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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere zum Fügen von Werkstücken, mittels Laserstrahlung, bei dem in einer Laserschweißanordnung ein Laserstrahl mittels einer Kollimatorlinsenanordnung im Wesentlichen parallel zur optischen Achse des Linsensystems umgelenkt und anschließend mit einer Fokussierlinsenanordnung auf eine Werkstückoberfläche gebündelt wird.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Beim Laserschweißen werden heute mit einem fokussierten Laserstrahl der oder die zu fügenden Werkstoffe, zumeist Metalle, bestrahlt und dadurch erwärmt und aufgeschmolzen. Dabei kann die Laserstrahlung, abhängig von der verwendeten Wellenlänge der Laserstrahlung, über Lichtleitfasern, bestehend aus Glas oder Quarz, vom Ort der Entstehung der Strahlung bis zum Werkstück transportiert werden.
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Beim Verlassen der Lichtleitfasern divergiert das Laserlicht. Dabei ist der Divergenzwinkel von der Numerischen Apertur (NA), welche vom Aufbau der Lichtleitfasern und vom verwendeten Kern- und Mantelglas der Lichtleitfasern und deren Brechungsindices abhängig ist, bestimmt. Das divergente Laserlicht wird nun mit einer Linse, der so genannten Kollimationslinse, zu einem zur optischen Achse des Systems parallelen Lichtstrahl kollimiert und anschließend mit einer weiteren Linse, der Fokussierlinse, auf das Bauteil fokussiert.
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Dabei können sowohl Einzellinsen als auch komplexe Linsensysteme verwendet werden. Oft sind die Linsen zur Vermeidung von störenden Reflexen zusätzlich mit einem Antireflex-Coating (AR-Coating) beschichtet. Weiterhin können im Bereich der kollimierten Strahlung des öfteren zusätzliche optische Elemente eingebracht sein, die ein Auskoppeln von bestimmten Prozessstrahlungen erlauben. Zum Schutz des optischen Systems vor Verschmutzungen werden zudem bei den Bearbeitungsoptiken Schutzgläser verwendet.
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Durch die Verfügbarkeit von leistungsstarken Laserquellen ist es möglich, immer höhere Leistungen in Lichtleitfasern mit kleinem Durchmesser einzukoppeln. Bezogen auf die oben beschriebenen Optiken bedeutet dies, dass immer höhere Leistungsdichten auf die Optiken einwirken. Dabei kann beobachtet werden, dass während des Schweißprozesses ein Drift in der Fokusposition verzeichnet wird. In diesem Zusammenhang spricht man im Allgemeinen von einem so genannten Fokusshift. Ein Abdriften der Fokuslage führt beim Schweißen dazu, dass die Einschweißtiefe in das Werkstück sinkt und im ungünstigsten Fall eine sichere Anbindung nicht mehr gewährleistet ist.
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Derartige Instabilitätsphänomene beim Laserschweißen sind bereits in verschiedenen Schriften beschrieben worden.
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So ist beispielsweise in der Schrift
DE 197 51 195 C1 ein Verfahren zum Schweißen mittels Laserstrahlung beschrieben, mit mindestens einem Laserstrahl, bei dem die Intensität der Laserstrahlung durch Strahlformung in und auf der Oberfläche von Werkstücken so eingestellt wird, dass ein kleiner Bereich mit einer großen Intensität im Werkstück, dort zur Ausbildung einer Dampfkapillare und ein weiterer größerer angrenzender Bereich mit einer kleineren Intensität auf der Werkstückoberfläche in der Weise bestrahlt wird, dass eine kelchförmig Öffnung der Dampfkapillare an der Werkstückoberfläche ausgebildet und die Abkühlgeschwindigkeit der Schmelze verringert wird, wobei die Lage und/oder Ausrichtung der Achsen mindestens zweier Laserstrahlen oder Teilstrahlen zur Werkstückoberfläche während der Durchführung des Schweißverfahrens temperaturabhängig zueinander variiert werden. In der Schrift ist weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens beschrieben, bei der ein Laserstrahl einer Laserstrahlquelle auf einen Strahlteiler und zwei Teilstrahlen auf zwei Strahlformungseinheiten gerichtet sind und mittels einer Strahlformungseinheit ein stark fokussierter Teilstrahl auf das Werkstück gerichtet ist, der vom zweiten defokussierten Teilstrahl überlagert ist, mindestens ein Temperatursensor die Temperaturverteilung auf dem Werkstück misst und der/die Temperatursensoren mit einer die Laserstrahlquellen und/oder die Strahlformungseinheiten regelnden Steuerung verbunden ist/sind, die während der Durchführung des Schweißverfahrens die Lage und/oder die Ausrichtung der Achsen der Teilstrahlen zur Werkstoffoberfläche in Abhängigkeit von der Temperaturverteilung verändert.
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Nachteilig bei diesem Verfahren beziehungsweise bei dieser Vorrichtung ist, dass zur Anpassung der Intensitätsverteilung an die Schweißaufgabe aufwändige und somit teure optische Bauelemente notwendig sind, insbesondere, wenn die Intensitätsverteilung während des Schweißprozesses in Abhängigkeit von der gemessenen Temperaturverteilung im Schweißpunkt variiert werden soll. Dabei ist die Intensitätsverteilung auf Muster beschränkt, die sich durch zwei überlagernde Fokusflächen von kreisförmigem oder ovalem Querschnitt erzielen lassen.
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Ein weiterer Nachteil des Verfahrens ist, dass die Fokusebene in einer fest vorgegebenen Arbeitsebene liegt, die sich während des Schweißvorgangs nicht verändern lässt. Eine Anpassung der Intensitätsverteilung an die Fügeaufgabe senkrecht zur Fokusebene ist dadurch nicht möglich.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2007 006 330 A1 der Anmelderin ist weiterhin ein Verfahren zum Fügen von Werkstoffen mittels Laserstrahlung bekannt, bei dem vorgesehen ist, dass die Laserstrahlung auf eine im Vergleich zu einem Bearbeitungsgebiet kleine Fokusfläche fokussiert wird und dass eine vorgebbare Intensitätsverteilung über dem Bearbeitungsgebiet über eine Bewegung der Fokusfläche über das Bearbeitungsgebiet erreicht wird. Zudem wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, wobei mittels beweglicher optischer Bauelemente eine im Vergleich zu einem Bearbeitungsgebiet kleine Fokusfläche der Laserstrahlung über das Bearbeitungsgebiet bewegbar ist und wobei als Strahlungsquelle ein Scheibenlaser oder ein Faserlaser vorgesehen ist.
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Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen es, über einem Bearbeitungsgebiet eine nahezu beliebige Intensitätsverteilung einzustellen und so einen an die Fügeaufgabe angepassten, reproduzierbaren Schweißprozess zu erreichen.
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Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass dieser Fokusshift zu einem großen Teil in der Erwärmung des Linsenglases bzw. der Linsenbeschichtung begründet ist. Die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes sorgt dafür, dass ein Fokusshift im Bereich einiger zehntel Millimeter beobachtet werden kann, was einem mehrfachen der Rayleighlänge entspricht. Die Rayleighlänge ist die Distanz entlang der optischen Achse, die ein Laserstrahl braucht, bis seine Querschnittsfläche sich, ausgehend von der Strahltaille, verdoppelt. Sie ist proportional zum Quadrat des Strahlradius im Fokus und umgekehrt proportional zur Wellenlänge der verwendeten Laserstrahlung. Der Radius ist dort um den Faktor √2 größer. Die Rayleigh-Länge gibt also an, nach welcher Strecke vor oder hinter einem Fokus sich die vom Lichtstrahl beleuchtete Fläche verdoppelt hat. Ist der Fokusshift deutlich größer als die Rayleighlänge, so wird ein deutlicher Abfall der Strahlleistungsdichte zum Schweißen beobachtet.
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Die gängigen Strategien, um eine Veränderung des Brechungsindexes als Folge der Veränderung der Temperatur der Linse bzw. der Beschichtung der Linse zu begegnen, sehen eine Kühlung der Linse vor. Da diese nur radial, d. h. vom Linsenrand ausgehend, erfolgen kann, wird sich im Linsenkörper stets ein Temperaturgradient einstellen, welcher zusätzliche Verzerrungen in der Abbildung mit sieh bringen kann. Die Auswirkungen des Fokusshifts können zwar reduziert, aber nicht vollständig beseitigt werden.
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Alternative Lösungen dieses Problems sehen den Einsatz von speziellen, sehr aufwendig gefertigten Linsenpaketen vor, die den Temperatureinfluss auf den Brechungsindex der Gläser bzw. auf die Beschichtung kompensieren.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches es erlaubt, die Auswirkungen eines Fokusshifts auf das Bearbeitungsergebnis beim Laserschweißen vollständig zu eliminieren.
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Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 10 gelöst.
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Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Laserschweißanordnung eine Regeleinheit aufweist, die eingangsseitig mit Messeinrichtungen zur Bestimmung einer Deformation der Kollimatorlinsenanordnung und/oder der Fokussierlinsenanordnung bzw. deren Beschichtungen oder mit Messeinrichtungen zur Bestimmung der Temperatur bzw. der Temperaturverteilung der Kollimatorlinsenanordnung und/oder der Fokussierlinsenanordnung bzw. deren Beschichtungen in Verbindung steht und ausgangsseitig Stellmittel zur Verschiebung der Kollimatorlinsenanordnung und/oder der Fokussierlinsenanordnung zueinander ansteuerbar sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht dabei vor, dass die Deformation der Kollimatorlinsenanordnung und/oder der Fokussierlinsenanordnung bzw. deren Beschichtungen direkt gemessen oder mittels eines Modells für eine temperaturabhängige Verformung der Linsen bzw. deren Beschichtungen und einer Temperatur- bzw. Temperaturverteilungsmessung an der Kollimatorlinsenanordnung und/oder der Fokussierlinsenanordnung bestimmt wird.
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Die Kollimatorlinsenanordnung und/oder die Fokussierlinsenanordnung kann im einfachsten Fall jeweils aus einer Einzellinse, der Kollimatorlinse oder der Fokussierlinse, bestehen oder kann, wie bereits zum Stand der Technik erwähnt, jeweils mehrere Linsen umfassen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann erreicht werden, dass eine Deformation der Linsen infolge eines Wärmeeintrags beim Einsatz leistungsstarker Laserlichtquellen überwacht und damit die mögliche Auswirkung auf die optische Abbildung des gesamten Systems prognostiziert werden kann. Mit der Regeleinheit kann zudem ein Regelkreis gebildet werden, um aus dem Ergebnis der Deformationsbestimmung aktiv das System derart zu adaptieren, dass eine optimale Fokussierung der Laserstrahlung am Werkstück erzielt wird.
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Dabei sieht eine bevorzugte Verfahrensvariante vor, dass, abhängig vom Ergebnis der bestimmten Deformation bzw. der Temperaturerhöhung der Linsen bzw. deren Beschichtungen ein Wert für einen Fokusshift errechnet wird. Anhand eines vorher ermittelten Funktionszusammenhangs zwischen Temperatur bzw. Temperaturverteilung der Linse bzw. deren Beschichtung und der daraus modellhaft errechneten Deformation kann einerseits eine daraus resultierende Verschiebung der Fokuslage ermittelt werden. Alternativ kann die direkt gemessene Deformation der Linse bzw. deren Beschichtung zur Bestimmung einer möglichen Verschiebung der Fokuslage herangezogen werden. Anhand des errechneten Fokusshifts kann bestimmt werden, ob, abhängig von den geometrischen Gegebenheiten des Werkstücks sowie von dessen Oberflächentopografie dieser Fokusshift noch innerhalb oder bereits außerhalb eines bestimmten Toleranzbereichs liegt.
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Es ist daher in einer bevorzugten Vorrichtungsvariante vorgesehen, dass innerhalb der Regeleinheit ein Modell zur Berechnung eines Fokusshifts aus der gemessenen Deformation oder aus der gemessenen Temperatur der Kollimatorlinsenanordnung und/oder der Fokussierlinsenanordnung bzw. deren Beschichtungen hinterlegt ist. Dies kann beispielsweise in Form eines komplexen mathematischen Modells umgesetzt sein oder auch in Form eines Kennfeldes hinterlegt sein, welches zuvor aus Messungen bestimmt wurde.
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Liegt der errechnete Fokusshift bereits außerhalb des Toleranzbereichs, können in einer Verfahrensvariante aus dem berechneten Fokusshift Stellmittel zur Verschiebung der Kollimatorlinsenanordnung in Bezug zur Fokussierlinsenanordnung innerhalb der Laserschweißanordnung angesteuert und ein Regelkreis ausgebildet werden. Dies ist in sofern von Vorteil, da eine der Ursachen für einen Fokusshift eine nicht mehr ausreichend gute Kollimierung des Lichtstrahls infolge der Erwärmung der Kollimatorlinsenanordnung ist, d. h. die Lichtstrahlen verlaufen nicht mehr parallel zur optischen Achse, was nachteilig sein kann, wenn häufig noch andere optische Elemente zwischen Kollimatorlinse und Fokussierlinse angeordnet sind, die nur für einen parallelen Strahlenverlauf ausgelegt sind. Mit der Verschiebung der Kollimatorlinsenanordnung kann wieder ein paralleles Strahlenbündel erzeugt werden, so dass zumindest dieser Anteil an den Fokusshift eliminiert werden kann und damit bereits eine verbesserte Strahlqualität erzielt werden kann.
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Als Stellmittel können beispielsweise elektromechanische Linearantriebe oder Piezo-Verstelleinrichtungen zum Einsatz kommen. Damit lassen sich besonders präzise einzelne Linsen oder auch Linsengruppen entlang der optischen Achse des abbildenden Systems verschieben. Es können besonders feine Verschiebewege im μm-Bereich erzielt werden.
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Eine besonders bevorzugte Verfahrensvariante sieht weiterhin vor, dass aus dem berechneten Fokusshift mindestens ein zusätzliches Stellmittel zur Verschiebung der Fokussierlinsenanordnung in Bezug zur Kollimatorlinsenanordnung innerhalb der Laserschweißanordnung angesteuert und ein zweiter Regelkreis ausgebildet wird. Mit dieser Maßnahme kann zusätzlich der noch verbleibende Einfluss der Fokussierlinse bzw. der Fokussierlinsenanordnung eliminiert werden, sodass die Strahlqualität mit diesen Adaptionsmaßnahmen zusätzlich optimiert werden kann.
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Eine weitere Verfahrensvariante sieht alternativ zu den oben beschriebenen Verfahrensvarianten vor, dass aus dem berechneten Fokusshift Stellmittel zur Verschiebung der zu fügenden Werkstücke in Richtung zur Fokussierlinsenanordnung der Laserschweißanordnung oder zur Nachführung der gesamten Linsenanordnung innerhalb der Laserschweißanordnung zu den Werkstücken angesteuert werden und ein Regelkreis ausgebildet wird. Auch diese Maßnahme kann grundsätzlich zu einer Verbesserung des Schweißergebnisses führen, wenn infolge der Erwärmung der Linsen bzw. deren Beschichtungen eine Verschiebung der Fokuslage resultiert.
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Zur Temperaturmessung an den Linsen bzw. an deren Beschichtungen sind bevorzugt berührungsfreie Temperaturmesssysteme vorgesehen. Gegenüber Kontakt-Temperatursensoren, die lediglich die Temperatur am Rand der Linsen erfassen können, können auch Temperaturen im Zentrum der Linse erfasst werden, ohne dass der Strahlengang des abbildenden Systems beeinträchtigt ist. Temperatursensoren zur berührenden Temperaturmessung sind aber grundsätzlich ebenfalls geeignet, die Temperatur der Linsen bzw. deren Beschichtungen zu bestimmen. Allerdings müssen dann im Modell bestimmte zusätzliche Annahmen zur Dynamik der Erwärmung und zur Gradientenbestimmung mit berücksichtigt werden.
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In vorteilhafter Weise werden daher zur Temperaturmessung Pyrometer und/oder Thermobildkameras eingesetzt. Thermobildkameras sind bereits als kompakte Einheiten erhältlich und können vor allem die gesamte Oberflächen der Linsen bzw. deren Beschichtungen erfassen. Dadurch ist es möglich, dass auch Einflüsse von Temperaturgradienten entlang der Oberfläche in die Berechnung der Fokusposition mit einfließen können.
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Da ein Pyrometer im Gegensatz dazu lediglich die Temperatur an einem bestimmten Punkt der Oberfläche bestimmen kann, kann mit Hilfe von Umlenkoptiken erreicht werden, dass weite Bereiche der Linsenoberfläche gescannt werden können, so dass ebenfalls ein Temperaturgradient gemessen und zur Berechnung der Fokusposition mit berücksichtigt werden kann. Natürlich ist es ebenfalls möglich, mehrere Pyrometer derart auf die Linsenoberfläche auszurichten, dass ausgehend vom Zentrum der Linse mehrere Messpunkte bis zum Rand der Linse erfasst werden können.
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In weiteren Verfahrensvarianten kann die Deformation direkt mittels Triangulationsmesssystemen berührungsfrei bestimmt werden, wobei die genaue Lage von ein oder mehreren Bereichen auf der Linsenoberfläche zu einem Bezugssystem bestimmt wird und daraus ein Maß für die Deformation und letztendlich ein Wert für den Fokusshift errechnet werden kann. Ähnlich wie bei dem Einsatz von Pyrometern kann durch den Einsatz von Umlenkeinrichtungen erreicht werden, dass die Lage von mehreren Punkten bzw. Bereichen auf der Linse hintereinander bestimmt werden können. Andere Triangulationsmesssysteme sehen eine besondere Messstrahlformung vor, mit deren Hilfe eine Verformung an verschiedenen Punkten der Oberfläche der Linse bzw. deren Beschichtung ermittelt werden kann. Ein Beispiel dafür stellt das Lichtschnittverfahren dar, welches die Vermessung eines Höhenprofils entlang einer projizierten Lichtlinie ermöglicht. Mittels eines Linienprojektors, in der Regel wird hierzu ein Laser verwendet, wird eine möglichst schmale und helle Linie auf das Messobjekt projiziert und mit einer elektronischen Kamera die Projektion der Linie auf dem Objekt beobachtet. Die Verschiebung der Linie im Kamerabild wird mit den Methoden der Photogrammetrie in 3-D-Koordinaten umgerechnet. Der Lichtschnitt stellt einen Spezialfall der Streifenprojektion dar.
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Ein weiteres bevorzugtes Verfahren zur direkten Bestimmung der Deformation der Linsen bzw. deren Beschichtungen sieht die Verwendung von interferometrischen Messsysteme vor. Vorteilhaft bei Messungen mit einem Interferometer ist, dass die Verformung der gesamten Oberfläche ermittelt werden kann. Dadurch können ebenfalls die Einflüsse von Temperaturgradienten entlang der Oberfläche in die Berechnung der Fokusposition mit einfließen, was insbesondere die Genauigkeit der Berechnung verbessert.
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Sowohl die zuvor beschriebenen berührungsfreien Temperaturmessmethoden als auch die Messmethoden zur direkten Bestimmung der Deformation lassen sich aufgrund der Miniaturisierung in konventionelle Bearbeitungsoptiken für Laserprozesse integrieren, wobei keine besonderen Anforderungen an die Systemtechnik gestellt werden müssen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 in einer schematischen Darstellung den prinzipiellen Aufbau einer Laserschweißanordnung mit einer Kollimationslinse und einer Fokussierlinse,
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2 und 3 die möglichen Auswirkungen einer Erwärmung der Kollimationslinse,
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4 eine Temperaturüberwachung der Linsen in der Laserschweißanordnung,
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5 unterschiedliche berührungslose Temperaturüberwachungsmöglichkeiten,
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6 eine Verfahrensvariante mit einer Verschiebung der Kollimationslinse,
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7 eine Laserschweißanordnung mit einer Regeleinheit zur Verschiebung der Kollimationslinse und der Fokussierlinse und berührungslosen Temperaturüberwachungen und
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8 die in 7 gezeigte Anordnung mit verschiedenen Messeinrichtungen zur Bestimmung von Deformationen der Linsen.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung den prinzipiellen Aufbau einer Laserschweißanordnung 1 mit einer Kollimatorlinsenanordnung 30 und einer Fokussierlinsenanordnung 40, wobei im einfachsten Fall die Kollimatorlinsenanordnung 30 und die Fokussierlinsenanordnung 40 aus einer Kollimationslinse bzw. aus einer Fokussierlinse bestehen kann. Zusätzlich können diese Linsen eine Antireflexbeschichtung aufweisen.
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Das Laserlicht wird mittels eines Lichtleiters 10 bis zum Werkstück transportiert. Beim Verlassen des Lichtleiters 10, welcher als Glasfaserbündel, als einzelne Glasfaser oder Quarzfaser ausgebildet sein kann, divergiert das Laserlicht. Dabei ist der Divergenzwinkel von der Numerischen Apertur abhängig, welche von den optischen Eigenschaften der Glasfaser bzw. der Quarzfaser abhängt. Das divergente Laserlicht wird zunächst mit der Kollimatorlinsenanordnung 30 zunächst derart umgelenkt, dass die Lichtstrahlen parallel zur optischen Achse 20 ausgerichtet sind und anschließend mit der Fokussierlinsenanordnung 40 auf das Werkstück bzw. die zu fügenden Werkstücke fokussiert, wobei der Brennpunkt 50 idealerweise innerhalb einer Werkstückebene 60 liegen sollte, die hinsichtlich eines optimalen Schweißergebnisses vorgewählt ist. Somit wird der Laserstrahl über den Lichtleiter 10 geführt und nach dem Austritt aus dem Lichtleiter 10 mittels der Kollimatorlinsenanordnung 30 und der Fokussierlinsenanordnung 40 auf das Werkstück gebündelt.
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In der Praxis kommt es insbesondere bei Verwendung von leistungsstarken Laserlichtquellen zu einem nicht unerheblichen Wärmeeintrag in die verwendeten Linsensysteme der Laserschweißanordnung 1, wodurch sich der Brechungsindex infolge der Temperaturerhöhung ändern kann. Die 2 und 3 zeigen mögliche Auswirkungen einer Veränderung des Brechungsindexes auf die Kollimatorlinsenanordnung 30 bzw. auf deren Beschichtungen.
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2 zeigt die Laserschweißanordnung gemäß 1, wobei sich der Brechungsindex mit zunehmender Temperatur der Linse bzw. deren Beschichtung verkleinert (negative Temperaturabhängigkeit). Die Folge davon ist, dass infolge der verminderten Kollimationsfähigkeit der Kollimatorlinsenanordnung 30 die Lichtstrahlen weiterhin divergent verlaufen, so dass mittels der Fokussierlinsenanordnung 40 die Lichtstahlen erst hinter der Werkstückebene 60 im Brennpunkt 50 fokussiert werden können. Diese Abweichung ist als Fokusshift bekannt.
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3 zeigt die Laserschweißanordnung gemäß 1, wobei sich der Brechungsindex mit zunehmender Temperatur der Linse bzw. deren Beschichtung vergrößert (positive Temperaturabhängigkeit). Die Folge davon ist, dass infolge einer verstärkten Brechkraft der Kollimatorlinsenanordnung 30 ein leicht fokussierender Verlauf der Lichtstrahlen verzeichnet wird, so dass mittels der Fokussierlinsenanordnung 40 die Lichtstrahlen bereits vor der Werkstückebene 60 im Brennpunkt 50 fokussiert werden und ein Fokusshift in die entgegengesetzte Richtung beobachtet wird.
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In beiden Fällen ist die Leistungsdichte in der Werkstückebene reduziert, so dass das Schweißergebnis negativ beeinträchtigt ist. Zudem können durch den Fokusshift empfindliche Bereiche des Werkstücks beschädigt werden, die hinter der zuvor bestimmten Werkstückebene angeordnet sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht zur Vermeidung derartiger Effekte vor, dass die Deformation der Kollimatorlinsenanordnung 30 und/oder der Fokussierlinsenanordnung 40 bzw. deren Beschichtungen direkt gemessen oder mittels eines Modells für eine temperaturabhängige Verformung der Linsen bzw. deren Beschichtungen und einer Temperatur- bzw. Temperaturverteilungsmessung an der Kollimatorlinsenanordnung 30 und/oder der Fokussierlinsenanordnung 40 bestimmt wird. Abhängig vom Ergebnis der bestimmten Deformation bzw. der Temperaturerhöhung der Linsen bzw. deren Beschichtungen wird ein Wert für einen Fokusshift errechnet. Anhand des errechneten Fokusshifts kann bestimmt werden, ob, abhängig von den geometrischen Gegebenheiten des Werkstücks sowie von dessen Oberflächentopografie dieser Fokusshift noch innerhalb oder bereits außerhalb eines bestimmten Toleranzbereichs liegt.
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Zur Temperaturmessung können, wie in 4 dargestellt, ein oder mehrere Temperatursensoren 70 am Rand der Linsen angebracht sein, wobei aus Voruntersuchungen oder Simulationen der Zusammenhang zwischen Temperatur und Lage des Brennpunktes 50 ermittelt werden muss. Anschließend ist eine genaue Berechnung der Fokuslage mit der gemessenen Temperatur möglich. Allerdings müssen bei dem gezeigten Beispiel mit berührend messenden Temperatursensoren 70 im Modell bestimmte zusätzliche Annahmen zur Dynamik der Erwärmung und zur Gradientenbestimmung mit berücksichtigt werden. Zudem werden auch Möglichkeiten einer gezielten Kühlung der Linsen bzw. deren Beschichtung beeinträchtigt.
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Eine berührungsfreie Temperaturmessung hat daher Vorteile. 5 zeigt schematisch die Laserschweißanordnung 1, wobei zur Temperaturmessung Pyrometer 80 und/oder eine Thermobildkamera 90 eingesetzt sind, womit sich die bereits oben erwähnten Vorteile erzielen lassen.
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In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass neben einer Bestimmung der Veränderung der Fokuslage auch eine Adaption des abbildenden Systems der Laserschweißanordnung 1 erfolgt, so dass der Brennpunkt 50 selbst bei Erwärmung und der damit verbundenen Deformation des Linsensystems wieder exakt in der zuvor bestimmten Werkstückebene 60 verschoben wird. Erfindungsgemäß kann eine Online-Regelung der Fokusposition, bedingt durch einen Fokusshift, auf verschiedene Arten erfolgen.
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Da im Allgemeinen eine Transportvorrichtung für das Werkstück vorhanden ist, kann diese dazu verwendet werden, das Bauteil entsprechend der aktuell bestimmten Fokusposition nachzuführen.
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Alternativ kann auch die Werkstückposition unverändert belassen werden, wobei dann die gesamte Optik, bestehend aus Kollimatorlinsenanordnung 30 und Fokussierlinsenanordnung 40, entsprechend verschoben wird.
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Grundsätzlich kann damit ein Fokusshift ausgeglichen werden. Nachteilig kann aber sein, dass die Strahlung nach der Kollimatorlinsenanordnung 30 nicht zwangsläufig parallel verläuft und die Funktionsweise von zusätzlich zwischen Kollimatorlinsenanordnung 30 und Fokussierlinsenanordnung 40 angeordneten optischen Elementen dadurch beeinträchtigt werden.
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Eine bevorzugte Verfahrensvariante sieht daher vor, dass, wie in 6 schematisch gezeigt, die Position der Kollimatorlinsenanordnung 30 durch eine Verschiebung 31, entsprechend der gemessenen Temperatur und der daraus abgeleiteten Fokusverschiebung nachgeführt wird, so dass wieder ein paralleles Strahlenbündel zwischen Kollimatorlinsenanordnung 30 und Fokussierlinsenanordnung 40 erzeugt wird. Damit kann bereits ein gewisser Anteil des Fokusshifts eliminiert werden. Untersuchungen zeigen aber, dass ein Einfluss der Fokussierlinse 42 weiterhin bestehen bleibt, welcher lediglich durch eine Bewegung des Werkstücks oder der gesamten Optik, bestehend aus Lichtleiter 10, Kollimatorlinsenanordnung 30 und Fokussierlinsenanordnung 40, oder der Fokussierlinsenanordnung 40 selbst ausgeglichen werden kann.
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Eine zusätzliche Verschiebung 41 der Fokussierlinsenanordnung 40 ist in 7 dargestellt. Da die auf die Fokussierlinsenanordnung 40 auftreffenden Strahlen parallel zueinander ausgerichtet sind, was durch die Verschiebung 31 der Kollimatorlinsenanordnung 30 erreicht wird, kann die Fokussierlinsenanordnung 40 in Richtung der optischen Achse 20 beliebig verschoben werden, so dass der Brennpunkt 50 trotz des Wärmeeintrags in das Linsensystem wieder auf die gewünschte Werkstückebene 60 nachgeführt werden kann.
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Realisiert wird eine derartige Online-Regelung mit einer Vorrichtung, wie sie schematisch in 7 dargestellt ist. Die Laserschweißanordnung 1 weist dazu eine Regeleinheit 120 auf, die eingangsseitig mit Messeinrichtungen zur Bestimmung der Temperatur bzw. der Temperaturverteilung der Kollimatorlinsenanordnung und/oder der Fokussierlinsenanordnung bzw. deren Beschichtungen in Verbindung steht. Ausgangsseitig sind Stellmittel 130 zur Verschiebung der Kollimatorlinsenanordnung 30 und/oder der Fokussierlinsenanordnung 40 ansteuerbar. Im gezeigten Beispiel werden Pyrometer 80 und/oder Thermobildkameras 90 als berührungslose Temperaturmesssysteme verwendet. Als Stellmittel 130 können elektromotorische Linearantriebe oder Piezo-Verstelleinrichtungen zum Einsatz kommen.
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Dabei ist vorgesehen, dass innerhalb der Regeleinheit 10 ein Modell zur Berechnung eines Fokusshifts aus der gemessenen Deformation oder aus der gemessenen Temperatur der Kollimatorlinsenanordnung 30 und/oder der Fokussierlinsenanordnung 40 bzw. deren Beschichtungen hinterlegt ist. Dies kann beispielsweise in Form eines komplexen mathematischen Modells umgesetzt sein oder auch in Form eines Kennfeldes hinterlegt sein, welches zuvor aus Messungen bestimmt wurde.
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8 zeigt beispielhaft eine ähnliche Anordnung, wie sie in 7 dargestellt ist. Im Gegensatz zur in 7 dargestellten Variante sind als Messeinrichtungen zur Bestimmung der Deformation der Kollimatorlinsenanordnung 30 und/oder der Fokussierlinsenanordnung 40 bzw. deren Beschichtungen Triangulationsmesssysteme 100 (z. B. das Lichtschnittverfahren) und/oder interferometrische Messsysteme 110 vorgesehen, mit denen sich die genaue Lage von ein oder mehrere Bereichen auf der Linsenoberfläche zu einem Bezugssystem bestimmen lässt und daraus ein Maß für die Deformation und letztendlich ein Wert für den Fokusshift errechnet werden kann.
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Grundsätzlich können die verschiedenen Messmethoden zur Bestimmung der Temperatur oder der Temperaturverteilung sowie zur direkten Bestimmung der Deformation ausschließlich oder auch in Kombination eingesetzt werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann erreicht werden, dass eine Deformation der Linsen bzw. deren Beschichtungen infolge eines Wärmeeintrags beim Einsatz leistungsstarker Laserlichtquellen überwacht und damit die mögliche Auswirkung auf die optische Abbildung des gesamten Systems prognostiziert werden kann. Mit der Regeleinheit 120 kann zudem ein Regelkreis gebildet werden, um aus dem Ergebnis der Deformationsbestimmung aktiv das System derart zu adaptieren, dass eine optimale Fokussierung der Laserstrahlung am Werkstück erzielt wird.
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Da der beschriebene Effekt des Fokusshifts grundsätzlich bei allen Materialbearbeitungsverfahren mit Laserstrahlung auftritt, kann das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bei sämtlichen Lasermaterialbearbeitungsprozessen Anwendung finden. Die Auswirkungen des Fokusshifts können dabei im Allgemeinen unkritisch sein. Der allgemeine Trend zur Miniaturisierung der Bauteile und die immer kleiner werdenden Toleranzen führen jedoch immer häufiger zum Einsatz brillanter Laserlichtquellen mit hoher Fokussierbarkeit und damit verbundener hoher Leistungsdichte, sodass der Einfluss des Fokusshifts in Zukunft nicht mehr vernachlässigbar sein wird und daher in eine umfassende Qualitätsbewertung der Prozesse mit einfließen muss.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19751195 C1 [0008]
- DE 102007006330 A1 [0011]
