CN114126797A - 用于借助对激光射束的到加工区中的能量进行调制来加工至少一个工件的方法 - Google Patents

用于借助对激光射束的到加工区中的能量进行调制来加工至少一个工件的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114126797A
CN114126797A CN202080045456.3A CN202080045456A CN114126797A CN 114126797 A CN114126797 A CN 114126797A CN 202080045456 A CN202080045456 A CN 202080045456A CN 114126797 A CN114126797 A CN 114126797A
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser beam
energy
pulse
workpiece
laser
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202080045456.3A
Other languages
English (en)
Inventor
F·齐默尔曼
S·黑克尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Original Assignee
Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH filed Critical Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Publication of CN114126797A publication Critical patent/CN114126797A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • B23K26/0624—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses using ultrashort pulses, i.e. pulses of 1ns or less
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0626—Energy control of the laser beam
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0648—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising lenses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/073—Shaping the laser spot
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B23K26/24—Seam welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B23K26/24—Seam welding
    • B23K26/26—Seam welding of rectilinear seams
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/32—Bonding taking account of the properties of the material involved
    • B23K26/324—Bonding taking account of the properties of the material involved involving non-metallic parts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
    • B23K26/702—Auxiliary equipment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26
    • B23K2103/54—Glass

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

本发明涉及一种用于加工至少一个工件、优选地用于焊接两个工件(20，22)的方法，该方法包括向该至少一个工件(20，22)的加工区(4)施加脉冲激光束(110)、优选地超短脉冲激光束，其中对由该激光束(110)耦合到该加工区(4)中的能量进行时间上的调制。

Description

用于借助对激光射束的到加工区中的能量进行调制来加工至 少一个工件的方法
技术领域
本发明涉及一种用于借助短激光脉冲加工至少一个工件的方法，例如 用于将两个工件彼此焊接、尤其是用于将一个透明工件焊接到另一工件或 用于将两个透明工件彼此焊接的方法。
背景技术
为了加工工件，尤其是为了将两个工件彼此焊接，已知借助激光束加 载(beaufschlagen)加工区中的相应工件，以便以这种方式通过能量吸收而 在通过激光束加载的加工区中产生熔化物，所述熔化物凝固后在两个工件 之间构造焊缝。
在此，已知尤其是为了将透明工件与不透明工件焊接，或者为了焊接 两个透明工件，使加工区处于两个工件之间。这通过以下方式实现：如此 将加工激光束聚焦到加工区中，使得能量输入在加工区的区域中最高，以 相应地在两个工件之间在加工区中提供熔化物，然后在熔化物凝固后提供 焊缝。在此，加工激光束相应地穿过透明工件中的一个透明工件，并且仅 聚焦到工件相对于入射区域的相反侧上的加工区中。
在此，加工激光束通过相应的光学器件和与之相关联的射束成形聚焦 到工件中的一个工件的材料中、聚焦到两个工件中和/或聚焦到彼此贴靠 (anliegend)的两个工件之间的接触面的区域中，以便然后在这个区域中形 成各加工区。
在工件加工期间，尤其是在将两个工件彼此焊接期间，由于通过聚焦 激光束引起的高局部能量输入，在加工区中会出现周围材料区域中不存在 的高温。因此，加工区中加工(例如对于制造焊缝)所需的热量导致相对 于周围材料区域的热应力。因此，焊缝区域的材料中可能会出现应力和/或 裂纹，这可能导致连接材料的质量降低。
这同样适于执行局部的体积改变或表面改变的其他局部加工方法。在 这些其他加工方法中，局部的体积改变或表面改变的形状和尺寸也受到周 围材料区域中所允许的热应力的限制。
因此，尤其是在实际热输入期间出现的热应力对待引入加工区的改变 的尺寸和形状具有限制作用。换句话说，已知的焊接方法受到以下限制： 通过局部热输入引入的热应力不应高于以下特定测量值，该特定测量值可 能导致材料结构变化、裂纹、或焊缝或彼此连接的工件的低质量。
发明内容
从已知的现有技术出发，本发明的任务是，进一步扩展用于加工工件 的已知的加工方法，这些加工方法借助脉冲激光束来执行。
通过具有权利要求1的特征的用于加工至少一个工件、优选地用于将 两个工件彼此焊接的方法来实现该任务。此外，通过根据独立设备权利要 求的用于加工至少一个工件、优选地用于将两个工件彼此焊接的设备来实 现该任务。从从属权利要求、本说明书和附图中可以明显看出有利的扩展 方案。
因此，提出了一种用于加工至少一个工件、优选地用于焊接两个工件 的方法，该方法包括借助脉冲激光束、优选地超短脉冲激光束加载该至少 一个工件的加工区。根据本发明，对由激光束耦合(eingekoppelt)到加工 区中的能量进行时间上的调制。
通过对通过激光束耦合到加工区中的能量进行时间上的调制，与在没 有这种调制的情况下进行的加工相比，可以减小材料中产生的热应力。在 应力方面，可以降低当材料仍被加热时在实际加工期间和之后出现的所谓 的瞬时应力以及永久应力。
通过对通过激光束耦合到加工区中的能量进行时间上的调制，可以如 此调制局部热积聚，使得实现将能量更均匀地耦合到加工区中。因此，尤 其可以实现，可以增加在材料中不会出现不期望的裂纹的情况下能够进行 焊接的平均能量，从而得到改善的加工效率。因此，也可以移动关于引入 材料中的、借助其能够实现无裂纹加工的改变的尺寸和形状的限制。
通过对耦合到加工区中的能量进行调制，可以实现在工件的材料中发 生的热扩散过程可以被更好地利用，以便同时不仅实现更高效的能量输入 从而缩短加工时间，而且在此减小材料中的应力。
根据所选择的调制频率，与无调制加工相比，在此可以实现将能量更 均匀地耦合到加工区中。
在使用脉冲激光束，尤其是使用超短激光脉冲的情况下，引入到材料 中的改变可以通过材料中的各激光脉冲的重叠来产生，或者通过激光脉冲 在材料中空间分离的冲击(Auftreffen)来产生。
当借助高重叠的激光脉冲来加载材料时，由于对耦合到加工区中的能 量进行时间上的调制，因此可以实现材料中的热积聚的程度的调制。要采 用的调制还尤其取决于材料的典型热扩散时间。如果直到在相同位置或重 叠位置处的下一个激光脉冲的时间不足以允许在材料内通过激光脉冲充分 扩散热量输入，则当下一个激光脉冲出现在重叠区中时出现局部的高热积 聚。因此，通过对耦合的能量的时间上的调制可以实现：如此应用材料的 典型热扩散时间，使得减少材料中瞬时应力和永久应力的出现，因为热量 扩散到其他区域中可以有利地用于减少应力。换句话说，热量有利地分布 在工件中，以便以此方式减少在工件材料中不利地出现高温度梯度，从而 同时减少热应力的出现。
利用将激光脉冲重叠引入到材料中，相应地可以通过对耦合的能量的 时间上的调制来实现加工效果的改善。
相比之下，如果相应的激光脉冲作为空间分离的点引入工件中，则例 如，通过对耦合的能量进行相应时间上的调制可以实现限定的裂纹引导， 该裂纹引导例如可以适于分离工件，例如分离玻璃。
优选地，通过调制激光脉冲之间和/或脉冲串之间的时间间隔，来对通 过激光束耦合到加工区中的能量进行时间上的调制，优选地，每个激光脉 冲和/或脉冲串具有恒定的能量，其中重复率优选地调制在10kHz至1GHz 之间。
优选地，通过调制激光脉冲的脉冲持续时间，来对通过激光束耦合到 加工区中的能量进行时间上的调制，其中，脉冲持续时间优选地调制在0.1ps 至20ps之间。
优选地，通过调制相继的脉冲和/或脉冲串的平均能量和/或能量分布， 来对通过激光束耦合到加工区中的能量进行时间上的调制，优选地在相继 的激光脉冲和/或脉冲串之间具有恒定的时间间隔。
优选地，通过脉冲间歇(Pulspause)、优选地通过0.05ms至5ms的脉 冲间歇，对通过激光束耦合到加工区中的能量进行时间上的调制。
优选地，通过产生脉冲激光束的激光束源的控制单元来对脉冲串的脉 冲能量和/或脉冲持续时间和/或长度进行时间上的调制，其中，所述调制优 选地通过外部信号发射器来操控。
优选地，通过脉冲激光束耦合到加工区中的能量借助快门(Shutter) 和/或声光调制器进行调制，和/或借助声光偏转器(AOD)进行偏转，从而 调制引入到加工区中的能量。借助AOD的偏转和调制优选地涉及大于1 MHz的调制频率。
优选地，借助像差的时间上的调制，优选地借助可变形反射镜和/或借 助TAG透镜(“可调声梯度”透镜)，产生由脉冲激光束耦合到加工区中的 能量。在TAG透镜的情况下，设置液体，该液体具有由于声光调制而产生 的经时间上的调制的折射率分布，从而对透镜的焦距进行时间上的调制。
优选地，使用具有贝塞尔射束形状的激光束加工该至少一个工件。
优选地，使用在加工区中具有相对于彼此纵向和/或相对于彼此横向偏 移的至少两个射束轮廓、优选地相对于彼此纵向和/或相对于彼此横向偏移 的至少两个高斯轮廓的脉冲激光束，来加工该至少一个工件。
还借助根据独立设备权利要求的设备来实现上述任务。
因此，提出一种用于加工至少一个工件的设备，该设备包括用于产生 脉冲激光束的激光源，以及用于借助脉冲激光束加载至少一个工件中的加 工区的光学器件。根据本发明，激光源设置用于对脉冲激光束进行时间上 的调制。
以这种方式实现了上面已经提到的关于该方法的优点。
优选地，借助外部信号发射器对激光源进行时间上的调制。
优选地，在激光源与加工区之间布置有轴棱锥和/或衍射光学元件和/ 或空间光调制器。
附图说明
通过以下附图描述更详细地说明本发明的进一步优选实施例，在附图 中：
图1示出其能量经时间上的调制的脉冲激光束的示意图，其中各个激 光脉冲的能量相对于随后的激光脉冲以锯齿形式在时间上被调制；
图2示出其能量经时间上的调制的脉冲激光束的另一示意图，其中各 个激光脉冲的能量相对于随后的激光脉冲以正弦曲线方式(或sin2n，其中 n＝自然数)在时间上被调制；
图3示出其能量经时间上的调制的脉冲激光束的另一示意图，其中各 个激光脉冲的能量相对于随后的激光脉冲以矩形方式在时间上被调制；
图4示出其能量经高频(在kHz范围内)调制的脉冲激光束的示意图， 其中其能量经调制的各个激光脉冲经历对各个脉冲串的平均能量的叠加的 调制，以及示出借助这种激光束加工的工件的显微镜显微照片；
图5示出激光束的示意图，该激光束的平均能量是以脉冲串的慢速调 制进行调制的，而未用图4中存在的kHz范围内的高频进行能量调制，以 及示出用这种激光束加工的工件的显微镜显微照片；
图6示出引入到工件中的脉冲激光束的光斑的平面图的示意图，并且 还在下方示出相应的激光脉冲的经时间上的调制的能量的示意图，其中整 个脉冲串的能量以正弦方式在时间上被调制；
图7示出脉冲激光束的激光脉冲之间的时间间隔的调制的示意图；
图8示出在对脉冲激光束的能量同时进行时间上的调制的情况下的、 脉冲激光的激光脉冲之间的时间间隔的调制示意图，其中整个脉冲串的能 量以锯齿形式在时间上被调制；
图9示出在对各个激光脉冲的能量同时进行时间上的调制的情况下 的、激光脉冲的脉冲持续时间的时间上的调制示意图；
图10示出在另一变体中在对各个激光脉冲的能量同时进行时间上的 调制的情况下的、激光脉冲的脉冲持续时间的时间上的调制示意图；
图11示出由各个激光脉冲引入到工件中的光斑的示意图，并且在下方 示意性地示出脉冲激光束的激光脉冲之间的时间间隔的调制的图示；
图12示出通过激光脉冲引入到工件中的光斑的示意图，在下方示意性 地示出脉冲激光束的激光脉冲之间的时间间隔的调制的图示，并且还在下 方示出工件与激光束的焦点之间的相对进给速度的示意图；
图13示出其能量经时间上的调制的脉冲激光束的示意图，其中激光脉 冲的能量以正弦曲线的方式被调制，并且调制中包括脉冲间歇；
图14示出用于借助脉冲激光束焊接两个工件的设备的结构的示意图。
具体实施方式
下面参考附图描述优选的实施例。在此，在不同附图中，相同、相似 或相同作用的元件设有相同的附图标记，并且为了避免冗余，部分地省去 对这些元件的重复描述。
为了加工工件，例如焊接两个工件，尤其是焊接两个透明的工件，或 者为了在工件中或在其表面上引入其他体积改变或表面改变，可以使用脉 冲激光束、优选地超短脉冲激光束，该激光束相应地加载工件或两个工件 的加工区。为此，脉冲激光束通常借助光学器件聚焦到加工区中，以相应 地在加工区的区域中实现特别高的能量密度，并且同时实现尽可能低的能 量输入到周围材料区域中。
脉冲激光束的激光脉冲的能量部分地被在加工区中存在的材料吸收， 从而导致加工区中的温度升高。借助每个激光脉冲，新的能量相应地供应 到加工区，导致加工区中的材料的温度重新升高。同时，通过热扩散过程， 热量从加工区散发到材料的周围体积区域，使得在激光脉冲相继冲击加工 区的情况下，考虑到工件材料的典型热扩散系数，可以发生温度增加、加 工区中的温度恒定或者在已经存在高温的情况下温度降低。这分别取决于 由激光脉冲增加温度是否可以比其由于材料中的热扩散过程而扩散到加工 区外更快。
从而在加工区中发生热积聚还是热扩散基本上由相继的激光脉冲的频 率和引入到材料中的激光脉冲的能量确定。在工件与加工激光束之间存在 相对速度的加工的情况下，还必须存在激光光斑的空间重叠(N>1)，其中 焦点尺寸(D)、重复率(R)和进给(V)限定脉冲重叠(N＝D*R/V)。
为了减少在工件内形成瞬时应力或永久应力，现在提出对通过激光束 耦合到加工区中的能量进行时间上的调制。
图1示意性地示出脉冲激光束的各个激光脉冲或脉冲组的能量的时间 上的调制的变体，借助该脉冲激光束加载加工区。在此，绘制激光能量(E) 随时间(t)的变化。各个激光脉冲10或脉冲组由线条示意性地表示，并且 以包络线12为边界。
用线条表示的激光脉冲10原则上也可以示出激光脉冲的脉冲组。在此， 相继的激光脉冲或激光脉冲组的能量的时间上的调制是重要的。换句话说， 涉及激光脉冲或激光脉冲组的能量的脉冲间隔调制。
图1相应地示出了各个激光脉冲10的能量相对于随后的激光脉冲的锯 齿函数形式的时间上的调制，由包络线12表示。
各个激光脉冲10的能量相对于随后的激光脉冲的时间上的调制可以借 助激光源本身或者借助光学元件来实现，该光学元件插入到激光源与加工 区之间并且实现对脉冲激光束的能量的时间上的调制。这适用于在此披露 的所有实施例和调制模式。
图2示出各个激光脉冲10的激光能量E随时间的、时间上的调制的示 意图，在该情况下，相继的激光脉冲或激光脉冲组的能量的包络线12示出 为准正弦曲线调制。
图3示意性地示出激光脉冲10的时间上的调制，在该情况下，相继的 激光脉冲的能量的包络线12示出准矩形调制。图4在图上部示出了具有快 速正弦曲线包络线12的激光脉冲10的激光能量E的时间上的调制，其例 如可以提供10Hz至10GHz之间的调制频率。包络线12与类似的正弦曲 线调制14叠加。在此实施方式中，叠加的调制14的频率是恒定的，并且 可以例如在0.01Hz至2.5kHz的范围内。
可以针对加工线的长度来调谐(abgestimmt)慢速调制的频率。例如， 10mm线长度可以以10mm/s焊接，并且在此可以使用1Hz慢速调制14。
然而，在替代的实施方式中，调制14也可以具有变化的频率。
通过如图4所示的叠加的调制14的相应表现
Figure BDA0003423301740000071
使得相继 的激光脉冲10或相继的激光脉冲组(由包络线12示出)的平均能量和/或 能量分布变化。
在激光能量随时间变化的图下方，示出了借助与包络线12叠加的所述 调制14而写入工件中的材料改变的截面的显微镜显微照片(在显微照片中， 激光束从上方辐射进入并且所产生的加工区从左向右移动)。可明显看出材 料改变遵循激光脉冲的经时间上的调制的能量。
为了进行比较，现在在图5示出激光脉冲10的图示，其能量仅通过慢 速调制14而不是相反地通过图4中的快速调制来改变。在其下方，在截面 的显微镜显微照片中可明显看出通过慢速调制14写入到工件中的材料改变， 由该截面图可以看出，材料改变并不特别精确地遵循激光脉冲的经时间上 的调制的能量。相比之下，所产生的材料改变构造得非常不均匀。
图6在上部图示中示意性地示出了工件20，其中描绘有激光光斑30， 所述激光光斑重叠的程度较小。在其下方，该图示意性地示出了各个激光 脉冲10的图示，其能量在时间上如此经调制，使得在材料20中的各相邻 的激光光斑30中，可以将不同的能量分别耦合到工件中，从而也耦合到工 件中的加工区4中。
图7示意性地示出了各个激光脉冲10之间的时间间隔的调制。在此， 例如，在第一激光脉冲与第二激光脉冲之间设置时间t1，在第二激光脉冲 与第三激光脉冲之间设置更长的时间t2，并且在第三激光脉冲与第四激光 脉冲之间设置还更长的时间t3，其中然后再次采用相同的时间t3直到下一 个激光脉冲，然后再次采用时间t2，然后采用时间t1，等等。相应地，在 此对相应的激光脉冲10之间的时间间隔进行调制。
图8示出了各个激光脉冲10之间的时间间隔的调制的另一示意图，同 时还进行激光能量E的时间上的调制，其遵循包络线12。在此，激光脉冲 10的激光能量E随着激光脉冲10之间的时间间隔变短而减小，并且随着时 间间隔变长又增大。
图9示出一种实施发送，其中激光脉冲10的脉冲持续时间d1、d2、d3、 d4被时间上的调制为例如在0.1ps至20ps之间。在此，脉冲串内的激光脉 冲的脉冲持续时间上升。
同时，还可以将重复频率(Repetitionsfrequenz)调制在10kHz至1GHz 之间。还可以如此时间上调制相应的激光脉冲的能量，使得得到示出准正 弦函数的包络线12。
图10示出了类似于图9的实施方式，然而其中，脉冲持续时间d1、d2、 d3在此首先朝向包络线12的中心上升，然后再次下降。如果脉冲持续时间 不同于图9和图10地被调制，并不脱离本发明的范畴。
图11示出了工件20的另一示意图，在该情况下，在加工区4中再次 示出了激光光斑30，但是激光光斑在此彼此具有不同的间距，其中存在彼 此重叠的激光光斑30，并且其中存在彼此分离的激光光斑30。
由下方示出的各个激光脉冲10随时间变化的示意图可以看出，在此调 制每两个激光脉冲之间的时间间隔，其中，在相应的激光脉冲10之间设置 四个不同的时间间隔。以这种方式，可以对借助各激光光斑30处的激光束 耦合到加工区4中的能量进行时间上的调制，其中，这同时也导致耦合到 加工区4中的能量发生空间改变。
在此实施例中，不仅激光束与工件之间的进给速度V，而且由每个激 光脉冲10耦合到工件20中或耦合到工件20的加工区4中的能量具有相同 的大小。
图12示出了示意性说明的工件20的另一图示，在该情况下，各个激 光光斑30被引入到加工区4中。激光光斑30在工件20中彼此具有相同的 间距。下方的图示再次以其时间顺序示出了各个激光脉冲10，其中两个相 继的激光脉冲10之间的间隔分别在时间上被调制。在此示意性地示出了激 光脉冲之间的三个不同的时间间隔t1、t2、t3。
在其下方示出了激光束与工件20之间的可变的相对进给速度V，其中， 在两个相继的激光脉冲10之间设置较长时间间隔的区域中，进给速度较低。 由此相应地得出，尽管在各个激光脉冲10之间的时间间隔不同，但是激光 光斑30在工件20中彼此以相同的间距布置。
经通过激光束耦合到加工区4中的能量在时间上被调制如下，使得在 相继的激光脉冲之间的间隔较大的区域中，工件20相应地具有较长的时间 段以将热量从加工区4散发到周围材料中。因此，通过利用材料20的热扩 散时间，对耦合到加工区中的能量进行时间上的调制。
图13示出了待耦合到加工区中的脉冲激光束的另一示意图，在该情况 下，各个激光脉冲10关于其激光能量E在时间上被调制，其中，调制构造 描述准正弦函数的包络线12，其中，正弦函数具有固定调制频率F。在各 个脉冲组之间分别设置脉冲间歇P。
脉冲间歇P在此可以具有0.05ms至5ms之间的长度。脉冲间歇P在 此同时包括在激光脉冲的能量的时间上的调制中。
如果超短激光脉冲聚焦到透明材料(例如，石英玻璃)的体积中或表 面上，则在焦点处存在的高强度导致非线性吸收过程，由此，根据激光参 数，可以引起不同的材料改变(Materialmodifikationen)。因此，通过移动 焦点位置(扫描激光焦点或样品)，可以如此改变扩展的区域，其中焦点尺 寸(D)、重复率(R)和进给(V)限定脉冲重叠(N＝D*R/V)。在此提 出了具有空间分离(N<1)以及重叠(N>1)的脉冲或脉冲串(所谓的脉 冲群)的加工机制(Prozessregime)。在高重叠的情况下，如果脉冲时间间 隔短于玻璃的典型热扩散时间，则可能发生热积聚。因此，焦点区域中的 温度随着脉冲到脉冲而增加，从而可以发生玻璃的局部熔化。如果将改变 置于(platziert)两个玻璃的接触面中，则冷却熔化物生成两个样品稳定连 接。
在具有进给的加工的情况下以及在静止加工的情况下，对耦合脉冲能 量进行时间上的调制(例如，锯齿、正弦曲线或矩形的形式)可以减小在 材料中引起的(瞬时和永久)应力。在热积聚和高脉冲重叠的情况下，由 此增加无裂纹焊接中的平均能量(以及因此引入的改变的尺寸)。根据调制 频率，与无调制的加工相比，在此可以产生(更)均匀的能量耦合(典型 地在100Hz至大约5kHz的调制频率的情况下)，或者使调制过程具有动态 特性(典型地在>5kHz的调制频率的情况下)。
同样地，在空间分离的光斑的加工机制中，相继的脉冲(或脉冲串) 的能量调制可以促进限定的裂纹引导，这是例如玻璃分离所期望的。
在此，调制可以具有不同的时间周期的变化过程
Figure BDA0003423301740000101
尤其是 调制幅度、调制上升或者正阻尼和负阻尼。在此，调制与所采用的射束形 状无关，其中，尤其是非高斯形的射束形状(例如贝塞尔)或者由多个(纵 向和/或横向)偏移的高斯轮廓组成的射束形状可以被使用或者说可以经历 调制。另外，调制参数(例如形状、频率、幅度等)可以在该过程中变化。
此外，可以想到用于调制耦合的能量的其他方案。这些方案包括时间 上快速改变激光重复率，由此例如可以改变热积聚的程度(在高重叠的机 制中)。脉冲持续时间同样可以周期性地快速变化，例如从1ps到50ps并 返回。因此(在其他方面具有相同的参数)，脉冲强度也可能下降到改变阈 值(Modifikationsschwelle)以下，从而同样得到耦合的能量的调制。
图14是用于加工工件的设备100的示意图，其中在此设置第一工件20 和第二工件22，其中第一工件20具有下侧200，第二工件22具有上侧220， 所述下侧和上侧彼此直接贴靠。上方的工件20的下侧200和下方的工件22 的上侧220构造平面，加工区4应构造在该平面中。
在激光源114中提供脉冲激光束110，并且脉冲激光束通过光学器件 112聚焦到加工区4中。两个工件20、22相对于激光束110沿进给方向X 移动。
激光束110已经在激光源114中关于激光脉冲之间和/或脉冲串之间的 时间间隔被调制。在激光源114处，激光束110也可以关于每个激光脉冲 10的各自脉冲能量在时间上被调制。为此，优选地，可以设置内部信号发 射器或外部信号发射器118，借助该内部信号发射器或外部信号发射器操控 脉冲能量的调制。
对通过脉冲激光束110耦合到加工区4中的能量的调制也可以借助快 门(Shutter)和/或声光调制器和/或声光偏转器来实现，然后同样优选地由 内部信号发射器或外部信号发射器来控制快门和/或声光调制器和/或声光 偏转器。
在一种扩展方案中，可以借助对像差的时间上的调制，优选地借助可 变形的反射镜和/或借助TAG透镜，来调制通过脉冲激光束110耦合到加工 区4中的能量。
为了产生贝塞尔射束，可以在射束路径中设置轴棱锥116和/或衍射光 学元件(DOE)和/或空间光调制器(SLM—spatial light modulator，空间光 调制器)。在此描述的用于加工至少一个工件的方法可以全部优选地借助高 斯射束或贝塞尔射束来执行。
为了加工至少一个工件20、22，也可以使用在加工区4中具有相对于 彼此纵向和/或相对于彼此横向偏移的至少两个射束轮廓、优选地相对于彼 此纵向和/或相对于彼此横向偏移的至少两个高斯轮廓的脉冲激光束110。
贝塞尔射束的自我修复(selbstheilend)特性在此是有利的，根据该特 性，在例如通过散射中心引起的在传播轴线的一点处有部分干扰或阻挡的 情况下，所述射束沿传播方向稍后恢复其原始形状。因此，贝塞尔射束特 别适用于透明工件的材料加工，在该情况下，材料加工应在加工区中进行， 材料加工应仅在激光束已经穿过透明材料之后、在透明工件的与入射侧相 对置的侧面上进行。由于贝塞尔射束的自我修复特性，工件材料中可能存 在的干扰对加工结果没有影响或仅有轻微影响。
因此，该设备包括例如超短脉冲激光器、可选地附加的射束成形元件 (SLM/DOE)和/或扫描仪(尤其是微扫描仪)、聚焦光学器件(例如显微 镜物镜)以及样品和/或射束定位设备(例如用于样品移动的定位系统)。耦 合的能量的时间上的调制可以借助各种技术来实现：
例如，可以直接通过激光控制单元对脉冲能量进行时间上的调制。
脉冲能量的时间上的调制也可以通过激光控制单元的外部信号发射器 (例如函数发生器)预先确定，或者通过外部设备(例如快门、电/声光调 制器)实现。
时间上的调制可以间接地通过时间上的周期性的像差产生，例如借助 可变形反射镜或TAG透镜。
此外，例如，可以借助声光调制器来实现重复率的调制。
替代性地，激光脉冲持续时间也可以在内部/外部调制。
只要可用，在实施例中呈现的所有各个特征可以在不脱离本发明的范 畴的情况下彼此组合和/或互换。
附图标记列表
10 激光脉冲
12 包络线
14 叠加调制
100 用于加工至少一个工件的设备
110 激光束
112 光学器件
114 激光源
116 轴棱锥
118 外部信号发射器
20 工件
22 第二工件
200 工件下侧
220 第二工件上侧
30 激光光斑
4 加工区
E 能量
t 时间
t1 时间间隔
t2 时间间隔
t3 时间间隔
t4 时间间隔
d1 脉冲持续时间
d2 脉冲持续时间
d3 脉冲持续时间
d4 脉冲持续时间
V 进给速度
P 脉冲间歇
F 调制频率
X 进给方向

Claims (13)

1.一种用于加工至少一个工件、优选用于焊接两个工件(20，22)的方法，所述方法包括借助脉冲激光束(110)、优选地超短脉冲激光束加载至少一个工件(20，22)的加工区(4)，
其特征在于，
对通过所述激光束(110)耦合到所述加工区(4)中的能量进行时间上的调制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优选在每个激光脉冲和/或脉冲串具有恒定的能量的情况下，通过调制所述激光脉冲(10)之间和/或所述脉冲串之间的时间间隔(t1，t2，t3，t4)，对通过所述激光束(110)耦合到所述加工区(4)中的能量进行时间上的调制，其中，重复率优选地调制在10kHz至1GHz之间。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过调制所述激光脉冲(10)的脉冲持续时间(d1，d2，d3)，对通过所述激光束(110)耦合到所述加工区(4)中的能量进行时间上的调制，其中，所述脉冲持续时间优选地调制在0.1ps至20ps之间。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，优选在所述相继的激光脉冲(10)和/或脉冲串之间具有恒定的时间间隔的情况下，通过对相继的脉冲(10)和/或脉冲串的能量分布和/或能量的优选在0.01Hz至2.5kHz的调制，对通过所述激光束(110)耦合到所述加工区(4)中的能量进行时间上的调制。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过脉冲间歇(P)、优选地通过0.05ms至5ms的脉冲间歇，对通过所述激光束(110)耦合到所述加工区中的能量进行时间上的调制。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过产生所述脉冲激光束(110)的激光束源(114)的控制单元，对所述脉冲串的脉冲能量和/或脉冲持续时间(d1，d2，d3)和/或长度进行时间上的调制，其中，优选地通过内部信号发射器和/或外部信号发射器(118)操控所述调制。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助快门和/或声光调制器和/或声光偏转器，对通过所述脉冲激光束(110)耦合到所述加工区(4)中的能量进行调制。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过所述脉冲激光束耦合到所述加工区中的能量借助像差的时间上的调制、优选借助可变形反射镜和/或借助TAG透镜来产生。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用具有贝塞尔射束形状的激光束(110)加工所述至少一个工件。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用在所述加工区(4)中具有相对于彼此纵向和/或相对于彼此横向偏移的至少两个射束轮廓、优选相对于彼此纵向和/或相对于彼此横向偏移的至少两个高斯轮廓的脉冲激光束(110)来加工所述至少一个工件(20，22)。
11.一种用于加工至少一个工件(20，22)的设备(100)，所述设备包括用于产生脉冲激光束(110)的激光源(114)以及用于借助所述脉冲激光束(110)加载所述至少一个工件(20，22)中的加工区(4)的光学器件，
其特征在于，
所述激光源(114)设置用于对所述脉冲激光束(110)进行时间上的调制。
12.根据权利要求11所述的设备(100)，其特征在于，借助内部信号发射器和/或外部信号发射器(118)对所述激光源(114)进行时间上的调制。
13.根据权利要求11或12所述的设备(100)，其特征在于，在所述激光源(114)与所述加工区(4)之间布置有轴棱锥(116)和/或衍射光学元件和/或声光调制器和/或声光偏转器。
CN202080045456.3A 2019-06-21 2020-06-19 用于借助对激光射束的到加工区中的能量进行调制来加工至少一个工件的方法 Pending CN114126797A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019116798.1 2019-06-21
DE102019116798.1A DE102019116798A1 (de) 2019-06-21 2019-06-21 Verfahren zum Bearbeiten mindestens eines Werkstücks
PCT/EP2020/067164 WO2020254616A1 (de) 2019-06-21 2020-06-19 Verfahren zum bearbeiten mindestens eines werkstücks mit eine modulierung der energie des laserstrales in die prozesszone

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114126797A true CN114126797A (zh) 2022-03-01

Family

ID=71170555

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202080045456.3A Pending CN114126797A (zh) 2019-06-21 2020-06-19 用于借助对激光射束的到加工区中的能量进行调制来加工至少一个工件的方法

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20220097171A1 (zh)
EP (1) EP3986660A1 (zh)
KR (1) KR20220016988A (zh)
CN (1) CN114126797A (zh)
DE (1) DE102019116798A1 (zh)
WO (1) WO2020254616A1 (zh)

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5073687A (en) * 1989-06-22 1991-12-17 Canon Kabushiki Kaisha Method and apparatus for working print board by laser
US20080080570A1 (en) * 2006-09-29 2008-04-03 Pyrophotonics Lasers Inc. Method and system for a pulsed laser source emitting shaped optical waveforms
DE102007063456A1 (de) * 2007-12-22 2008-11-06 Rofin-Sinar Laser Gmbh Verfahren zum Schweißverbinden von Werkstücken aus einem metallischen Werkstoff mit einem Laserstrahl
CN101965242A (zh) * 2008-03-07 2011-02-02 Imra美国公司 利用超短脉冲激光的透明材料加工
DE102009049750A1 (de) * 2009-10-17 2011-04-21 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren und Vorrichtung zum Schneiden von Material mittels eines modulierten Laserstrahls
DE102010038554A1 (de) * 2010-07-28 2012-02-02 Osram Ag Optoelektronisches Halbleiterbauelement und zugehöriges Herstellverfahren
CN102642084A (zh) * 2011-01-21 2012-08-22 莱丹科技股份公司 用于激光光斑调整的方法及用于执行该方法的激光装置
CN102834216A (zh) * 2010-03-16 2012-12-19 爱信精机株式会社 脉冲激光器装置、透明部件熔接方法以及透明部件熔接装置
CN104159697A (zh) * 2011-07-05 2014-11-19 伊雷克托科学工业股份有限公司 在使用过程中为声光射束偏转器和声光调制器提供温度稳定性的系统和方法
CN108367389A (zh) * 2015-11-23 2018-08-03 恩耐公司 对激光材料加工的精密标度时间控制
CN108581197A (zh) * 2018-04-17 2018-09-28 北京工业大学 一种激光能量调制焊接方法
CN109641319A (zh) * 2016-07-06 2019-04-16 艾迪奇股份公司 一种控制激光束在工作平面中的横向功率分布来激光加工金属材料的方法，以及用于实施所述方法的机器和计算机程序
CN109791252A (zh) * 2016-09-29 2019-05-21 恩耐公司 可调整的光束特性

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5155323A (en) * 1991-05-16 1992-10-13 John Macken Dual focus laser welding
US7817685B2 (en) * 2007-01-26 2010-10-19 Electro Scientific Industries, Inc. Methods and systems for generating pulse trains for material processing
US9757815B2 (en) * 2014-07-21 2017-09-12 Rofin-Sinar Technologies Inc. Method and apparatus for performing laser curved filamentation within transparent materials
US20180207748A1 (en) * 2017-01-23 2018-07-26 Lumentum Operations Llc Machining processes using a random trigger feature for an ultrashort pulse laser
EP3613388A1 (de) * 2018-08-24 2020-02-26 Biotronik Ag Verfahren und einrichtung zum laserschneiden, insbesondere zum laserschneiden von stents

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5073687A (en) * 1989-06-22 1991-12-17 Canon Kabushiki Kaisha Method and apparatus for working print board by laser
US20080080570A1 (en) * 2006-09-29 2008-04-03 Pyrophotonics Lasers Inc. Method and system for a pulsed laser source emitting shaped optical waveforms
DE102007063456A1 (de) * 2007-12-22 2008-11-06 Rofin-Sinar Laser Gmbh Verfahren zum Schweißverbinden von Werkstücken aus einem metallischen Werkstoff mit einem Laserstrahl
CN101965242A (zh) * 2008-03-07 2011-02-02 Imra美国公司 利用超短脉冲激光的透明材料加工
DE102009049750A1 (de) * 2009-10-17 2011-04-21 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren und Vorrichtung zum Schneiden von Material mittels eines modulierten Laserstrahls
CN102834216A (zh) * 2010-03-16 2012-12-19 爱信精机株式会社 脉冲激光器装置、透明部件熔接方法以及透明部件熔接装置
DE102010038554A1 (de) * 2010-07-28 2012-02-02 Osram Ag Optoelektronisches Halbleiterbauelement und zugehöriges Herstellverfahren
CN102642084A (zh) * 2011-01-21 2012-08-22 莱丹科技股份公司 用于激光光斑调整的方法及用于执行该方法的激光装置
CN104159697A (zh) * 2011-07-05 2014-11-19 伊雷克托科学工业股份有限公司 在使用过程中为声光射束偏转器和声光调制器提供温度稳定性的系统和方法
CN108367389A (zh) * 2015-11-23 2018-08-03 恩耐公司 对激光材料加工的精密标度时间控制
CN109641319A (zh) * 2016-07-06 2019-04-16 艾迪奇股份公司 一种控制激光束在工作平面中的横向功率分布来激光加工金属材料的方法，以及用于实施所述方法的机器和计算机程序
CN109791252A (zh) * 2016-09-29 2019-05-21 恩耐公司 可调整的光束特性
CN108581197A (zh) * 2018-04-17 2018-09-28 北京工业大学 一种激光能量调制焊接方法

Also Published As

Publication number Publication date
DE102019116798A1 (de) 2020-12-24
KR20220016988A (ko) 2022-02-10
EP3986660A1 (de) 2022-04-27
US20220097171A1 (en) 2022-03-31
WO2020254616A1 (de) 2020-12-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3541565B1 (en) Laser apparatus for cutting brittle material with aspheric focusing means and a beam expander
US11780033B2 (en) System for asymmetric optical beam shaping
US10620444B2 (en) Diffractive optical beam shaping element
CN111992873B (zh) 用于射束成形的光学系统
CN111699070B (zh) 将分离线引入透明脆性破裂材料中的方法和设备及通过该方法生产的具有分离线的元件
KR100716472B1 (ko) 기판 결함 수정장치 및 방법
CN101288922A (zh) 激光装置及电池的制造方法
US20210008664A1 (en) Laser welding of transparent workpieces
US20200331100A1 (en) Methods and laser processing machines for the surface structuring of laser-transparent workpieces
US20170313617A1 (en) Method and apparatus for laser-cutting of transparent materials
CN104944756A (zh) 激光加工强化玻璃
JP2002096187A (ja) レーザ加工装置及び加工方法
CN114126797A (zh) 用于借助对激光射束的到加工区中的能量进行调制来加工至少一个工件的方法
KR102472644B1 (ko) 취성 재료 기판의 분단 방법 그리고 분단 장치
Zimmermann et al. Towards industrial usage of ultrashort pulse welding
JP6944703B2 (ja) 脆性材料基板の改質層形成方法
JPH04322892A (ja) レーザ加工装置及びレーザ加工方法
Kahle et al. Glass welding with ultra-short laser pulses and long focal lengths A process model
Hellstern et al. Optical tools for laser machining along six orders of magnitude
US20230311245A1 (en) Laser processing of a partly transparent workpiece using a quasi-non-diffractive laser beam
KR102035020B1 (ko) 미세 패턴 정밀 가공 장치
KR20240031412A (ko) 적어도 2개의 접합 파트너를 접합하기 위한 방법
Hélie et al. Micromachining of thin glass plates with a femtosecond laser
Herrmann et al. High-speed processing with ultrafast lasers and resonant scanning systems
KR101048362B1 (ko) 레이저 가공장치 및 그 방법

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination