitungsqualitäten ermöglicht werden. Material combinations or processing qualities are made possible.
Beispielsweise können mit dem vorgeschlagenen Verfahren transparente Materialien, wie beispielsweise Aluminosilikatgläser, rissfrei und mit hoher Festigkeit gefügt werden. For example, transparent materials, such as aluminosilicate glasses, can be joined without cracks and with high strength using the proposed method.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren können auch transparente Materialien mit hoher thermischer Ausdehnung, beispielsweise Calziumfluorid, besonders vorteilhaft gefügt werden. Dies gilt besonders auch dann, wenn zwischen den einzelnen Werkstücken ein großer Spalt von beispielsweise 5 bis 10 pm vorliegt, der mittels der Schmelze überbrückt werden muss. With the proposed method, transparent materials with high thermal expansion, for example calcium fluoride, can also be joined particularly advantageously. This also applies particularly when there is a large gap of, for example, 5 to 10 μm between the individual workpieces, which gap must be bridged by means of the melt.
Die weiteren bekannten Vorteile des Fügens mit einem Ultrakurzpulslaser wie beispielsweise das Bereitstellen einer Gasdichtheit der jeweiligen Schweißnaht, eine gute Langzeitstabilität des Bearbeitungsergebnisses, sowie eine hohe optische Qualität von Werkstücken, welche transparenter Materialien umfassen, können durch das vorgeschlagene Verfahren ebenso erreicht werden. The other known advantages of joining with an ultrashort pulse laser, such as providing gas-tightness of the respective weld seam, good long-term stability of the machining result, and high optical quality of workpieces that include transparent materials, can also be achieved by the proposed method.
Ein Ultrakurzpulslaser stellt Laserpulse im Pikosekundenbereich oder Femtosekundenbereich bereit. Das Verfahren kann auch mit einem Kurzpulslaser, der Pulse im Nanosekundenbereich bereitstellt, durchgeführt werden. An ultrashort pulse laser provides laser pulses in the picosecond range or femtosecond range. The method can also be carried out with a short pulse laser, which provides pulses in the nanosecond range.
Durch die Zusammensetzung des Bearbeitungsstrahls in der Prozesszone aus mindestens zwei Strahlprofilen kann beispielsweise auch erreicht werden, dass sich der Anbindungsquerschnitt vergrößert und damit auch eine verbesserte Toleranz bezüglich der Lage der jeweiligen Foki erreicht werden kann. By composing the processing beam in the process zone from at least two beam profiles, it can also be achieved, for example, that the connection cross-section is enlarged and thus also an improved tolerance with regard to the position of the respective foci can be reached.
Mindestens eines der Strahlprofile des Bearbeitungsstrahls kann als Gaußsches Strahlprofil vorgesehen sein, so dass die Bereitstellung der Strahlprofile auf einfache Weise erreicht werden kann. At least one of the beam profiles of the processing beam can be provided as a Gaussian beam profile, so that the beam profiles can be provided in a simple manner.
Je nach Anwendung ist das Bearbeiten mindestens eines Werkstücks mit einem einfachen Gaußschen Strahlprofil aber bezüglich der Fokuslagentoleranz limitiert. Mit anderen Worten ist der Bereich, in welchem die Fokuslage so variiert werden kann, dass noch eine zuverlässige Depending on the application, the machining of at least one workpiece with a simple Gaussian beam profile is limited in terms of the focus position tolerance. In other words, the area in which the focus position can be varied is still a reliable one
Bearbeitung des Werkstücks, beispielsweise zur Herstellung einer dichten hochfesten Machining the workpiece, for example to produce a dense high-strength
Schweißnaht, erzeugt werden kann, begrenzt. Damit ist die Verwendung eines Gaußschen Strahlprofils auch bezüglich der zu erreichenden Festigkeit der resultierenden Schweißung auf bestimmte Anwendungsfälle limitiert. Diese vorteilhaften Anwendungsfälle werden beispielsweise dann verlassen, wenn die zu fügenden Werkstücke im Bereich der gewünschten Schweißnaht nicht mehr nahezu perfekt plan aufeinander aufliegen und damit ein Spalt zwischen den Werkstücken vorliegt. Weld seam that can be generated is limited. The use of a Gaussian beam profile is thus limited to certain applications, also with regard to the strength of the resulting weld to be achieved. These advantageous applications are abandoned, for example, when the workpieces to be joined no longer lie almost perfectly flat on top of one another in the area of the desired weld seam and there is thus a gap between the workpieces.
Neben Gaußstrahlen können auch andere Arten von Strahlen, insbesondere quasi nicht-beugende Strahlen, verwendet werden. Nicht-beugende Strahlen müssen der Helmholtz-Gleichung genügen: In addition to Gaussian rays, other types of rays, in particular quasi non-diffractive rays, can also be used. Non-diffractive rays must satisfy the Helmholtz equation:
V2U(x,y,z)+k2U(x,y,z)=0 und eine klare Separierbarkeit in eine transversale und eine longitudinale Abhängigkeit der Form V 2 U (x, y, z) + k 2 U (x, y, z) = 0 and a clear separability into a transverse and a longitudinal dependence of the shape
U(x,y,z)=Ut(x,y)exp(ikzz) aufweisen. Hierbei ist k=oo/c der Wellenvektor mit seinen transversalen und longitudinalen U (x, y, z) = U t (x, y) exp (ikzz). Here k = oo / c is the wave vector with its transverse and longitudinal ones
Komponenten k2=kz 2+kt2 und Ut(x,y) eine beliebige komplexwertige Funktion, die nur von den transversalen Koordinaten x,y abhängt. Die z-Abhängigkeit in Strahlausbreitungsrichtung in U(x,y,z) führt zu einer reinen Phasenmodulation, so dass die zugehörige Intensität I der Lösung Components k 2 = k z 2 + kt 2 and Ut (x, y) any complex-valued function that depends only on the transversal coordinates x, y. The z-dependence in the direction of beam propagation in U (x, y, z) leads to a pure phase modulation, so that the associated intensity I of the solution
propagationsinvariant beziehungsweise nicht-beugend ist: l(x,y,z) = |U(x,y,z)|2 = l(x,y,0). propagation-invariant or non-diffractive is: l (x, y, z) = | U (x, y, z) | 2 = l (x, y, 0).
Dieser Ansatz liefert verschiedene Lösungsklassen in unterschiedlichen Koordinatensystemen, wie beispielsweise Mathieu-Strahlen in elliptisch-zylindrischen Koordinaten oder Besselstrahlen in zirkularzylindrischen Koordinaten. Experimentell lassen sich eine Vielzahl von nicht-beugenden Strahlen in guter Näherung, also quasi nicht-beugende Strahlen, realisieren. Diese führen, im Gegensatz zum theoretischen Konstrukt, nur eine endliche Leistung. Ebenso endlich ist die Länge L der Propagationsinvarianz dieser quasi nicht-beugenden Strahlen. This approach provides different classes of solutions in different coordinate systems, such as Mathieu rays in elliptical-cylindrical coordinates or Bessel rays in circular-cylindrical coordinates. A large number of non-diffractive rays in good approximation, i.e. quasi non-diffractive rays, can be implemented experimentally. In contrast to the theoretical construct, these only lead to a finite performance. The length L of the propagation invariance of these quasi non-diffracting rays is also finite.
Der Fokusdurchmesser dGFo eines Gaußschen Strahls, der Gaußfokus, beziehungsweise der Durchmesser des Gaußstahls oder des Gaußprofils ist festgelegt über die zweiten Momente, also die Varianz der Gaußkurve, und die zugehörige charakteristische Länge, die Rayleighlänge ZR=TT(dGFo)2/4A, als die Distanz ausgehend von der Fokusposition, bei der der Strahlquerschnitt um den Faktor 2 zugenommen hat. The focus diameter d GF o of a Gaussian beam, the Gaussian focus, or the diameter of the Gaussian steel or the Gaussian profile is determined by the second moments, i.e. the variance of the Gaussian curve, and the associated characteristic length, the Rayleigh length Z R = TT (d GF o) 2 / 4A, as the distance starting from the focus position at which the beam cross section has increased by a factor of 2.
Fernerhin definieren wir als transversale Fokusdurchmesser beziehungsweise als Durchmesser des Strahlprofils bei quasi nicht-beugenden Strahlen dNDo die transversalen Dimensionen lokaler Intensitätsmaxima als die kürzeste Distanz direkt angrenzender, gegenüberliegender Furthermore, we define the transverse dimensions of local intensity maxima as the shortest distance from directly adjacent, opposite ones as the transverse focus diameter or as the diameter of the beam profile in the case of quasi non-diffractive beams d ND o
Intensitätsminima. Intensity minima.
Die longitudinale Ausdehnung in Strahlausbreitungsrichtung dieser nahezu propagationsinvarianten Intensitätsmaxima gibt die charakteristische Länge L des quasi nicht-beugenden Strahls an. Diese ist definiert über den Intensitätsabfall auf 50%, ausgehend vom lokalen Intensitätsmaximum in positive und negative z-Richtung, also in Propagationsrichtung. The longitudinal expansion in the direction of beam propagation of these almost propagation-invariant intensity maxima indicates the characteristic length L of the quasi non-diffractive beam. This is defined by the intensity drop to 50%, starting from the local intensity maximum in the positive and negative z-direction, i.e. in the direction of propagation.
Ein quasi nicht-beugender Strahl liegt genau dann vor, wenn für dNDo=dGFo, also ähnlichen transversalen Dimensionen, die charakteristische Länge L die Rayleighlänge des zugehörigen Gaußfokus deutlich überragt, beispielsweise wenn L>1 0ZR. A quasi non-diffractive beam is present if, for d ND o = d GF o, i.e. similar transverse dimensions, the characteristic length L clearly exceeds the Rayleigh length of the associated Gaussian focus, for example if L> 10 ZR.
Als Untermenge der quasi nicht-beugenden Strahlen sind quasi-Besselstrahlen oder Bessel- ähnliche Strahlen, hier auch Besselstrahlen genannt, bekannt. Hierbei 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 weitere Untermenge dieser Klasse von Strahlen stellen die Bessel- Gauß-Strahlen dar, die aufgrund ihrer einfachen Erzeugung weit verbreitet sind. So erlaubt die Beleuchtung eines Axicons in refraktiver, diffraktiver oder reflektiver Ausführung mit einem kollimierten Gaußstrahl die Formung des Bessel-Gauß-Strahls. Die zugehörige transversale Feldverteilung in der Nähe der optischen Achse gehorcht dabei in guter Näherung einer Bessel- Funktion erster Art der Ordnung 0, die von einer Gauß-Verteilung eingehüllt ist. Dadurch kann eine deutlich größere Fokuslagentoleranz beim Schweißen erzeugt werden. Somit wird der Einfluss lokaler Welligkeiten des Glases und der Fokusjustage reduziert. Entsprechend kann es von Vorteil sein, einen quasi nicht-beugenden Strahl, insbesondere einen Besselstrahl, zur Materialmodifikation zu verwenden, da hiermit unter anderem größere Spalte überbrückt werden können und damit die Fokuslagentoleranz größer wird. Damit kann das vorgeschlagene Verfahren in einem weiteren Anwendungsbereich verwendet werden - beispielsweise auch dann, wenn die zu fügenden Werkstücke in dem Bereich der gewünschten Schweißnaht nicht perfekt plan aufeinander aufliegen und entsprechend ein Spalt zwischen den Werkstücken vorliegt. As a subset of the quasi non-diffractive rays, quasi-Bessel rays or Bessel-like rays, also called Bessel rays here, are known. Here, the transverse field distribution Ut (x, y) in the vicinity of the optical axis obeys a Bessel function of the first type of order n to a good approximation. The Bessel-Gaussian rays represent a further subset of this class of rays Generation are widespread. The illumination of an axicon in a refractive, diffractive or reflective design with a collimated Gaussian beam enables the Bessel-Gaussian beam to be formed. The associated transverse field distribution in the vicinity of the optical axis obeys to a good approximation a Bessel function of the first type of order 0, which is enveloped by a Gaussian distribution. As a result, a significantly greater focus position tolerance can be generated during welding. This reduces the influence of local waviness in the glass and the focus adjustment. Correspondingly, it can be advantageous to use a quasi non-diffractive beam, in particular a Bessel beam, for material modification, since this allows, among other things, larger gaps to be bridged and thus the focus position tolerance increases. The proposed method can thus be used in a further area of application - for example, even if the workpieces to be joined do not lie perfectly flat on one another in the area of the desired weld seam and there is accordingly a gap between the workpieces.
Weiterhin wird das Schweißen von zwei aus transparenten Materialen bestehenden Werkstücken vereinfacht, wenn die Werkstücke jeweils zumindest an den jeweiligen Grenzflächen einen Furthermore, the welding of two workpieces made of transparent materials is simplified if the workpieces each have at least one at the respective boundary surfaces
Transmissionverlust (ohne Fresnel-Verluste) von kleiner 10% aufweisen. Bei Glas insbesondere Kieselglas ist dies gegeben, wenn die Oberflächenrauheit Ra<20nm ist. Have transmission loss (without Fresnel losses) of less than 10%. In the case of glass, particularly silica glass, this is the case if the surface roughness is Ra <20 nm.
Durch das Zusammensetzen der Strahlprofile innerhalb der Prozesszone zu dem By assembling the beam profiles within the process zone to the
Bearbeitungsstrahl kann auch erreicht werden, dass sich der lokale Energieeintrag auf ein größeres Materialvolumen verteilt, sodass die in dem Material induzierten Modifikationen weniger abhängig werden von den umgebenden, nicht mit dem Laserstrahl beaufschlagten Materialbereichen, was dazu führen kann, dass die in den Materialien induzierten Materialspannungen reduziert oder umverteilt werden und dadurch die Qualität der Bearbeitung und die Qualität und/oder Festigkeit des entstehenden Werkstücks verbessert wird. The machining beam can also ensure that the local energy input is distributed over a larger volume of material, so that the modifications induced in the material become less dependent on the surrounding material areas that are not exposed to the laser beam, which can lead to the material stresses induced in the materials be reduced or redistributed and thereby the quality of the processing and the quality and / or strength of the workpiece is improved.
Bevorzugt liegen die Strahlprofile in der Prozesszone unter einem Winkel zueinander vor. Durch die Ausrichtung der Strahlprofile unter einem Winkel in der Prozesszone kann eine bessere Anpassung an die Geometrie einer zu bearbeitenden Grenzfläche eines Werkstücks erreicht werden. Weiterhin kann durch die Ausrichtung des Strahlprofils unter einem Winkel erreicht werden, dass sowohl eine größere laterale Beaufschlagung des Materialvolumens mit Laserintensität erreicht wird, als auch die einander unter einem Winkel angeordneten Strahlprofile so ausgerichtet sein können, dass ein Überlappen vermieden wird und sich der Energieeintrag entsprechend auf ein größeres The beam profiles are preferably present in the process zone at an angle to one another. By aligning the beam profiles at an angle in the process zone, better adaptation to the geometry of a workpiece interface to be machined can be achieved. Furthermore, by aligning the beam profile at an angle, it can be achieved that both a greater lateral exposure of the material volume with laser intensity is achieved and the beam profiles arranged at an angle can be aligned in such a way that overlapping is avoided and the energy input changes accordingly to a bigger one
Materialvolumen verteilt. Material volume distributed.
Bevorzugt können die vorliegenden Strahlprofile durch mindestens zwei unterschiedliche The present beam profiles can preferably be characterized by at least two different
Laserstrahlen in die Prozesszone eingebracht werden, wobei die Laserstrahlen unter einem Winkel zur Oberflächennormalen des Werkstücks ausgerichtet werden, bevorzugt unter einem Winkel zwischen 0° und 45°, besonders bevorzugt zwischen 5° und 40°, ganz besonders bevorzugt zwischen 10° und 35° zur Oberflächennormalen des Werkstücks. Damit lassen sich lateral und/oder longitudinal zueinander verschobene Strahlprofile erzeugen, welche entsprechend in der Laser beams are introduced into the process zone, the laser beams being aligned at an angle to the surface normal of the workpiece, preferably at an angle between 0 ° and 45 °, particularly preferably between 5 ° and 40 °, very particularly preferably between 10 ° and 35 ° to Surface normals of the workpiece. This can be used laterally and / or Generate longitudinally shifted beam profiles, which are correspondingly in the
Prozesszone dafür sorgen, dass der Anbindungsquerschnitt und die Fokuslagentoleranz vergrößert werden. Insbesondere können die Strahlprofile in Vorschubrichtung zueinander versetzt sein, so dass ein auf der Vorschubtrajektorie liegender Punkt zumindest zweimal hintereinander durch die beiden nacheinander eintreffenden Laserstahlen überstrichen wird. Process zone ensure that the connection cross-section and the focus position tolerance are increased. In particular, the beam profiles can be offset from one another in the feed direction, so that a point lying on the feed trajectory is swept at least twice in succession by the two laser beams arriving one after the other.
Es können auch die vorliegenden Strahlprofile und/oder die Werkstücke beim Vorschub gedreht werden, so dass durch die Drehung eine Symmetrisierung des Anbindungsquerschnitts insbesondere bezüglich der Vorschubrichtung erfolgt. Dabei können die Strahlquerschnitte durch die Drehung einer strahlformenden Einheit gedreht werden. Beispielsweise können bei einem fix ausgerichteten Strahlprofil und einer geschwungenen Vorschubtrajektorie unterschiedlich breite Anbindungsquerschnitte auftreten, ähnlich dem Effekt der Kalligrafie. Ist die Vorschubrichtung beispielsweise senkrecht in der Prozessebene zu einer schmalen Achse des Strahlprofils, dann ist der Anbindungsquerschnitt klein. Ist die Vorschubrichtung beispielsweise senkrecht zu einer breiten Achse des Strahlprofils, dann ist der Anbindungsquerschnitt groß. Diese Asymmetrie kann zu unterschiedlichen Bearbeitungsgeometrien und damit beispielsweise zu unterschiedlich festen Schweißverbindungen führen. Durch die Drehung des Strahlquerschnitts und/oder des Werkstücks können so auch bei geschwungenen Vorschubtrajektorien gleichgroße Anbindungsquerschnitte über die gesamte Länge der Vorschubtrajektorie erzeugt werden. Dadurch ist es möglich eine in alle Richtungen homogene Materialmodifikation einzubringen. The present beam profiles and / or the workpieces can also be rotated during the advance so that the rotation results in a symmetrization of the connection cross-section, in particular with respect to the advance direction. The beam cross-sections can be rotated by rotating a beam-shaping unit. For example, with a fixed beam profile and a curved feed trajectory, connection cross-sections of different widths can occur, similar to the effect of calligraphy. If the feed direction is, for example, perpendicular in the process plane to a narrow axis of the beam profile, then the connection cross-section is small. If the feed direction is, for example, perpendicular to a broad axis of the beam profile, then the connection cross-section is large. This asymmetry can lead to different machining geometries and thus, for example, to differently fixed welded connections. By rotating the beam cross-section and / or the workpiece, connecting cross-sections of the same size can be generated over the entire length of the feed trajectory, even with curved feed trajectories. This makes it possible to introduce a material modification that is homogeneous in all directions.
Die Strahlprofile können auch neben der Vorschubtrajektorie eingebracht werden. Ein lateraler Versatz bedeutet einen Versatz in der Ebene, deren Flächennormale mit der Oberflächennormale zusammenfällt. Ein longitudinaler Versatz bedeutet einen Versatz entlang der The beam profiles can also be introduced in addition to the feed trajectory. A lateral offset means an offset in the plane whose surface normal coincides with the surface normal. A longitudinal offset means an offset along the
Oberflächennormalen, also in das Material des Werkstücks hinein. Surface normals, i.e. into the material of the workpiece.
Bevorzugt sind mindestens zwei Strahlprofile mit einem lateralen Versatz zueinander und/oder mit einem longitudinalen Versatz zueinander in der Prozesszone vorgesehen. Damit kann erreicht werden, dass das Volumen der Prozesszone vergrößert wird, um auch auf diese Weise den Anbindungsquerschnitt und die Fokuslagentoleranz des Verfahrens zu verbessern. At least two beam profiles with a lateral offset to one another and / or with a longitudinal offset to one another are preferably provided in the process zone. It can thus be achieved that the volume of the process zone is increased in order to also improve the connection cross-section and the focal position tolerance of the method in this way.
Bevorzugt kann zur Anpassung der Strahlform an die jeweilige geometrische Ausgestaltung oder Anforderung der Bearbeitung sowie an das Material der jeweiligen Werkstücke der Laserstrahl in Form eines Gaußstrahls oder eines quasi nicht-beugenden Strahls, insbesondere eines Preferably, the laser beam in the form of a Gaussian beam or a quasi non-diffractive beam, in particular one, can be used to adapt the beam shape to the respective geometrical configuration or requirements of the processing as well as to the material of the respective workpieces
Besselstrahls bereitgestellt werden und/oder mindestens ein Strahlprofil als Gaußförmiges Bessel beam are provided and / or at least one beam profile as a Gaussian
Strahlprofil oder als Profil eines quasi nicht-beugenden Strahls, insbesondere als Besselprofil bereitgestellt werden. Es ist ebenso möglich, dass longitudinal modulierte Strahlen eingesetzt werden, beispielsweise sogenannte Flaschen-förmige Strahlen („Bottle-Beams“). Beam profile or as a profile of a quasi non-diffractive beam, in particular as a Bessel profile to be provided. It is also possible to use longitudinally modulated beams, for example so-called bottle-shaped beams (“bottle beams”).
In einer bevorzugten Weiterbildung ist der laterale Versatz zwischen zwei Strahlprofilen größer als die transversale Ausdehnung der jeweils beteiligten Strahlprofile, also insbesondere größer als der Durchmesser der jeweiligen Strahlprofile. In a preferred development, the lateral offset between two beam profiles is greater than the transverse extent of the respective beam profiles involved, that is to say, in particular, greater than the diameter of the respective beam profiles.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist der longitudinale Versatz zwischen zwei Strahlprofilen größer als die charakteristischen Längen der jeweils beteiligten Strahlprofile. Die charakteristische Länge dient hier als Maß für die longitudinale Ausdehnung des Fokusbereichs beziehungsweise der Fokuszone des jeweiligen Strahlprofils in Strahlausbreitungsrichtung. In a preferred development, the longitudinal offset between two beam profiles is greater than the characteristic lengths of the respective beam profiles involved. The characteristic length serves here as a measure for the longitudinal extent of the focus area or the focus zone of the respective beam profile in the direction of beam propagation.
Damit kann sichergestellt werden, dass eine Überlappung der Strahlprofile im Bereich der This ensures that the beam profiles overlap in the area of the
Prozesszone nicht oder kaum stattfindet, allerdings aber eine Überlappung des aufgeschmolzenen Bereichs der einzelnen Strahlprofile in der Prozesszone stattfinden kann. Damit wird erreicht, dass die Bereiche, in welchen die Absorption der Energie des gepulsten Bearbeitungsstrahls in der Prozesszone stattfindet, voneinander räumlich getrennt in der Prozesszone vorliegen. Process zone does not or hardly takes place, but an overlap of the melted area of the individual beam profiles in the process zone can take place. This ensures that the areas in which the energy of the pulsed machining beam is absorbed in the process zone are spatially separated from one another in the process zone.
Das sich daraus ergebende Schmelzvolumen, welches in der Prozesszone ausgebildet wird, umfasst bevorzugt alle Strahlprofile. Mit anderen Worten findet der Energieeintrag innerhalb der Prozesszone lokal verteilt statt, um darüber eine vergrößerte Prozesszone und damit auch einen vergrößerten Anbindungsquerschnitt bereitzustellen, welcher zu einer Verbesserung des The resulting melt volume, which is formed in the process zone, preferably includes all jet profiles. In other words, the energy input takes place locally distributed within the process zone in order to provide an enlarged process zone and thus also an enlarged connection cross-section, which leads to an improvement in the
Bearbeitungsverfahrens führen kann. Beispielsweise kann ein größerer Anbindungsquerschnitt zu einer größeren Festigkeit führen. Machining process can lead. For example, a larger connection cross-section can lead to greater strength.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Pulsenergie der Laserpulse zeitlich moduliert. Über die zeitliche Modulation der Pulsenergie der Laserpulse kann der lokale Energieeintrag in den jeweiligen Strahlprofilen moduliert werden, um auf diese Weise einen übermäßigen lokalen Eintrag von Energie zu reduzieren beziehungsweise zu vermeiden, um gleichzeitig ein Auftreten von übermäßigen Spannungen in dem Material zu verhindern. In a preferred embodiment, the pulse energy of the laser pulses is modulated over time. The local energy input in the respective beam profiles can be modulated via the temporal modulation of the pulse energy of the laser pulses in order to reduce or avoid an excessive local input of energy in order to simultaneously prevent excessive stresses from occurring in the material.
Bevorzugt können mindestens zwei Strahlprofile gleichzeitig in die Prozesszone eingebracht werden. Besonders bevorzugt werden alle Strahlprofile gleichzeitig in die Prozesszone eingebracht. At least two beam profiles can preferably be introduced into the process zone at the same time. It is particularly preferable for all beam profiles to be introduced into the process zone at the same time.
Dabei können die Strahlprofile auch alternierend moduliert werden, so dass der räumliche The beam profiles can also be modulated alternately so that the spatial
Energieeintrag moduliert wird. Diese räumliche Modulation kann auch bei einer konstanten eingetragenen Leistung stattfinden. Entsprechend handelt es sich nicht um ein sequenzielles Scannen der Prozesszone durch die einzelnen Strahlprofile, sondern um das Bereitstellen eines Bearbeitungsstrahls in der Prozesszone, welcher sich zusammensetzt aus (gleichzeitig) eingestrahlten Strahlprofilen. Energy input is modulated. This spatial modulation can also take place with a constant input power. Accordingly, it is not a sequential one Scanning the process zone through the individual beam profiles, but rather to provide a processing beam in the process zone, which is composed of (simultaneously) irradiated beam profiles.
Es wird gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel je Laserpuls die gleiche Pulsenergie in die Prozesszone eingestrahlt, wie bei einem einzeln fokussierten Laserstrahl. Gemäß dem According to a preferred exemplary embodiment, the same pulse energy is radiated into the process zone for each laser pulse as with an individually focused laser beam. According to the
vorgeschlagenen Verfahren wird diese Energie jedoch lokal innerhalb der Prozesszone auf unterschiedliche Positionen so verteilt, dass das Absorptionsverhalten des Materials besser ausgenutzt wird und zum anderen verhindert wird, dass durch einen übermäßig hohen lokalen Energieeintrag Materialveränderungen beziehungsweise Beschädigung des außerhalb der Prozesszone liegenden Materials erzeugt werden. However, according to the proposed method, this energy is distributed locally to different positions within the process zone in such a way that the absorption behavior of the material is better utilized and, on the other hand, it is prevented that an excessively high local energy input causes material changes or damage to the material lying outside the process zone.
In einer bevorzugten Ausgestaltung werden mindestens zwei gepulste Laserstrahlen zur Erzeugung jeweils mindestens eines Strahlprofils bereitgestellt, welche zum Zusammensetzen des In a preferred embodiment, at least two pulsed laser beams are provided for generating at least one beam profile each, which is used to assemble the
Bearbeitungsstrahls gleichzeitig in die Prozesszone eingebracht werden. Damit kann erreicht werden, dass für mindestens zwei unterschiedliche Strahlprofile unterschiedlich gepulste Processing beam can be introduced into the process zone at the same time. It can thus be achieved that differently pulsed for at least two different beam profiles
Laserstrahlen verwendet werden, sodass beispielsweise die Frequenz und die Energie des jeweiligen gepulsten Laserstrahls sowie die Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes an die Geometrie und das Material des jeweiligen Werkstücks angepasst werden kann. Laser beams are used so that, for example, the frequency and the energy of the respective pulsed laser beam and the wavelength of the incident light can be adapted to the geometry and the material of the respective workpiece.
Bevorzugt wird ein erster Laserstrahl zur Erzeugung eines ersten Strahlprofils aus einer ersten Richtung bezüglich eines Werkstücks in die Prozesszone eingebracht und ein zweiter Laserstrahl wird aus einer zweiten Richtung bezüglich des Werkstücks zur Erzeugung eines zweiten A first laser beam for generating a first beam profile is preferably introduced into the process zone from a first direction with respect to a workpiece, and a second laser beam is introduced into the process zone from a second direction with respect to the workpiece to generate a second
Strahlprofils in der Prozesszone eingebracht. Bevorzugt werden der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl aus im Wesentlichen entgegengesetzten Richtungen in die Prozesszone eingebracht, also beispielsweise der erste Laserstrahl durch das erste Werkstück hindurch und der zweite Laserstrahl durch das zweite Werkstück hindurch in die Prozesszone eingebracht wird. Die im Wesentlichen entgegengesetzten Richtungen umfassen dabei auch, dass die Laserstrahlen nicht parallel auf einander zu, sondern unter einem Winkel zueinander verlaufen. Beam profile introduced in the process zone. The first laser beam and the second laser beam are preferably introduced into the process zone from essentially opposite directions, for example the first laser beam is introduced through the first workpiece and the second laser beam is introduced into the process zone through the second workpiece. The essentially opposite directions also include the fact that the laser beams do not run parallel to one another, but rather at an angle to one another.
Die oben genannte Aufgabe wird weiter durch eine Vorrichtung zum Bearbeiten mindestens eines Werkstücks mit den Merkmalen des Anspruchs 1 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren. The above-mentioned object is also achieved by a device for processing at least one workpiece having the features of claim 11. Advantageous further developments result from the dependent claims, the description and the figures.
Entsprechend wird eine Vorrichtung zum Bearbeiten mindestens eines Werkstücks, bevorzugt zum Verschweißen zweier Werkstücke, vorgeschlagen, umfassend eine Strahlquelle zur Bereitstellung eines gepulsten Laserstrahls, bevorzugt eines Strahls eines Ultrakurzpulslasers, und eine Optik zum Bereitstellen eines Bearbeitungsstrahls in einer Prozesszone mindestens eines Werkstücks. Erfindungsgemäß ist die Optik so eingerichtet und ausgebildet, dass der Bearbeitungsstrahl sich in der Prozesszone aus mindestens zwei Strahlprofilen zusammensetzt. Accordingly, a device for processing at least one workpiece, preferably for welding two workpieces, is proposed, comprising a beam source for provision a pulsed laser beam, preferably a beam of an ultrashort pulse laser, and an optical system for providing a machining beam in a process zone of at least one workpiece. According to the invention, the optics are set up and designed such that the processing beam in the process zone is composed of at least two beam profiles.
Auf diese Weise können die oben bereits zum Verfahren beschriebenen Vorteile erreicht werden, insbesondere das Durchführen eines besonders effizienten Verfahrens zum Bearbeiten von Werkstücken, welcher beispielsweise in einem Fügen von zwei oder mehr Werkstücken resultieren kann, wobei hier der Anbindungsquerschnitt und die Fokuslagentoleranz verbessert werden. In this way, the advantages already described above for the method can be achieved, in particular the implementation of a particularly efficient method for processing workpieces, which can result, for example, in joining two or more workpieces, the connection cross-section and the focal position tolerance being improved here.
Entsprechend kann insgesamt ein verbessertes Fügeergebnis erreicht werden. Correspondingly, an overall improved joining result can be achieved.
Zur Ausbildung, Anpassung und Einstellung der Lage und Ausrichtung der Strahlprofile umfasst die Optik bevorzugt eine strahlformende Einheit, bevorzugt einen räumlichen Lichtmodulator und/oder ein diffraktives optisches Element und/oder einen akusto-optischen Deflektor (AOD). Gerade bei der Ausgestaltung mit einem aktiven optischen Element wie beispielsweise einem akusto-optischen Deflektor kann so auf einfache Weise und schnell eine für die jeweilige Kombination an Materialien der Werkstücke oder für die jeweilige Geometrie der zu fügenden Werkstücke angepasste To form, adapt and adjust the position and alignment of the beam profiles, the optics preferably include a beam-shaping unit, preferably a spatial light modulator and / or a diffractive optical element and / or an acousto-optical deflector (AOD). Particularly in the case of the configuration with an active optical element such as an acousto-optical deflector, it is possible to easily and quickly adapt a material to the respective combination of materials of the workpieces or to the respective geometry of the workpieces to be joined
Einstellung des Bearbeitungsstrahls erreicht werden. Adjustment of the machining beam can be achieved.
Die Vorrichtung kann auch eine Werkstückaufnahme zur Aufnahme eines Werkstücks umfassen, sowie mindestens ein Positioniersystem, zur Positionierung der Laser und/oder der Werkstücke. The device can also comprise a workpiece holder for receiving a workpiece, as well as at least one positioning system for positioning the laser and / or the workpieces.
Insbesondere kann die Positionierung von Laser und Werkstück auch relativ zueinander und auch während einer Bewegung, erfolgen. In particular, the positioning of the laser and workpiece can also take place relative to one another and also during a movement.
Bevorzugt umfasst die Optik ein Axicon zur Ausbildung eines quasi nicht-beugenden Strahlprofils, beispielsweise eines Besselprofils, wobei mindestens ein Strahlprofil in der Prozesszone als quasi nicht-beugendes Strahlprofil, beispielsweise als Besselprofil, ausgebildet ist. Durch die Ausbildung eines Strahlprofils als Besselprofil kann erreicht werden, dass eine gewünschte Energieverteilung in dem Material erreicht wird, welche das Fügen unterstützt beziehungsweise eine gewünschte Geometrie für das Strahlprofil bereitgestellt wird, welche das Fügen der Werkstücke miteinander unterstützt. The optics preferably comprise an axicon for forming a quasi non-diffractive beam profile, for example a Bessel profile, with at least one beam profile in the process zone being designed as a quasi non-diffractive beam profile, for example as a Bessel profile. By designing a beam profile as a Bessel profile, it can be achieved that a desired energy distribution is achieved in the material, which supports the joining or a desired geometry is provided for the beam profile which supports the joining of the workpieces to one another.
Bevorzugt umfasst die Optik eine Fokussieroptik und der Laserstrahl wird versetzt bezüglich der optischen Achse der Fokussieroptik in die Fokussieroptik eingebracht, um so die Strahlprofile des Bearbeitungsstrahls unter einem Winkel in die Prozesszone einzubringen. Um eine schnelle Anpassung der optischen Ausgestaltung an das jeweilige Verfahren zu erreichen, ist es bevorzugt, dass die Optik eine strahlformende Einheit, bevorzugt einen räumlichen The optics preferably comprise focusing optics and the laser beam is introduced into the focusing optics offset with respect to the optical axis of the focusing optics in order to bring the beam profiles of the processing beam into the process zone at an angle. In order to achieve rapid adaptation of the optical configuration to the respective method, it is preferred that the optics be a beam-shaping unit, preferably a spatial unit
Lichtmodulator und/oder ein diffraktiv optisches Element und/oder einen akusto-optischen Deflektor (AOD), umfasst, um den Strahlversatz des Laserstrahls zu der optischen Achse der Fokussieroptik bereitzustellen. Light modulator and / or a diffractive optical element and / or an acousto-optical deflector (AOD), in order to provide the beam offset of the laser beam to the optical axis of the focusing optics.
Der Strahlversatz ist hierbei insbesondere der Versatz der Strahlachsen in Lage und/oder Winkel, der den Winkel- und Ortsversatz der Strahlprofile in der Prozesszone bestimmt. Insbesondere kann der Laserstrahl mit der Fokussieroptik so durch mehrere und separate Elemente durchgeleitet werden, dass der Laserstrahl erst in der gewünschten Prozesszone absorbiert wird. The beam offset is in particular the offset of the beam axes in position and / or angle, which determines the angular and spatial offset of the beam profiles in the process zone. In particular, the laser beam with the focusing optics can be passed through several and separate elements in such a way that the laser beam is only absorbed in the desired process zone.
Des Weiteren ist insbesondere bei großen Einstrahlwinkeln eine Aberrationskorrektur vorgesehen, die als Teil der Fokussieroptik oder der strahlformenden Einheit ausgebildet sein kann. Der Einstrahlwinkel wird hierbei verstanden als der Winkel zwischen der Strahlachse des jeweiligen Teilstrahls und der Flächennormalen. Ein Winkel kann hierbei als groß gelten, wenn er größer als 0,5° ist, beispielsweise 1 °. Furthermore, an aberration correction is provided, in particular for large angles of incidence, which can be designed as part of the focusing optics or the beam-shaping unit. The angle of incidence is understood here as the angle between the beam axis of the respective partial beam and the surface normal. An angle can be considered large if it is greater than 0.5 °, for example 1 °.
Beispielsweise kann eine Aberrationskorrektur notwendig sein, wenn ein Gaußscher Strahl mit einer großen numerischen Apertur senkrecht auf die Materialoberfläche trifft. Hierbei kann beispielsweise gelten, dass die Aberrationen mit größer werdender numerischer Apertur ebenfalls größer werden. Beispielsweise kann aber auch eine Aberrationskorrektur notwendig sein, wenn ein Gaußscher Strahl mit kleiner numerischer Apertur nicht senkrecht auf die Oberfläche des Materials trifft. For example, an aberration correction may be necessary if a Gaussian beam with a large numerical aperture hits the material surface perpendicularly. It can be the case here, for example, that the aberrations also increase as the numerical aperture increases. For example, aberration correction may also be necessary if a Gaussian beam with a small numerical aperture does not strike the surface of the material perpendicularly.
Beispielsweise kann eine Aberrationskorrektur auch notwendig sein, wenn ein quasi nicht- beugender Strahl, beispielsweise ein Besselstrahl, nicht senkrecht auf die Materialoberfläche trifft. For example, an aberration correction may also be necessary if a quasi non-diffractive beam, for example a Bessel beam, does not strike the material surface perpendicularly.
Beispielsweise kann eine Aberrationskorrektur notwendig sein, wenn das Material eine For example, aberration correction may be necessary if the material has a
ortsabhängige Variation des Brechnungsindexes aufweist. Dies kann beispielsweise bei Graded Index Linsen der Fall sein. Beispielsweise kann eine Aberrationskorrektur aber nicht notwendig sein, wenn ein quasi nicht-beugender Strahl senkrecht auf die Materialoberfläche trifft. has location-dependent variation of the refractive index. This can be the case with graded index lenses, for example. For example, aberration correction may not be necessary if a quasi non-diffractive beam hits the material surface perpendicularly.
Die zu bearbeitende Oberfläche des Materials kann gekrümmt sein, wie es beispielsweise bei einem runden oder Zylinder- oder kugelförmigen Material der Fall ist, so dass auch hier eine Aberrationskorrektur analog zu den obenstehenden Beispielen notwendig sein kann. Hierdurch kann erreicht werden, dass einer Aberration der Laserstrahlen durch große Einstrahlwinkel vorgebeugt und dieser vorkompensiert wird, und der Laserstrahl weiterhin wie vorgesehen in die Prozesszone fokussiert wird. Beispielsweise kann die Aberrationskorrektur aber auch so genutzt werden, dass für einen Laserstrahl oder einen Teilstrahl eine andere The surface of the material to be processed can be curved, as is the case, for example, with a round, cylindrical or spherical material, so that an aberration correction analogous to the above examples may be necessary here too. In this way it can be achieved that an aberration of the laser beams due to large angles of incidence is prevented and this is pre-compensated, and the laser beam continues to be focused into the process zone as intended. For example, the aberration correction can also be used in such a way that a different one for one laser beam or a partial beam
Fokussierebene erreicht wird als für einen anderen Laserstrahl oder Teilstrahl. Focusing plane is reached than for a different laser beam or partial beam.
Insbesondere kann die Aberrationskorrektur durch ein diffraktives optisches Element (DOE) vorgenommen werden. Ein DOE erlaubt es mittels Beugungsstrukturen die räumliche Auffächerung des Laserstrahls auf eine vorgegebene Geometrie vorzunehmen. Da die Diffraktion In particular, the aberration correction can be carried out by a diffractive optical element (DOE). A DOE allows the laser beam to be spatially fanned out to a given geometry by means of diffraction structures. Because the diffraction
wellenlängenabhängig ist, ist ein DOE geeignet, Aberrationseffekte in einem optischen System, insbesondere eine refraktiven Linsensystem, zu minimieren. is wavelength-dependent, a DOE is suitable for minimizing aberration effects in an optical system, in particular a refractive lens system.
Des Weiteren ist es möglich, dass die einzelnen Laserstrahlen oder Teilstrahlen durch getrennte optische Elemente fallen. Dadurch kann erreicht werden, dass die einzelnen Laserstrahlen oder Teilstrahlen unabhängig voneinander fokussiert werden können. Zudem sinkt somit der It is also possible for the individual laser beams or partial beams to fall through separate optical elements. In this way it can be achieved that the individual laser beams or partial beams can be focused independently of one another. In addition, the
Justageaufwand für den Gesamtaufbau. Adjustment effort for the overall structure.
Kurze Beschreibung der Figuren Brief description of the figures
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Preferred further embodiments of the invention are illustrated by the following
Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen: Description of the figures explained in more detail. Show:
Figur 1 eine schematische Darstellung zweier Werkstücke, welche an einer Grenzfläche Figure 1 is a schematic representation of two workpieces, which at an interface
aneinander angelegt sind und in welche ein Bearbeitungsstrahl in eine Prozesszone eingebracht ist, welcher sich aus drei Strahlprofilen zusammensetzt, are placed against each other and in which a processing beam is introduced into a process zone, which is composed of three beam profiles,
Figur 2 eine schematische Darstellung dreier Werkstücke, die an zwei Grenzflächen aneinander angelegt sind, und in welche einen Bearbeitungsstrahl in eine Prozesszone eingebracht ist, mittels welchem ein gleichzeitiges Fügen der drei Werkstücke miteinander an ihren jeweiligen Grenzflächen möglich ist, FIG. 2 shows a schematic representation of three workpieces which are placed against one another at two interfaces and in which a machining beam is introduced into a process zone, by means of which the three workpieces can be joined together at their respective interfaces at the same time,
Figur 3 eine schematische Darstellung zweier Werkstücke, in welche zwei Strahlprofile eingebracht werden, wobei ein erstes Strahlprofil von einer ersten Seite des ersten Werkstücks und ein zweites Strahlprofil von einer zweiten Seite des zweiten Werkstücks eingebracht werden, FIG. 3 shows a schematic representation of two workpieces into which two beam profiles are introduced, a first beam profile being introduced from a first side of the first workpiece and a second beam profile being introduced from a second side of the second workpiece,
Figur 4 A, B, C schematische Darstellungen von Vorrichtungen zum Bearbeiten mindestens eines Werkstückes unter Vorschub, Figur 5 Mikroskopbilder einer Prozesszone nach dem Einbringen einer Modifikation in ein Figure 4 A, B, C schematic representations of devices for processing at least one workpiece with feed, FIG. 5 microscope images of a process zone after a modification has been introduced into a
Werkstück mit einem Bearbeitungsstrahl, welcher aus einem Strahlprofil, aus drei Strahlprofilen, aus fünf Strahlprofilen und aus neun Strahlprofilen zusammengesetzt ist, und Workpiece with a processing beam which is composed of a beam profile, three beam profiles, five beam profiles and nine beam profiles, and
Figur 6 einen schematischen Vergleich zwischen Gaußstrahlen und quasi nicht-beugenden FIG. 6 shows a schematic comparison between Gaussian and quasi non-diffractive rays
Strahlen. Rays.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführunqsbeispiele Detailed description of preferred exemplary embodiments
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden. Preferred exemplary embodiments are described below with reference to the figures. Identical, similar or identically acting elements are provided with identical reference numerals in the different figures, and a repeated description of these elements is partially dispensed with in order to avoid redundancies.
In Figur 1 ist schematisch die Anordnung zweier Werkstücke 10,12 gezeigt, welche an einer gemeinsamen Grenzfläche 14 aneinander anliegen. Mit anderen Worten liegt die Unterseite des oberen Werkstücks 10 auf der Oberseite des unteren Werkstücks 12 auf. Die Grenzfläche 14 wird entsprechend direkt durch die Auflage der beiden Werkstücke 10, 12 aufeinander ausgebildet. In FIG. 1, the arrangement of two workpieces 10, 12 is shown schematically, which rest against one another at a common interface 14. In other words, the lower side of the upper workpiece 10 rests on the upper side of the lower workpiece 12. The interface 14 is correspondingly formed directly by the two workpieces 10, 12 resting on one another.
Um die beiden Werkstücke 10,12 an ihrer gemeinsamen Grenzfläche 14 miteinander zu fügen und insbesondere miteinander zu verschweißen, wird mittels der Energie eines gepulsten Laserstrahls 2 eine Modifikation in das Material der Werkstücke 10,12 eingebracht. In order to join the two workpieces 10, 12 to one another at their common interface 14 and in particular to weld them to one another, a modification is made in the material of the workpieces 10, 12 by means of the energy of a pulsed laser beam 2.
Der gepulste Laserstrahl 2 wird dabei in den Werkstücken 10,12 als Bearbeitungsstrahl 3 bereitgestellt, der sich aus drei unterschiedliche Strahlprofile 30, 32, 34 zusammensetzt, welche in einer Prozesszone 4 in das Material der Werkstücke 10,12 eingebracht werden. The pulsed laser beam 2 is provided in the workpieces 10, 12 as a processing beam 3, which is composed of three different beam profiles 30, 32, 34 which are introduced into the material of the workpieces 10, 12 in a process zone 4.
Die Strahlprofile 30, 32, 34 bilden entsprechend gemeinsam den Bearbeitungsstrahl 3 in der Prozesszone 4 aus, mittels dessen die eigentliche Bearbeitung des Materials des Werkstücks 10,12 in der Prozesszone 4 durchgeführt wird. Insbesondere sind die hier gezeigten Strahlprofile 30, 32, 34 schematische Veranschaulichungen der entsprechenden Gauß-Kaustiken der gaußschen Strahlen. The beam profiles 30, 32, 34 correspondingly jointly form the processing beam 3 in the process zone 4, by means of which the actual processing of the material of the workpiece 10, 12 is carried out in the process zone 4. In particular, the beam profiles 30, 32, 34 shown here are schematic illustrations of the corresponding Gaussian caustics of the Gaussian beams.
Die drei Strahlprofile 30, 32, 34 werden in der Figur 1 durch die jeweiligen Strahlen der einzelnen Laserspots ausgebildet und gezeigt. Die drei Strahlprofile 30, 32, 34 sind gegeneinander unter einem Winkel a1 , a2 ausgerichtet. Die Winkelausrichtung ergibt sich durch die Ausgestaltung einer in Figur 1 nicht gezeigten Optik. The three beam profiles 30, 32, 34 are formed and shown in FIG. 1 by the respective beams of the individual laser spots. The three beam profiles 30, 32, 34 are aligned with one another at an angle a1, a2. The angular alignment results from the configuration of an optical system not shown in FIG.
Mit anderen Worten sind die Strahlprofile 30, 32, 34 unter einem Winkel a1 , a2 zueinander ausgerichtet. Die Strahlprofile 30, 32, 34 sind damit auch unter einem Winkel ß1 , ß2, ß3 gegenüber der Oberflächennormalen 1 10 des Werkstücks 10 geneigt. Die Oberflächennormale 1 10 senkrecht auf der Ebene, welche durch die Oberfläche 100 des Werkstücks 10 ausgebildet wird. In other words, the beam profiles 30, 32, 34 are aligned at an angle a1, a2 to one another. The beam profiles 30, 32, 34 are therefore also inclined at an angle β1, β2, β3 with respect to the surface normal 110 of the workpiece 10. The surface normal 110 perpendicular to the plane which is formed by the surface 100 of the workpiece 10.
Insbesondere können die Winkel a1 = 0 und a2 = 0 sein, so dass die Strahlen parallel zueinander verlaufen. Sofern die Winkel ß1 = 0, ß2 = 0 und ß3 = 0 sind, handelt es sich um einen normalen Einfall, also einen Einfall des Lasers parallel zur Oberflächennormalen. In particular, the angles a1 = 0 and a2 = 0, so that the rays run parallel to one another. If the angles ß1 = 0, ß2 = 0 and ß3 = 0, it is a normal incidence, i.e. an incidence of the laser parallel to the surface normal.
Weiterhin sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Strahlprofile 30, 32, 34 zusätzlich zu ihrer Winkelausrichtung auch lateral zueinander versetzt angeordnet. Hierbei findet bevorzugt kein beziehungsweise nur ein unwesentliches Überlappen zwischen den einzelnen Strahlprofilen 30, 32, 34 statt. Furthermore, in the exemplary embodiment shown, the beam profiles 30, 32, 34 are also arranged laterally offset from one another in addition to their angular alignment. In this case, there is preferably no or only an insignificant overlap between the individual beam profiles 30, 32, 34.
Durch die Winkelausrichtung und durch den lateralen Versatz der einzelnen Strahlprofile 30, 32, 34 wird eine Erweiterung des Volumens der Prozesszone 4 erreicht, so dass entsprechend ein vergrößerter Anbindungsquerschnitt erreicht wird. Das Schmelzvolumen liegt dabei in der The angular alignment and the lateral offset of the individual beam profiles 30, 32, 34 achieve an expansion of the volume of the process zone 4, so that a correspondingly enlarged connection cross-section is achieved. The melt volume is in the
Prozesszone 4 und definiert den Anbindungsquerschnitt. Darüber kann erreicht werden, dass aufgrund des vergrößerten Volumens der Prozesszone 4 eine zuverlässigere Bearbeitung der Werkstücke 10,12 erreicht werden kann und insbesondere eine zuverlässigere Schweißnaht zwischen den Werkstücken 10,12 bereitgestellt werden kann, da sich mit der Vergrößerung der Prozesszone 4 auch das Schmelzvolumen in der Prozesszone 4 erhöht. Dies kann insbesondere von Bedeutung sein, wenn die beiden Fügepartner, beispielsweise die beiden Werkstücke 10,12, an ihrer Grenzfläche 14 eine schlechte Planlage aufweisen beziehungsweise Spalten aufweisen, welche überbrückt werden müssen. Durch die größere Prozesszone, kann so mehr Schmelze erzeugt werden, um die Spalte zwischen den Werkstücken 10,12 zu überbrücken beziehungsweise es kann sichergestellt werden, dass Schmelze auch zum Überbrücken eines größeren Spalts zwischen den beiden zu verbindenden Werkstücken bereitgestellt werden kann. Process zone 4 and defines the connection cross-section. It can also be achieved that due to the increased volume of the process zone 4, a more reliable processing of the workpieces 10, 12 can be achieved and in particular a more reliable weld seam can be provided between the workpieces 10, 12, since the increase in the process zone 4 also increases the melt volume increased in process zone 4. This can be of particular importance if the two joining partners, for example the two workpieces 10, 12, have poor flatness at their interface 14 or have gaps which have to be bridged. As a result of the larger process zone, more melt can be generated in order to bridge the gaps between the workpieces 10, 12 or it can be ensured that melt can also be provided to bridge a larger gap between the two workpieces to be connected.
Gleichzeitig wird durch die Vergrößerung der Prozesszone 4 erreicht, dass der Temperatureintrag durch die Absorption des Bearbeitungsstrahls 3 in dem Material der Werkstücke 10,12 auf ein größeres Volumen verteilt wird und entsprechend die Temperaturbelastung der die Prozesszone 4 umgebenden Bereiche reduziert werden kann, da die jeweiligen Temperaturgradienten geringer ausfallen. At the same time, the enlargement of the process zone 4 ensures that the temperature input through the absorption of the machining beam 3 in the material of the workpieces 10, 12 is distributed over a larger volume and, accordingly, the temperature load of the process zone 4 surrounding areas can be reduced, since the respective temperature gradients are lower.
Gleichzeitig wird durch die Verteilung der über den Laserstrahl 2 bereitgestellten Energie auf ein größeres Materialvolumen innerhalb der Werkstücke 10, 12 ein übermäßiges Erhitzen eines kleinen Bereiches innerhalb der Prozesszone 4 vermieden und stattdessen ein größerer Materialbereich erwärmt. Damit können Spannungen, welche sich in den Bereichen um die Prozesszone 4 herum ergeben, insbesondere Spannungen, die sich durch Temperaturgradienten zu dem umgebenden Material bei der Bearbeitung ergeben (transiente Spannungen) oder die sich durch unterschiedliche Abkühlraten der Werkstücke ergeben (verbleibende Restspannung), in den Werkstücken 10, 12 reduziert werden. At the same time, by distributing the energy provided via the laser beam 2 to a larger volume of material within the workpieces 10, 12, excessive heating of a small area within the process zone 4 is avoided and a larger material area is heated instead. In this way, stresses that arise in the areas around the process zone 4, in particular stresses that result from temperature gradients to the surrounding material during processing (transient stresses) or that result from different cooling rates of the workpieces (remaining residual stress), can be the workpieces 10, 12 are reduced.
Die hier gezeigten einzelnen Strahlprofile 30, 32 sind, neben ihrem lateralen Versatz, wie aus Figur 1 zu erkennen, weiterhin auch longitudinal zueinander verschoben. Entsprechend kann eine entsprechende Fokuslagentoleranz erreicht werden, welche eine erleichterte Prozessführung ermöglicht, da eine genaue Ausrichtung und Nachführung der Foki des Bearbeitungsstrahls 3 in die Prozesszone 4 nicht notwendig ist beziehungsweise nicht in dem Maße notwendig ist, wie es bei der Verwendung eines herkömmlichen einzelnen Fokus notwendig wäre. The individual beam profiles 30, 32 shown here are, in addition to their lateral offset, as can be seen from FIG. 1, also shifted longitudinally to one another. Correspondingly, a corresponding focus position tolerance can be achieved, which enables easier process control, since an exact alignment and tracking of the foci of the processing beam 3 in the process zone 4 is not necessary or is not necessary to the extent that is necessary when using a conventional individual focus would.
Zur Einbringung der Laserenergie in die Werkstücke 10,12 im Bereich der Grenzfläche 14 sind die Werkstücke 10,12 bevorzugt transparent beziehungsweise teiltransparent ausgebildet für das Licht des Laserstrahls 2. Entsprechend kann eine Modifikation des Materials des Werkstücks 10, 12 auch in innerhalb des jeweiligen Materials liegenden Bereichen beziehungsweise auf einer der To introduce the laser energy into the workpieces 10, 12 in the area of the interface 14, the workpieces 10, 12 are preferably transparent or partially transparent for the light of the laser beam 2. Accordingly, a modification of the material of the workpiece 10, 12 can also be made within the respective material lying areas or on one of the
Oberfläche 100 des Werkstücks 10, die hier als Eintrittsfläche für den Laserstrahls 2 dient, abgewandten Seite des Werkstücks 10 durchgeführt werden. Mit anderen Worten kann der Energieeintrag durch die Strahlprofile 30,32, 34 innerhalb des Materials durchgeführt werden oder zwischen den Werkstücken 10,12, also insbesondere auch an der Grenzfläche 14. Damit kann ein Verschweißen der beiden Werkstücke 10,12 - quasi durch das Werkstück 10 hindurch - erreicht werden. Surface 100 of the workpiece 10, which here serves as an entry surface for the laser beam 2, can be carried out on the side facing away from the workpiece 10. In other words, the energy input can be carried out through the beam profiles 30, 32, 34 within the material or between the workpieces 10, 12, in particular also at the interface 14. This allows the two workpieces 10, 12 to be welded together - virtually through the workpiece 10 through - can be achieved.
Bei den Strahlprofilen 30, 32, 34 handelt es sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils um Gaußprofile. Je nach gewünschtem Anwendungsbereich können die Strahlprofile 30, 32, 34 jedoch auch andere Strahlform aufweisen und beispielsweise als quasi nicht-beugende Strahlprofile, beispielsweise als Besselprofile, ausgebildet sind. Die einzelnen Gaußschen Strahlprofile 30, 32, 34 sind in der Prozesszone 4 so weit voneinander entfernt, dass eine Überlappung der Strahlprofile nicht beziehungsweise kaum stattfindet. In the exemplary embodiment shown, the beam profiles 30, 32, 34 are each Gaussian profiles. Depending on the desired area of application, the beam profiles 30, 32, 34 can, however, also have other beam shapes and are designed, for example, as quasi-non-diffractive beam profiles, for example as Bessel profiles. The individual Gaussian beam profiles 30, 32, 34 are so far apart from one another in the process zone 4 that the beam profiles do not or hardly overlap.
Insbesondere ist der Abstand zwischen den Strahlprofilen 30, 32, 34 bevorzugt größer als deren laterale Ausdehnung und insbesondere der Durchmesser der Strahltaillen. In particular, the distance between the beam profiles 30, 32, 34 is preferably greater than their lateral extent and in particular the diameter of the beam waist.
Dabei können bevorzugt die drei Strahlprofile 30, 32, 34 einen lateralen Versatz zueinander aufweisen, welcher größer ist als die Strahltaille. The three beam profiles 30, 32, 34 can preferably have a lateral offset to one another which is greater than the beam waist.
Die drei Strahlprofile 30, 32, 34 können auch bevorzugt einen longitudinalen Versatz zueinander aufweisen, welcher größer ist als die Rayleigh Länge, der jeweiligen Strahlprofile. The three beam profiles 30, 32, 34 can also preferably have a longitudinal offset to one another which is greater than the Rayleigh length of the respective beam profiles.
Der Versatz zwischen den Strahlprofilen 30, 32, 34 ist als absoluter Abstand zwischen den einzelnen Strahlprofilen 30, 32, 34 zu sehen, der entsprechend zwischen den Positionen der jeweiligen Strahltaillen bestimmt wird. The offset between the beam profiles 30, 32, 34 is to be seen as the absolute distance between the individual beam profiles 30, 32, 34, which is determined accordingly between the positions of the respective beam waist.
Beispielsweise bei einer senkrechten, in Richtung der Oberflächennormalen 1 10 des Werkstücks 10 liegenden Ausrichtung der Strahlprofile 30, 32, 34, kann die Abstandsbestimmung in einer Ebene vorgenommen werden, welche senkrecht zu der Oberflächennormalen 1 10 und damit auch senkrecht zur Einstrahlungsrichtung des jeweiligen, den Bearbeitungsstrahl 3 ausmachenden Laserstrahls 2 liegt. For example, in the case of a vertical alignment of the beam profiles 30, 32, 34 in the direction of the surface normal 1 10 of the workpiece 10, the distance can be determined in a plane which is perpendicular to the surface normal 1 10 and thus also perpendicular to the direction of irradiation of the respective, the Machining beam 3 making up laser beam 2 lies.
Sind die Gaußschen Strahlprofile 30, 32, 34 hingegen unter einem Winkel zueinander angeordnet, so wird der Abstand durch eine gerade Verbindungslinie zwischen den jeweiligen geometrischen Fokuspunkten beziehungsweise den Fokuszonen bestimmt. Diese Verbindungslinie liegt nicht zwangsläufig in einer durch das jeweilige kartesische Koordinatensystem vorgegebenen If, on the other hand, the Gaussian beam profiles 30, 32, 34 are arranged at an angle to one another, the distance is determined by a straight connecting line between the respective geometric focal points or the focal zones. This connecting line does not necessarily lie in one that is predetermined by the respective Cartesian coordinate system
Hauptebene. Mit anderen Worten kann die Verbindungslinie zur Bestimmung des Abstands zwischen den einzelnen Strahlprofilen 30, 32, 34 in einer beliebigen Ausrichtung innerhalb des Volumens des jeweiligen Werkstücks 10, 12 liegen. Main level. In other words, the connecting line for determining the distance between the individual beam profiles 30, 32, 34 can lie in any orientation within the volume of the respective workpiece 10, 12.
Die Strahlprofile 30, 32, 34 können insbesondere einen Versatz aufweisen, insbesondere einen lateralen Versatz, welcher in beide lateralen Dimensionen, also innerhalb einer senkrecht zur Einfallsrichtung des Laserstrahls 2 beziehungsweise des Bearbeitungsstrahls 3 stehenden Ebene, angeordnet ist. Insbesondere können so beispielsweise auch rotationssymmetrische Strahlprofile erzeugt werden - beispielsweise durch die Ausbildung konzentrisch zueinander angeordneter, voneinander beabstandeter Strahlprofile. Entsprechend haben die drei Strahlprofile 30, 32, 34 in der Prozesszone 4 einen Versatz zueinander, der lateral und/oder longitudinal ausgeprägt sein kann, derart, dass der Abstand zwischen den Strahlprofilen 30, 32, 34 so groß ist, dass eine Überlappung nicht oder nur - bezogen auf den Energieeintrag in die Prozesszone 4 - unwesentlich stattfindet. The beam profiles 30, 32, 34 can in particular have an offset, in particular a lateral offset, which is arranged in both lateral dimensions, i.e. within a plane perpendicular to the direction of incidence of the laser beam 2 or the processing beam 3. In particular, it is also possible, for example, to generate rotationally symmetrical beam profiles - for example, by forming beam profiles that are concentrically arranged and spaced apart from one another. Correspondingly, the three beam profiles 30, 32, 34 in the process zone 4 are offset from one another, which can be pronounced laterally and / or longitudinally, in such a way that the distance between the beam profiles 30, 32, 34 is so large that an overlap is not or only takes place insignificantly - based on the energy input into the process zone 4.
Mit anderen Worten sind die Strahlprofile 30, 32, 34 so in der Prozesszone 4 angeordnet, dass sich die jeweiligen Absorptionsbereiche des Bearbeitungsstrahls 3 für die einzelnen Strahlprofile 30, 32, 34 nicht überlappen. Die in der Prozesszone 4 durch die Absorption der Energie des In other words, the beam profiles 30, 32, 34 are arranged in the process zone 4 in such a way that the respective absorption areas of the processing beam 3 for the individual beam profiles 30, 32, 34 do not overlap. The in the process zone 4 by the absorption of the energy of the
Ultrakurzpulslasers 2 entstehende Schmelzzone, welche in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dem Volumen der Prozesszone 4 entspricht, ist hingegen so ausgebildet, dass sie sämtliche Absorptionsbereiche (also alle Strahlprofile) des Bearbeitungsstrahls 3 umfasst. By contrast, the melting zone produced by the ultrashort pulse laser 2, which in this exemplary embodiment essentially corresponds to the volume of the process zone 4, is designed in such a way that it encompasses all absorption areas (that is to say all beam profiles) of the processing beam 3.
Entsprechend findet ein Energieeintrag durch Absorption der einzelnen Pulse des Correspondingly, energy is introduced through the absorption of the individual pulses
Ultrakurzpulslasers in der Prozesszone 4 in unterschiedlichen, sich nicht überlappenden lokalen Volumina der Prozesszone 4 statt. Die sich aus dem Energieeintrag ergebende Ultrashort pulse laser in the process zone 4 in different, non-overlapping local volumes of the process zone 4 instead. The one resulting from the energy input
Temperaturerhöhung, welche schlussendlich zur Modifikation des in der Prozesszone 4 vorliegenden Materials, insbesondere zu dessen Aufschmelzen, führt, liegt jedoch in einem Bereich vor, welcher mindestens zwei Strahlprofile 30, 32, 34, bevorzugt alle Strahlprofile 30, 32, 34, umfasst. Die Verbindung der in die einzelnen Absorptionsbereiche der Strahlprofile 30, 32, 34 eingetragenen Energie zu einem gemeinsamen Modifikationsbereich beziehungsweise zu der Prozesszone 4 wird über Wärmediffusionsprozesse innerhalb des Materials der Werkstücke 10, 12 erreicht. However, an increase in temperature, which ultimately leads to the modification of the material present in the process zone 4, in particular to its melting, is present in an area which comprises at least two beam profiles 30, 32, 34, preferably all beam profiles 30, 32, 34. The connection of the energy introduced into the individual absorption areas of the beam profiles 30, 32, 34 to a common modification area or to the process zone 4 is achieved via heat diffusion processes within the material of the workpieces 10, 12.
Damit ergibt sich eine räumlich voneinander getrennte Verteilung der individuellen This results in a spatially separate distribution of the individual
Energieabsorption des eingestrahlten Ultrakurzpulslasers 2 innerhalb der Prozesszone 4, der resultierende Schmelzbereich ist jedoch zusammenhängend ausgebildet. Energy absorption of the irradiated ultrashort pulse laser 2 within the process zone 4, but the resulting melting range is designed to be coherent.
Die Strahlprofile 30, 32, 34 können auch in Form eines quasi nicht-beugenden Strahlprofils, beispielsweise eines Besselprofils, bereitgestellt werden. Hierzu wird der eintreffenden Laserstrahl 2 beziehungsweise der Bearbeitungsstrahl 3 über entsprechende optische Elemente aufbereitet, beispielsweise durch das Vorsehen eines Axicon, der zur Ausbildung von quasi nicht-beugenden Strahlprofilen, beispielsweise Besselprofilen, in der Prozesszone 4 führen kann. The beam profiles 30, 32, 34 can also be provided in the form of a quasi non-diffractive beam profile, for example a Bessel profile. For this purpose, the incoming laser beam 2 or the processing beam 3 is processed via appropriate optical elements, for example by providing an axicon, which can lead to the formation of quasi non-diffractive beam profiles, for example Bessel profiles, in the process zone 4.
Durch die Bereitstellung der mindestens zwei Strahlprofile 30, 32, 34 in der Prozesszone 4 bei Verwendung eines Ultrakurzpulslasers findet ein lokales Aufschmelzen des Materials des jeweiligen Werkstücks 10,12 im Bereich der Prozesszone statt. Mit anderen Worten wird durch das Einbringen der ultrakurzen Laserpulse in die Prozesszone 4 und der jeweiligen Absorption von gepulster Laserenergie in der Prozesszone 4 eine Modifikation des Materials eingeschrieben. By providing the at least two beam profiles 30, 32, 34 in the process zone 4 when an ultrashort pulse laser is used, the material of the respective workpiece 10, 12 is melted locally in the area of the process zone. In other words, by bringing in the ultrashort laser pulses in the process zone 4 and the respective absorption of pulsed laser energy in the process zone 4, a modification of the material is written.
Fokussiert man beispielsweise ultrakurze Laserpulse in das Materialvolumen von Glas, beispielsweise von Quarzglas, führt die im jeweiligen Fokus vorliegende hohe Energie zu nichtlinearen Absorptionsprozessen, wodurch die entsprechenden Materialmodifikationen - abhängig von den jeweiligen Laserparametern - eine entsprechende Materialmodifikation in dem Material induziert werden können. If, for example, ultrashort laser pulses are focused in the material volume of glass, for example quartz glass, the high energy present in the respective focus leads to non-linear absorption processes, whereby the corresponding material modifications - depending on the respective laser parameters - a corresponding material modification can be induced in the material.
Wenn der zeitliche Pulsabstand der einzelnen ultrakurzen Laserpulse kürzer ist, als die typische Wärmediffusionszeit des jeweiligen Materials in der Prozesszone 4, und insbesondere des jeweiligen Glasmaterials, erhöht sich die Temperatur im Bereich des Fokus durch eine If the time interval between the individual ultrashort laser pulses is shorter than the typical heat diffusion time of the respective material in the process zone 4, and in particular of the respective glass material, the temperature in the area of the focus increases by a
entsprechende Wärmeakkumulation von Puls zu Puls. Diese Erhöhung der Temperatur kann bei einer entsprechenden Dimensionierung zu einem lokalen Aufschmelzen des Materials im Bereich der Prozesszone 4 führen. Wird die genannte Modifikation, also das Aufschmelzen des Materials im Bereich der Prozesszone 4, in die Grenzfläche 14 zwischen den beiden Werkstücken 10,12 angeordnet beziehungsweise im Bereich der Grenzfläche 14 induziert, so kann, nach einem Aufschmelzen des Materials und einem anschließenden Abkühlen der Schmelze, eine stabile Verbindung zwischen den Werkstücken 10,12 erreicht werden. corresponding heat accumulation from pulse to pulse. With an appropriate dimensioning, this increase in temperature can lead to a local melting of the material in the area of the process zone 4. If the modification mentioned, i.e. the melting of the material in the area of the process zone 4, is arranged in the interface 14 between the two workpieces 10, 12 or is induced in the area of the interface 14, after the material has melted and the melt subsequently cooled , a stable connection between the workpieces 10,12 can be achieved.
Beim Verschweißen transparenter Werkstücke 10,12 beziehungsweise beim Verschweißen eines (oberen) transparenten Werkstücks 10 mit einem darunterliegenden opaken Werkstück 12 findet ein Verschweißen durch den oberen Fügepartner, also das transparente Werkstücke 10 hindurch statt, wobei eine Fokussierung in die Grenzfläche 14 zwischen den beiden Werkstücken 10,12 stattfindet. When welding transparent workpieces 10, 12 or when welding an (upper) transparent workpiece 10 with an underlying opaque workpiece 12, welding takes place through the upper joining partner, i.e. the transparent workpiece 10, with a focus in the interface 14 between the two workpieces 10.12 takes place.
Im Verlauf der Wärmeakkumulation der Laserpulse von Puls zu Puls verschiebt sich die In the course of the heat accumulation of the laser pulses from pulse to pulse, the
Absorptionszone durch das Aufschmelzen des Materials in der Prozesszone 4 in Richtung des Strahleinfalls des Ultrakurzpulslasers, so dass sich bei einem herkömmlichen Schweißverfahren eine in Richtung des Strahleinfalls des Ultrakurzpulslasers longitudinal elongierte Schweißnaht ergibt. Absorption zone due to the melting of the material in the process zone 4 in the direction of the beam incidence of the ultrashort pulse laser, so that in a conventional welding process a weld seam elongated longitudinally in the direction of the beam incidence of the ultrashort pulse laser results.
Durch die hier vorgeschlagene Zusammensetzung des Bearbeitungsstrahls 3 in der Prozesszone 4 aus mindestens zwei Strahlprofilen 30, 32, 34, welche zueinander einen lateralen Versatz und/oder einen longitudinalen Versatz und/oder eine Winkelausrichtung aufweisen, wobei auch anstelle eines herkömmlichen Gaußprofils ein quasi nicht-beugendes Strahlprofil, beispielsweise ein Besselprofil, verwendet werden kann, kann die Ausbildung einer solchen (dynamisch) longitudinal elongierten Schweißnaht reduziert werden. Due to the composition of the processing beam 3 in the process zone 4 proposed here from at least two beam profiles 30, 32, 34, which have a lateral offset and / or a longitudinal offset and / or an angular alignment to one another, whereby instead of a conventional Gaussian profile, a quasi non- diffractive beam profile, for example a Bessel profile, can be used, the formation of such a (dynamically) longitudinally elongated weld seam can be reduced.
Durch die vorgeschlagene Zusammensetzung des Bearbeitungsstrahls 3 aus mindestens zwei Strahlprofilen 30, 32, 34, welche lateral und/oder longitudinal und/oder unter einem Winkel zueinander versetzt sind, kann entsprechend der Anbindungsquerschnitt vergrößert werden, wodurch die Festigkeit der Fügeverbindung verbessert werden kann. The proposed composition of the machining beam 3 from at least two beam profiles 30, 32, 34, which are offset laterally and / or longitudinally and / or at an angle to one another, the connection cross-section can be increased accordingly, whereby the strength of the joint can be improved.
Gleichzeitig kann aus verfahrenstechnischer Sicht die Fokuslagentoleranz vorteilhaft verbessert werden. Insbesondere kann erreicht werden, dass auch bei einer nicht vollständig planen At the same time, from a procedural point of view, the focus position tolerance can advantageously be improved. In particular, it can be achieved that even if one does not plan completely
Grenzfläche 14 zwischen den Werkstücken 10, 12 dennoch eine zuverlässige Ausbildung einer Schweißnaht erreicht wird. At the interface 14 between the workpieces 10, 12 a reliable formation of a weld seam is achieved.
In Figur 2 ist schematisch ein Verfahren gezeigt, bei welchem drei Werkstücke 10, 12, 16 miteinander gefügt werden sollen. Die Werkstücke 10,12, 16 sind dabei aufeinanderliegend angeordnet, wobei sich entsprechend zwischen dem Werkstück 10 und dem darunterliegenden Werkstück 12 eine Grenzfläche 14 und zwischen dem Werkstück 12 und dem darunterliegenden Werkstück 16 eine weitere Grenzfläche 18 ergibt. An den Grenzflächen 14 und 18 findet entsprechend ein Aufeinanderliegen der jeweiligen Werkstücke 10,12, 16 statt. A method is shown schematically in FIG. 2 in which three workpieces 10, 12, 16 are to be joined together. The workpieces 10, 12, 16 are arranged one on top of the other, with an interface 14 between the workpiece 10 and the workpiece 12 below and a further interface 18 between the workpiece 12 and the workpiece 16 below. Correspondingly, the respective workpieces 10, 12, 16 lie on top of one another at the boundary surfaces 14 and 18.
Die Prozesszone 4 erstreckt sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel derart, dass sie die beiden Grenzflächen 14, 18 überspannt. In der Prozesszone 4 sind ein erstes Strahlprofil 30 und ein zweites Strahlprofil 32 vorgesehen. In dieser schematischen Darstellung wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit darauf verzichtet, noch weitere Strahlprofile einzuzeichnen. Es können jedoch mehr als die zwei gezeigten Strahlprofile vorgesehen sein, um zusammengesetzt als In the exemplary embodiment shown, the process zone 4 extends in such a way that it spans the two boundary surfaces 14, 18. A first beam profile 30 and a second beam profile 32 are provided in the process zone 4. For the sake of clarity, no further beam profiles have been drawn in in this schematic representation. However, more than the two beam profiles shown can be provided in order to be composed as
Bearbeitungsstrahl 3 in der Prozesszone 4 entsprechend eine Modifikation in das Material einzubringen. Processing beam 3 in the process zone 4 to introduce a modification into the material accordingly.
Ein Strahlprofil 30 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel so in der Prozesszone 4 angeordnet, dass dessen Fokus im Wesentlichen in der Ebene der Grenzfläche 14 liegt. Damit kann im Bereich der Grenzfläche 14 eine entsprechende Modifikation in das Material der angrenzenden Werkstücke 10,12 eingebracht werden, welche beispielsweise zum Aufschmelzen des Materials der Werkstücke 10, 12 führen kann derart, dass dann schließlich eine Schweißnaht zwischen dem Werkstück 10 und dem Werkstück 12 im Bereich der Grenzfläche 14 bereitgestellt wird. Ein zweites Strahlprofil 32 ist in diesem Ausführungsbeispiel in der Prozesszone 4 so angeordnet, dass es mit seinem Fokus im Wesentlichen in der Ebene der Grenzfläche 18 zwischen dem zweiten Werkstück 12 und dem dritten Werkstück 16 liegt. Entsprechend kann hier durch eine Absorption der Energie des Bearbeitungsstrahls 3 und insbesondere durch eine Absorption der im Bereich des Fokus des Strahlprofils 32 im Bereich der Grenzfläche 18 eingebrachten Energie ein Aufschmelzen des Materials des zweiten Werkstücks 12 und des dritten Werkstücks 16 erreicht werden. In the exemplary embodiment shown, a beam profile 30 is arranged in the process zone 4 such that its focus lies essentially in the plane of the interface 14. In this way, a corresponding modification can be introduced into the material of the adjacent workpieces 10, 12 in the area of the interface 14, which, for example, can lead to the melting of the material of the workpieces 10, 12 such that finally a weld seam between the workpiece 10 and the workpiece 12 is provided in the area of the interface 14. In this exemplary embodiment, a second beam profile 32 is arranged in the process zone 4 in such a way that its focus lies essentially in the plane of the interface 18 between the second workpiece 12 and the third workpiece 16. Correspondingly, by absorbing the energy of the machining beam 3 and in particular by absorbing the energy introduced in the region of the focus of the beam profile 32 in the region of the interface 18, the material of the second workpiece 12 and the third workpiece 16 can be melted.
In dem hier spezifisch gezeigten Ausführungsbeispiel weisen das erste Strahlprofil 30 und das zweite Strahlprofil 32 einen longitudinalen Versatz LO auf, der im Wesentlichen dem Abstand zwischen den durch die Grenzflächen 14 und 18 definierten Ebenen entspricht. In the exemplary embodiment specifically shown here, the first beam profile 30 and the second beam profile 32 have a longitudinal offset LO which essentially corresponds to the distance between the planes defined by the boundary surfaces 14 and 18.
Durch den Energieeintrag der Strahlprofile 30, 32 im Bereich der Prozesszone 4 findet The energy input of the beam profiles 30, 32 in the area of the process zone 4 takes place
entsprechend eine Modifikation des Materials und insbesondere ein Aufschmelzen des Materials in der Prozesszone 4 statt, welches die beiden Grenzflächen 14,18 überbrückt. Accordingly, a modification of the material and in particular a melting of the material in the process zone 4 takes place, which bridges the two interfaces 14, 18.
In dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel liegen die Strahlprofile 30, 32 weiterhin auch unter einem Winkel ß1 und ß2 gegenüber der Oberflächennormalen 110 vor, sodass hier gleichzeitig zu dem lateralen Versatz LA sowie dem longitudinalen Versatz LO auch ein Winkelversatz zwischen den beiden Strahlprofilen 30, 32 vorliegt, um auf diese Weise einen vorteilhaften Energieeintrag in die Prozesszone 4 zu erreichen. In the exemplary embodiment shown in FIG. 2, the beam profiles 30, 32 are also at an angle β1 and β2 with respect to the surface normal 110, so that here, at the same time as the lateral offset LA and the longitudinal offset LO, there is also an angular offset between the two beam profiles 30, 32 is present in order to achieve an advantageous introduction of energy into the process zone 4 in this way.
Mit dem gezeigten Verfahren ist es entsprechend möglich, mehr als zwei Fügepartner gleichzeitig miteinander zu fügen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel werden beispielsweise drei With the method shown, it is accordingly possible to join more than two joining partners together at the same time. In the embodiment shown, for example, three
Werkstücke 10, 12, 16 an ihren jeweiligen Grenzflächen 14, 18 miteinander gefügt. Workpieces 10, 12, 16 are joined to one another at their respective interfaces 14, 18.
Selbstverständlich ist das Verfahren nicht begrenzt auf das Fügen von drei Werkstücken 10, 12, 16, sondern es kann auch eine größere Anzahl an Werkstücken miteinander gefügt werden. Of course, the method is not limited to joining three workpieces 10, 12, 16, but a larger number of workpieces can also be joined together.
Entsprechend kann in einem einzigen Bearbeitungsdurchgang durch das Einstrahlen des Correspondingly, in a single processing pass through the radiation of the
Bearbeitungsstrahls 3 in die Prozesszone 4, wobei sich der Bearbeitungsstrahl 3 aus mindestens zwei Strahlprofilen 30, 32, 34 zusammensetzt, ein gleichzeitiges Fügen von mehreren Werkstücken miteinander erreicht werden. Processing beam 3 into the process zone 4, wherein the processing beam 3 is composed of at least two beam profiles 30, 32, 34, a simultaneous joining of several workpieces can be achieved.
In Figur 3 ist eine weitere schematische Darstellung eines Verfahrens gezeigt, bei welchem wiederum in einer Prozesszone 4 ein Bearbeitungsstrahl 3 zusammengesetzt wird aus mindestens zwei Strahlprofilen 30,32. Die Strahlprofile 30, 32 liegen dabei exemplarisch jeweils in einem der beiden an einer Grenzfläche 14 miteinander aneinander anliegenden Werkstücke 10,12. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel findet die Bereitstellung des ersten Strahlprofils 30 über einen ersten Laserstrahl 2 statt, welcher von außerhalb des ersten Werkstücks 10 eingestrahlt wird. Die Bereitstellung des zweiten Strahlprofils 32 findet durch einen zweiten Laserstrahl 2‘ statt, welcher von außerhalb des zweiten Werkstücks 12 eingestrahlt wird. FIG. 3 shows a further schematic representation of a method in which a processing beam 3 is again composed in a process zone 4 from at least two beam profiles 30, 32. The beam profiles 30, 32 each lie, for example, in one of the two workpieces 10, 12 resting against one another at an interface 14. In the exemplary embodiment shown, the provision of the first beam profile 30 takes place via a first laser beam 2, which is irradiated from outside the first workpiece 10. The second beam profile 32 is provided by a second laser beam 2 ′, which is irradiated from outside the second workpiece 12.
Mit anderen Worten sind der erste Laserstrahl 2 und der zweite Laserstrahl 2‘ in diesem In other words, the first laser beam 2 and the second laser beam 2 ‘in this
Ausführungsbeispiel so angeordnet, dass sie aus unterschiedlichen Richtungen in die beiden Werkstücke 10, 12 einstrahlen. Embodiment arranged so that they radiate into the two workpieces 10, 12 from different directions.
Auf diese Weise kann erreicht werden, dass das jeweilige, in die Prozesszone 4 eingebrachte Strahlprofil 30, 32 beispielsweise an die jeweiligen Materialeigenschaften des Werkstücks 10, 12 angepasst werden kann. Weiterhin ist es auf diese Weise einfach möglich, die Strahlprofile 30, 32 mit unterschiedlichen Energien zu versehen. In this way it can be achieved that the respective beam profile 30, 32 introduced into the process zone 4 can be adapted, for example, to the respective material properties of the workpiece 10, 12. Furthermore, it is easily possible in this way to provide the beam profiles 30, 32 with different energies.
In Figur 4A ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 zum Bearbeiten mindestens zweier Werkstücke 10, 12 gezeigt. FIG. 4A shows a schematic representation of an apparatus 1 for processing at least two workpieces 10, 12.
Die Vorrichtung 1 umfasst eine Strahlquelle 200 zur Erzeugung eines Laserstrahls 2, welcher über eine Optik 5 auf und in die Werkstücke 10, 12 geleitet wird. The device 1 comprises a beam source 200 for generating a laser beam 2, which is guided onto and into the workpieces 10, 12 via an optical system 5.
Die Optik 5 umfasst dabei einen schematisch angedeuteten Kondensator 50 zur Aufbereitung der Strahlqualität des Laserstrahls 2, eine schematische angedeutete strahlformende Einheit 52 sowie eine schematisch dargestellte Fokussieroptik 54. The optics 5 here include a schematically indicated capacitor 50 for conditioning the beam quality of the laser beam 2, a schematically indicated beam-shaping unit 52 and a schematically illustrated focusing optics 54.
Die Fokussieroptik 54 dient dazu, die von der strahlformende Einheit 52 bereitgestellten The focusing optics 54 are used to provide those provided by the beam-shaping unit 52
Strahlmuster in die Werkstücke 10, 12 herein zur fokussieren, um auf diese Weise die To focus beam pattern in the workpieces 10, 12 in order to in this way the
unterschiedlichen Strahlprofile 30, 32 innerhalb der Prozesszone 4 in den Werkstücken 10, 12 bereitzustellen. Die Strahlprofile 30, 32 sind jeweils in den beiden in der Figur 4 gezeigten to provide different beam profiles 30, 32 within the process zone 4 in the workpieces 10, 12. The beam profiles 30, 32 are each shown in the two shown in FIG
Teilstrahlen angeordnet. In diesen Bereichen wird Energie in das Material der Werkstücke 10, 12 eingetragen. Partial beams arranged. In these areas, energy is introduced into the material of the workpieces 10, 12.
Mittels der strahlformenden Elemente 52 kann das entsprechende Strahlmuster, welches schlussendlich zur Erzeugung der den Bearbeitungsstrahl 3 zusammensetzenden Strahlprofile 30, 32 in den Werkstücken 10, 12 führt, erzeugt werden. By means of the beam-shaping elements 52, the corresponding beam pattern, which ultimately leads to the generation of the beam profiles 30, 32 composing the machining beam 3 in the workpieces 10, 12, can be generated.
Wenn die strahlformende Einheit 52 aktiv ansteuerbar ist, beispielsweise in Form eines akusto- optischen Deflektors (AOD), kann die Lage, Ausrichtung und Intensität der Strahlprofile 30, 32 in den Werkstücken 10,12 dynamisch eingestellt werden beziehungsweise an die jeweiligen If the beam-shaping unit 52 can be actively controlled, for example in the form of an acousto-optical deflector (AOD), the position, alignment and intensity of the beam profiles 30, 32 in FIG the workpieces 10,12 are set dynamically or to the respective
Materialeigenschaften der Werkstücke 10,12 angepasst werden. Dies kann beispielsweise darüber geschehen, dass mittels der strahlformenden Einheit 52 ein Versatz von Teilstrahlen bezüglich der optischen Achse der Fokussieroptik 54 so eingestellt wird, dass entsprechend eine Verschiebung der Strahlprofile 30, 32 stattfindet, welche beispielsweise in einem lateralen Versatz und/oder einem longitudinalen Versatz und/oder einem Winkelversatz der einzelnen Strahlprofile zueinander resultiert. Material properties of the workpieces 10,12 are adapted. This can be done, for example, by using the beam-shaping unit 52 to set an offset of partial beams with respect to the optical axis of the focusing optics 54 in such a way that the beam profiles 30, 32 are shifted accordingly, for example in a lateral offset and / or a longitudinal offset and / or an angular offset between the individual beam profiles results.
Eine strahlformende Einheit 52 kann aber auch dazu verwendet werden, die Aberrationen der Teilstrahlen so auszugleichen oder vorzukompensieren, dass für die verschiedenen Teilstrahlen mit der Fokussiereinheit 54 unterschiedliche Fokuspunkte erreicht werden. A beam-shaping unit 52 can, however, also be used to compensate or precompensate the aberrations of the partial beams in such a way that different focus points are achieved for the various partial beams with the focusing unit 54.
Ein Axicon 56 kann vorgesehen sein, um mittels der Optik 5 einen quasi nicht-beugenden Strahl, beispielsweise einen Besselstrahl, bereitzustellen. An axicon 56 can be provided in order to provide a quasi non-diffractive beam, for example a Bessel beam, by means of the optics 5.
Die Parameter der Strahlquelle 200 und der Optik 5 können dabei beispielsweise wie folgt gewählt sein: The parameters of the beam source 200 and the optics 5 can be selected as follows, for example:
Wellenlänge zwischen 200 nm und 5000 nm Wavelength between 200 nm and 5000 nm
- Repetitionsrate zwischen 100 Hz und 50 MHz (optional Bursts wobei die Repetitionsrate der Pulse im Burst zwischen 1 MHz und 50GHz liegen kann) - Repetition rate between 100 Hz and 50 MHz (optional bursts where the repetition rate of the pulses in the burst can be between 1 MHz and 50 GHz)
- Laserpulsdauer zwischen 10 fs und 50 ps - Laser pulse duration between 10 fs and 50 ps
- Fokussierung so, dass Fluenz in den Strahlprofilen >0.01 J/cm2 (Modifikationsschwelle im Volumen typischerweise zwischen 1-5 J/cmz) - Focusing so that fluence in the beam profiles> 0.01 J / cm2 (modification threshold in the volume typically between 1-5 J / cm2)
- Relativer Vorschub des/der Werkstücke zum Bearbeitungsstrahl zwischen 0.01 und 1000 mm/s - Relative advance of the work piece (s) to the machining beam between 0.01 and 1000 mm / s
- Winkel, unter dem Bearbeitungsteilstrahlen in ein Werkstück eintreffen zwischen 0° und 45° (in Luft). - Angle at which the partial processing beams hit a workpiece between 0 ° and 45 ° (in air).
In Figur 4B ist analog zur Figur 4A eine Vorrichtung 1 zum Bearbeiten mindestens eines In FIG. 4B, analogously to FIG. 4A, there is a device 1 for processing at least one
Werkstücks gezeigt. Im Unterschied zur Vorrichtung 1 aus Figur 4A, weist die Vorrichtung 1 in Figur 4B getrennte Fokussieroptiken 54 auf, die die von der strahlformende Einheit 52 bereitgestellten Strahlmuster in die Werkstücke 10, 12 herein fokussieren. Durch die getrennten Fokussieroptiken für die Teilstrahlen aus der strahlformenden Einheit 52 ist es möglich, die Teilstrahlen getrennt voneinander zu fokussieren. Beispielsweise können die Teilstrahlen in unterschiedliche Ebenen fokussiert werden. Zudem sinkt so der Justageaufwand für den Gesamtaufbau, wobei gleichzeitig eine flexiblere Fokussierung ermöglicht wird. Workpiece shown. In contrast to the device 1 from FIG. 4A, the device 1 in FIG. 4B has separate focusing optics 54 which focus the beam pattern provided by the beam-shaping unit 52 into the workpieces 10, 12. Due to the separate focusing optics for the partial beams from the beam-shaping unit 52, it is possible to focus the partial beams separately from one another. For example, the partial beams can be focused in different planes. In addition, the adjustment effort for the overall structure is reduced, while at the same time allowing more flexible focusing.
Mit den Aufbauten der Figuren 4 A, B können auch die vorliegenden Strahlprofile und/oder die Werkstücke beim Vorschub gedreht werden, so dass durch die Drehung eine Symmetrisierung des Anbindungsquerschnitts insbesondere bezüglich der Vorschubrichtung erfolgt. Durch die Drehung des Strahlquerschnitts und/oder des Werkstücks können so auch bei geschwungenen With the structures of FIGS. 4 A, B, the present beam profiles and / or the workpieces can also be rotated during feed, so that the rotation results in a symmetrization of the connection cross section, in particular with regard to the feed direction. By rotating the beam cross-section and / or the workpiece, you can also use the curved
Vorschubtrajektorien gleichgroße Anbindungsquerschnitte über die gesamte Länge der Feed trajectories of the same size connection cross-sections over the entire length of the
Vorschubtrajektorie erzeugt werden. Beispielsweise kann der Vorschub über einen xy-Tisch des Werkstücks realisiert werden, während eine Spiegeloptik das Strahlprofil dreht. Wenn ein Strahl beispielsweise in einer Richtung besonders ausgedehnt ist, also insbesondere oval oder elliptisch ist, dann kann die lange Achse des Strahls immer senkrecht zur Vorschubtrajektorie gehalten werden, wodurch der Anbindungsquerschnitt groß wird. Umgekehrt kann auch die kurze Achse immer senkrecht zur Vorschubtrajektorie gehalten werden, wodurch der Anbindungsquerschnitt besonders klein wird. Feed trajectory are generated. For example, the feed can be implemented via an xy table on the workpiece, while mirror optics rotate the beam profile. If, for example, a beam is particularly extended in one direction, that is to say in particular oval or elliptical, then the long axis of the beam can always be kept perpendicular to the feed trajectory, whereby the connection cross-section becomes large. Conversely, the short axis can always be kept perpendicular to the feed trajectory, which makes the connection cross-section particularly small.
In Figur 4C sind die Auswirkungen der Drehung des Strahlprofils während des Vorschubs gezeigt. Die kurze Achse des Strahlprofils 30 ist immer senkrecht zur Vorschubtrajektorie V gehalten. Dadurch ergibt sich ein homogener Anbindungsquerschnitt. Beispielsweise ist die Ausdehnung des Anbindungsquerschnitts orthogonal zur Vorschubtrajektorie immer gleich groß. FIG. 4C shows the effects of the rotation of the beam profile during the advance. The short axis of the beam profile 30 is always kept perpendicular to the feed trajectory V. This results in a homogeneous connection cross-section. For example, the extension of the connection cross-section orthogonal to the feed trajectory is always the same.
In Figur 5 sind in einem Mikroskopbild schematisch vier unterschiedliche Resultate eines In FIG. 5, four different results are schematically shown in a microscope image
Bearbeitungsvorgangs gezeigt, bei welchen die Anzahl der Strahlprofile in der Prozesszone, welche in das jeweilige Werkstück beziehungsweise die Werkstücke eingebracht werden, variiert werden. Machining process shown in which the number of beam profiles in the process zone, which are introduced into the respective workpiece or the workpieces, are varied.
Bei der Ordnungsnummer 1 wurde lediglich ein einziges Strahlprofil in die Prozesszone eingebracht. Dies entspricht dem herkömmlichen Schweißverfahren mit einem einzigen in das Werkstück hereinfokussierten Strahlprofil. With ordinal number 1, only a single beam profile was introduced into the process zone. This corresponds to the conventional welding process with a single beam profile focused into the workpiece.
In dem Mikroskopbild mit den Ordnungsnummern 3, 5 und 9 sind in die jeweilige Prozesszone entsprechend 3, 5 oder 9 Strahlprofile herein fokussiert worden, welche gemeinsam den In the microscope image with the order numbers 3, 5 and 9, 3, 5 or 9 beam profiles have been focussed into the respective process zone
Bearbeitungsstrahl in der Prozesszone zusammengesetzt haben. Zu erkennen ist, dass sich mit der Anzahl der eingebrachten Strahlprofile auch das Volumen der Prozesszone 4 erhöht, welches hier schematisch durch ein eingeschriebenes Rechteck symbolisiert ist. Daraus ergibt sich auch sofort, dass beispielsweise der Anbindungsquerschnitt sowie die Fokuslagentoleranz durch die Erhöhung der Anzahl an Strahlprofilen in der Prozesszone zunimmt. Have composed the machining beam in the process zone. It can be seen that the volume of the process zone 4 increases with the number of beam profiles introduced, which is symbolized here schematically by an inscribed rectangle. This also immediately shows that, for example, the connection cross-section and the focus position tolerance increase due to the increase in the number of beam profiles in the process zone.
In Figur 6 ist ein Vergleich des Propagationsverhaltens eines Gaußstrahls in Figur 6A und zweier quasi nicht-beugender Strahlen in den Figuren 6B, C gezeigt. Die eigezeichneten Pfeile markieren den Durchmesser beziehungsweise die Länge des Strahlprofils. FIG. 6 shows a comparison of the propagation behavior of a Gaussian beam in FIG. 6A and two quasi non-diffractive beams in FIGS. 6B, C. The self-drawn arrows mark the diameter or the length of the beam profile.
Die longitudinale Ausdehnung in Strahlausbreitungsrichtung des Besselstrahls aus Figur 6B ist in Figur 6E gezeigt. Das nahezu propagationsinvariante Intensitätsmaximum weist eine The longitudinal expansion in the direction of beam propagation of the Bessel beam from FIG. 6B is shown in FIG. 6E. The almost propagation-invariant intensity maximum shows a
charakteristische Länge L auf, die über den Intensitätsabfall auf 50%, ausgehend vom lokalen Intensitätsmaximum in positive und negative z-Richtung definiert ist. Die zugehörige characteristic length L, which is defined by the intensity drop to 50%, starting from the local intensity maximum in the positive and negative z-direction. The associated
charakteristische Länge L kann hierbei ohne weiteres 1 mm übersteigen characteristic length L can easily exceed 1 mm
Die zu Figur 6B zugehörige transversale Intensitätsverteilung ist in Figur 6D gezeigt. In der Nähe der Strahlachse gehorcht die Intensitätsverteilung dabei in guter Näherung einer Bessel-Funktion erster Art der Ordnung 0, die von einer Gauß-Verteilung eingehüllt ist. Typische Bessel-Gauß Strahlen, die zur Bearbeitung transparenter Materialien genutzt werden können, weisen The transverse intensity distribution associated with FIG. 6B is shown in FIG. 6D. In the vicinity of the beam axis, the intensity distribution obeys a good approximation of a Bessel function of the first kind of order 0, which is enveloped by a Gaussian distribution. Typical Bessel-Gauss rays, which can be used for processing transparent materials, show
beispielsweise Durchmesser des zentralen Intensitätsmaximums auf der optischen Achse von dNDo=2.5pm auf. for example, the diameter of the central intensity maximum on the optical axis of d ND o = 2.5pm.
Ein Gaußfokus mit dNDo=dGFo=2.5pm zeichnet sich hingegen durch eine Fokuslänge in Luft von lediglich ZR=5pm bei A=1 pm aus, siehe Figur 6A. In diesen für die Materialbearbeitung relevanten Fällen kann sogar L»1 0ZR gelten. A Gaussian focus with d ND o = d GF o = 2.5 pm, on the other hand, is characterized by a focus length in air of only Z R = 5 pm at A = 1 pm, see FIG. 6A. In these cases relevant to material processing, L »10ZR can even apply.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Bezuqszeichenliste As far as applicable, all the individual features that are shown in the exemplary embodiments can be combined with one another and / or exchanged without departing from the scope of the invention. Reference list
1 Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks1 device for machining a workpiece
10 Werkstück 10 workpiece
12 Werkstück 12 workpiece
14 Grenzfläche 14 interface
16 Werkstück 16 workpiece
18 Grenzfläche 18 interface
100 Oberfläche des Werkstücks 100 surface of the workpiece
1 10 Oberflächennormale 1 10 surface normals
2 Laserstrahl 2 laser beam
200 Strahlquelle 200 beam source
3 Bearbeitungsstrahl 3 machining beam
30 Strahlprofil 30 beam profile
32 Strahlprofil 32 beam profile
34 Strahlprofil 34 Beam profile
4 Prozesszone 4 process zone
5 Optik 5 optics
50 Kondensator 50 capacitor
52 strahlformende Einheit 52 beam-shaping unit
54 Fokussieroptik 54 Focusing Optics
LA lateraler Versatz LA lateral offset
LO longitudinaler Versatz LO longitudinal offset
a1 Winkel zwischen Strahlprofilen a1 angle between beam profiles
a2 Winkel zwischen Strahlprofilen a2 angle between beam profiles
ß1 Winkel eines Strahlprofils zur Oberflächennormalen ß2 Winkel eines Strahlprofils zur Oberflächennormalen ß3 Winkel eines Strahlprofils zur Oberflächennormalen V Vorschubtrajektorie ß1 angle of a beam profile to the surface normal ß2 angle of a beam profile to the surface normal ß3 angle of a beam profile to the surface normal V feed trajectory

Claims

Ansprüche Expectations
1 . Verfahren zum Bearbeiten mindestens eines Werkstücks (10, 12), bevorzugt zum Verschweißen zweier Werkstücke (10, 12), umfassend das Beaufschlagen einer Prozesszone (4) mindestens eines Werkstücks (10, 12) mit einem durch einen gepulsten Laserstrahl (2), bevorzugt durch einen Ultrakurzpulslaserstrahl, bereitgestellten Bearbeitungsstrahl (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsstrahl (3) in der Prozesszone (4) aus mindestens zwei Strahlprofilen (30, 32, 34) zusammengesetzt wird. 1 . A method for processing at least one workpiece (10, 12), preferably for welding two workpieces (10, 12), comprising exposing a process zone (4) to at least one workpiece (10, 12) with a pulsed laser beam (2), preferably processing beam (3) provided by an ultrashort pulse laser beam, characterized in that the processing beam (3) in the process zone (4) is composed of at least two beam profiles (30, 32, 34).
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen 2. The method according to claim 1, characterized in that the individual
Strahlprofile (30, 32, 34) in der Prozesszone (4) unter einem Winkel (cd , a2) zueinander ausgerichtet werden. Beam profiles (30, 32, 34) in the process zone (4) are aligned at an angle (cd, a2) to one another.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Prozesszone vorliegenden Strahlprofile (30, 32, 34) unter einem Winkel (ß1 , ß2, ß3) zur Oberflächennormalen (1 10) des Werkstücks (10, 12) ausgerichtet werden, bevorzugt unter einem Winkel (ß1 , ß2, ß3) zwischen 0° und 45°, bevorzugt zwischen 5° und 40°, besonders bevorzugt zwischen 10° und 35°, zur Oberflächennormalen (1 10) des Werkstücks (30, 32, 34). 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the present in the process zone beam profiles (30, 32, 34) at an angle (ß1, ß2, ß3) to the surface normal (1 10) of the workpiece (10, 12) aligned are preferably at an angle (β1, β2, β3) between 0 ° and 45 °, preferably between 5 ° and 40 °, particularly preferably between 10 ° and 35 °, to the surface normal (1 10) of the workpiece (30, 32, 34).
4. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Strahlprofile (30, 32, 34) mit einem lateralen Versatz (LA1 , LA2) zueinander und/oder mit einem longitudinalen Versatz (L01 , L02) zueinander in der Prozesszone (4) ausgerichtet werden. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least two beam profiles (30, 32, 34) with a lateral offset (LA1, LA2) to one another and / or with a longitudinal offset (L01, L02) to one another in the process zone ( 4) be aligned.
5. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (2) in Form eines Gaußstrahls oder eines quasi nicht- beugenden Strahls, bevorzugt eines Besselstrahls oder eines Bottle-Beams, bereitgestellt wird und/oder mindestens ein Strahlprofil (30, 32, 34) als Gaußprofil oder als quasi nicht-beugendes Strahlprofil, bevorzugt als Besselprofil oder als Bottle-Beam, bereitgestellt wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the laser beam (2) is provided in the form of a Gaussian beam or a quasi non-diffractive beam, preferably a Bessel beam or a bottle beam, and / or at least one beam profile (30, 32, 34) is provided as a Gaussian profile or as a quasi non-diffractive beam profile, preferably as a Bessel profile or as a bottle beam.
6. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlprofile (30, 32, 34) einen longitudinalen Versatz (L01 , L02) zueinander aufweisen, welcher größer ist, als die jeweilige charakteristische Länge der Strahlprofile und bevorzugt größer ist, als die Rayleigh-Länge von Gauß- Strahlprofilen oder größer ist als die Länge, bei welcher quasi nicht-beugende Strahlen, bevorzugt Besselstrahlen, in longitudinaler Ausdehnung nur noch 50% der Intensität im zentralen Intensitätshauptmaximum aufweisen. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the beam profiles (30, 32, 34) have a longitudinal offset (L01, L02) to one another which is greater than the respective characteristic length of the beam profiles and preferably greater than the Rayleigh length of Gaussian beam profiles or greater than the length at which quasi non-diffractive beams, preferably Bessel beams, only have 50% of the intensity in the central main intensity maximum in the longitudinal extent.
7. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlprofile (30, 32, 34) einen lateralen Versatz (LA1 , LA2) zueinander aufweisen, welcher größer ist, als die laterale Ausdehnung der jeweiligen 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the beam profiles (30, 32, 34) have a lateral offset (LA1, LA2) to one another which is greater than the lateral extent of the respective one
Strahlprofile (30, 32, 34) und bevorzugt größer ist als die Strahltallien von Gauß- Strahlprofilen oder der Durchmesser quasi nicht-beugender Strahlen, bevorzugt Besselstrahlen. Beam profiles (30, 32, 34) and is preferably larger than the beam tales of Gaussian beam profiles or the diameter of quasi non-diffractive beams, preferably Bessel beams.
8. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Strahlprofile (30, 32, 34) gleichzeitig in die Prozesszone (4) eingebracht werden. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least two beam profiles (30, 32, 34) are introduced simultaneously into the process zone (4).
9. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei gepulste Laserstrahlen (2, 2‘) zur Erzeugung jeweils mindestens eines Strahlprofils (30, 32) bereitgestellt werden, welche zum 9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least two pulsed laser beams (2, 2 ‘) for generating at least one beam profile (30, 32) are provided, which for
Zusammensetzen des Bearbeitungsstrahls (3) gleichzeitig in die Prozesszone (4) eingebracht werden. Composition of the processing beam (3) can be introduced into the process zone (4) at the same time.
10. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Laserstrahl (2) zur Erzeugung eines ersten Strahlprofils (30) aus einer ersten Richtung bezüglich eines Werkstücks (10) in die Prozesszone (4) eingebracht wird und ein zweiter Laserstrahl (2‘) aus einer zweiten Richtung bezüglich des Werkstücks (10) zur Erzeugung eines zweiten Strahlprofils (32) in der Prozesszone (4) eingebracht wird, wobei bevorzugt der erste Laserstrahl (2) und der zweite Laserstrahl (2‘) aus unterschiedlichen, bevorzugt aus im Wesentlichen entgegengesetzten Richtungen, in die Prozesszone (4) eingebracht werden. 10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a first laser beam (2) for generating a first beam profile (30) from a first direction with respect to a workpiece (10) is introduced into the process zone (4) and a second laser beam ( 2 ') is introduced from a second direction with respect to the workpiece (10) in order to generate a second beam profile (32) in the process zone (4), the first laser beam (2) and the second laser beam (2') preferably from different, preferably from essentially opposite directions, are introduced into the process zone (4).
11. Vorrichtung zum Bearbeiten mindestens eines Werkstücks (10, 12, 16), bevorzugt zum Verschweißen zweier Werkstücke (10, 12, 16), umfassend eine Strahlquelle zur Bereitstellung eines gepulsten Laserstrahls (2, 2‘), bevorzugt eines 11. Device for processing at least one workpiece (10, 12, 16), preferably for welding two workpieces (10, 12, 16), comprising a beam source for Provision of a pulsed laser beam (2, 2 '), preferably one
Ultrakurzpulslaserstrahls und eine Optik (5) zum Bereitstellen eines Ultrashort pulse laser beam and an optical system (5) for providing a
Bearbeitungsstrahls (3) in einer Prozesszone (4) mindestens eines Werkstücks (10, 12, 16), dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (5) so eingerichtet und ausgebildet ist, dass der Bearbeitungsstrahl (3) sich in der Prozesszone (4) aus mindestens zwei Strahlprofilen (30, 32, 34) Processing beam (3) in a process zone (4) of at least one workpiece (10, 12, 16), characterized in that the optics (5) are set up and designed in such a way that the processing beam (3) emerges in the process zone (4) at least two beam profiles (30, 32, 34)
zusammensetzt. composed.
12. Vorrichtung gemäß Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Werkstückaufnahme und/oder mindestens ein Positioniersystem zur 12. The device according to claim 11, characterized in that the device is a workpiece holder and / or at least one positioning system
Positionierung des Laserstrahls und/oder der Werkstücke, umfasst. Positioning the laser beam and / or the workpieces includes.
13. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (5) eine strahlformende Einheit (52), bevorzugt einen räumlichen 13. Device according to one of claims 11 to 12, characterized in that the optics (5) have a beam-shaping unit (52), preferably a spatial one
Lichtmodulator und/oder ein diffraktiv optisches Element und/oder einen akusto- optischen Deflektor (AOD), umfasst. Light modulator and / or a diffractive optical element and / or an acousto-optical deflector (AOD).
14. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (5) ein Axicon (56) zur Ausbildung eines quasi nicht-beugenden Strahls, bevorzugt eines Besselstrahls oder eines Bottle-Beams, umfasst, wobei mindestens ein Strahlprofil (30, 32, 34) in der Prozesszone (4) als quasi nicht-beugendes Strahlprofil, bevorzugt als Besselprofil oder als Bottle-Beam, ausgebildet ist. 14. Device according to one of claims 11 to 13, characterized in that the optics (5) comprises an axicon (56) for forming a quasi non-diffractive beam, preferably a Bessel beam or a bottle beam, wherein at least one beam profile ( 30, 32, 34) in the process zone (4) is designed as a quasi non-diffractive beam profile, preferably as a Bessel profile or as a bottle beam.
15. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (5) eine Fokussieroptik (54) umfasst und der Laserstrahl (2, 2‘) versetzt bezüglich der optischen Achse der Fokussieroptik (54) in die Fokussieroptik (54) eingebracht wird, um die Strahlprofile (30, 32, 34) des Bearbeitungsstrahls (3) unter einem Winkel in die Prozesszone (4) einzubringen, wobei die die Optik (5) bevorzugt eine strahlformende Einheit (52), bevorzugt einen räumlichen Lichtmodulator und/oder ein diffraktiv optisches Element und/oder einen akusto-optischen Deflektor (AOD), umfasst, um den Strahlversatz des Laserstrahls (2, 2‘) zu der optischen Achse der Fokussieroptik (54) bereitzustellen. 15. Device according to one of claims 11 to 14, characterized in that the optics (5) comprise focusing optics (54) and the laser beam (2, 2 ') offset with respect to the optical axis of the focusing optics (54) into the focusing optics (54) ) is introduced in order to bring the beam profiles (30, 32, 34) of the processing beam (3) into the process zone (4) at an angle, the optics (5) preferably being a beam-shaping unit (52), preferably a spatial light modulator and / or a diffractive optical element and / or an acousto-optical deflector (AOD), in order to provide the beam offset of the laser beam (2, 2 ') to the optical axis of the focusing optics (54).
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