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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Laserschweißsystem umfassend eine Quelle für einen Laserstrahl, einen Kollimator, der angepasst ist, den Laserstrahl zu kollimieren, und ein Fokussierungsmittel, das angepasst ist, den kollimierten Laserstrahl auf einen konzentrierten Punkt auf einem zu schweißenden Werkstück zu fokussieren.
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Das Schweißverfahren mittels eines Laserstrahls ist ein Schweißverfahren, das verwendet wird, um unterschiedliche Werkstücke miteinander zu verbinden. Der Laserstrahl bietet eine konzentrierte Wärmequelle, die dünne und tiefe Schweißnähte ermöglicht. Der Laserschweißprozess wird oft in Applikationen verwendet, die mit hohen Stückzahlen verbunden sind, wie beispielsweise in der Automobilindustrie.
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Der benutzte Laserstrahl hat eine hohe Leistungsdichte, typischerweise im Bereich von ca. 1 MW/cm2. Somit werden kleine Bereiche von der konzentrierten Wärme des Laserstrahls beeinflusst. Die Breite des Laserstrahls variiert beispielsweise zwischen 0,2 mm und 13 mm, obwohl bei dem Schweißprozess kleinere Breiten verwendet werden. Die Tiefe der Eindringung der vom Laserstrahl abgegebenen Wärme ist proportional zur zugeführten Leistungsmenge und hängt auch vom Ort des Fokalisierungspunktes ab. Die Eindringung ist maximal, wenn der Fokalisierungspunkt optimal eingestellt ist.
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Ein kontinuierlicher oder gepulster Laserstrahl kann, basierend auf der Applikation, verwendet werden. Millisekundenlange Pulse werden verwendet, um dünne Materialien wie zum Beispiel Rasierklingen miteinander zu schweißen, während kontinuierliche Lasersysteme für tiefe Schweißnähte verwendet werden.
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Das Laserschweißverfahren ist ein vielfältiger Prozess, der in der Lage ist, zum Beispiel Kohlenstähle, Edelstahl, Aluminium, Titan und Kunststoffe zu schweißen. Die Schweißgeschwindigkeit ist proportional zur abgegebenen Leistungsmenge, hängt aber auch von dem Typ und der Dicke der Werkstücke ab. Die hohe Leistungsfähigkeit von Gaslasern macht sie besonders geeignet für Applikationen mit hohen Stückzahlen.
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Bei den bekannten Laserschweißtechniken werden Kunststoffplatten, -folien und Spritzgußteile durch scharf gebündelte Laserstrahlen verschweißt, wobei ein punktförmig fokussierter Laserstrahl zum Verschweißen bzw. Verschmelzen der Kunststoffmaterialen verwendet wird. Der Verlauf der Schweißnaht ist durch eine programmierbare Strahlführung der Laserstrahlen oder die Bewegung der Werkstücke realisiert.
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Ein Nachteil bei einem flächigen Verbinden mit einem punktförmigen fokussierten Laserstrahl ist aber die Verteilung der Strahlenintensität, da die Gauß'sche Verteilung der Intensität eine ungleichmäßige Aufschmelze verursacht.
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1 beschreibt ein Profil einer Gauß'schen Leistungsverteilung eines Laserstrahls, der von der Bearbeitungsoptik eines Laserschweißsystems gemäß dem Stand der Technik erzeugt wird. Bei einer solchen Leistungsverteilung ist der größte Anteil der Energie in dem Zentrum, dem sogenannten „hot spot” zu ca. 90% vorhanden. Ein solcher Laserstrahl ermöglicht ausschließlich eine punktförmige Laserschweißung.
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Nur ein Bruchteil des Schweißpunktes trägt nämlich zur Festigkeit bei und ein solcher Laserschweißprozess ist besonders fehleranfällig, da die Schweißpunktposition sehr präzise bestimmt werden muss. Bei einer schlechten Schweißpunktposition ergibt sich ein ungünstiger Energieeintrag. Zusätzlich besteht die Gefahr, wenn zum Beispiel ein Federstahl geschweißt werden muss, dass eine schlechte Schweißpunktposition zu einem Durchbrennen der Schweißstelle auf dem Federstahl führt.
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Die
DE 198 46 368 C1 beschreibt eine Vorrichtung zum Schneiden, Schweißen, Bohren oder Abtragen eines Werkstückes mittels eines Laserstrahls. Die Vorrichtung umfasst eine Laserlichtquelle, deren Strahl nicht nur durch die übliche Abbildungsoptik, sondern zusätzlich durch ein diffraktives Element geleitet wird. In dem diffraktiven Element sind mindestens zwei Segmente ausgebildet, welche mindestens zwei Teilstrahlen erzeugen. Die beiden Teilstrahlen werden von der Abbildungsoptik in zwei Brennflecken abgebildet. Der erste dieser Brennflecke liegt verhältnismäßig nahe an der der Laserlichtquelle zugewandten Fläche des Werkstücks, während der zweite Brennfleck den ersten Brennfleck in Richtung der Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück „nacheilt” und einen größeren Abstand von der der Laserlichtquelle zugewandten Fläche des Werkstückes aufweist als der erste Brennfleck. Hierdurch soll die Qualität des Laserbearbeitungsvorganges verbessert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laserschweißsystem anzugeben, die es ermöglichen, einen homogenen Schweißbereich zu erzielen.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Laserschweißsystem eine Quelle für einen Laserstrahl, einen Kollimator, der angepasst ist, den Laserstrahl zu kollimieren, und ein Fokussierungsmittel, das angepasst ist, den kollimierten Laserstrahl auf einen konzentrierten Punkt auf einem zu schweißenden Werkstück zu fokussieren, wobei ein optisches Element zwischen dem Kollimator und dem Fokussierungsmittel angeordnet ist, das angepasst ist, eine Leistungsverteilung des Laserstrahls entlang einer ersten Richtung zu spreizen, die mit einem Winkel zu einer Achse des kollimierten Laserstrahls verläuft. Weiterhin ist das optische Element angepasst, die Leistungsverteilung des Laserstrahls entlang der ersten Richtung und einer zweiten Richtung zu spreizen, wobei die zweite Richtung mit einem Winkel zur Achse des kollimierten Laserstrahls und zur ersten Richtung verläuft. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ist ein bifokales Element entweder zwischen dem optischen Element und dem Kollimator oder zwischen dem optischen Element und dem Fokussierungsmittel angeordnet.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Laserschweißsystem eine Quelle für einen Laserstrahl, einen Kollimator, der angepasst ist, den Laserstrahl zu kollimieren, und ein Fokussierungsmittel, das angepasst ist, den kollimierten Laserstrahl auf einen konzentrierten Punkt auf einem zu schweißenden Werkstück zu fokussieren, wobei ein optisches Element zwischen der Quelle für den Laserstrahl und dem Kollimator angeordnet ist, das angepasst ist, eine Leistungsverteilung des Laserstrahls entlang einer ersten Richtung zu spreizen, die mit einem Winkel zu einer Achse des kollimierten Laserstrahls verläuft. Weiterhin ist das optische Element angepasst, die Leistungsverteilung des Laserstrahls entlang der ersten Richtung und einer zweiten Richtung zu spreizen, wobei die zweite Richtung mit einem Winkel zur Achse des kollimierten Laserstrahls und zur ersten Richtung verläuft.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verläuft die erste Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Achse des kollimierten Laserstrahls.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein bifokales Element zwischen dem Kollimator und dem Fokussierungsmittel angeordnet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das optische Element angepasst, die Leistungsverteilung des Laserstrahls auf mindestens zwei Punkte auf dem zu schweißenden Werkstück zu spreizen, wobei die mindestens zwei Punkte in Reihe angeordnet sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das optische Element angepasst, die Leistungsverteilung des Laserstrahls entlang mindestens einer Linie auf dem zu schweißenden Werkstück zu spreizen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das optische Element angepasst, die Leistungsverteilung des Laserstrahls entlang mindestens zwei Linien auf dem zu schweißenden Werkstück zu spreizen, wobei die mindestens zwei Linien in Reihe angeordnet sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das optische Element angepasst, die Leistungsverteilung des Laserstrahls entlang der ersten Richtung und einer zweiten Richtung zu spreizen, wobei die zweite Richtung mit einem Winkel zur Achse des kollimierten Laserstrahls und zur ersten Richtung verläuft.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verläuft die zweite Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Achse des kollimierten Laserstrahls und zur ersten Richtung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das optische Element angepasst, die Leistungsverteilung des Laserstrahls gemäß mindestens einem von einem quaderförmigen, rechteckigen, trapezförmigen, ovalförmigen oder ringförmigen Muster auf dem zu schweißenden Werkstück zu spreizen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das optische Element eine Anordnung von Mikrolinsen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das optische Element ein diffraktives optisches Element.
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Ein Schweißverfahren mittels eines Laserstrahls umfasst das Erzeugen eines Laserstrahls, das Kollimieren des Laserstrahls mittels eines Kollimators, und das Fokussieren des kollimierten Laserstrahls auf einen konzentrierten Punkt auf einem zu schweißenden Werkstück mittels eines Fokussierungsmittels, wobei der kollimierte Laserstrahl durch ein optisches Element zwischen dem Kollimator und dem Fokussierungsmittel geführt wird, um eine Leistungsverteilung des Laserstrahls entlang einer ersten Richtung zu spreizen, die mit einem Winkel zu einer Achse des kollimierten Laserstrahls verläuft.
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Ein weiteres Schweißverfahren mittels eines Laserstrahls umfasst das Erzeugen eines Laserstrahls, das Kollimieren des Laserstrahls mittels eines Kollimators, und das Fokussieren des kollimierten Laserstrahls auf einen konzentrierten Punkt auf einem zu schweißenden Werkstück mittels eines Fokussierungsmittels, wobei der erzeugte Laserstrahl durch ein optisches Element zwischen der Quelle für den Laserstrahl und dem Kollimator geführt wird, um eine Leistungsverteilung des Laserstrahls entlang einer ersten Richtung zu spreizen, die mit einem Winkel zu einer Achse des kollimierten Laserstrahls verläuft.
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Anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungen wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Ähnliche oder korrespondierende Einzelheiten des erfindungsgemäßen Laserschweißsystems sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen:
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1 ein Profil einer Gauß'schen Leistungsverteilung des Laserstrahls;
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2 ein Profil der Leistungsverteilung eines Laserstrahls, nachdem er durch eine Bearbeitungsoptik eines Laserschweißsystems hindurchgegangen ist;
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3 ein Profil der Leistungsverteilung eines Laserstrahls, nachdem er durch eine Bearbeitungsoptik eines Laserschweißsystems hindurchgegangen ist;
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4 eine schematische Ansicht einer Bearbeitungsoptik eines Laserschweißsystems;
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5 ein Profil der Leistungsverteilung des Laserstrahls, nachdem er durch die in 4 gezeigte Bearbeitungsoptik durchgegangen ist;
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6 eine schematische Ansicht einer Bearbeitungsoptik eines Laserschweißsystems;
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7 ein Profil der Leistungsverteilung des Laserstrahls, nachdem er durch die in 6 gezeigte Bearbeitungsoptik durchgegangen ist;
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8 eine schematische Ansicht einer Bearbeitungsoptik gemäß einer Ausführungsform eines Laserschweißsystems gemäß der vorliegenden Erfindung; und
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9 ein Profil der Leistungsverteilung des Laserstrahls, nachdem er durch die in 8 gezeigte Bearbeitungsoptik hindurchgegangen ist.
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2 zeigt ein Profil der Leistungsverteilung eines Laserstrahls, der durch eine Bearbeitungsoptik eines Laserschweißsystems erzeugt wird. Im Vergleich zu der in 1 gezeigten Gauß'schen Leistungsverteilung, ist es aus 2 ersichtlich, dass die Leistungsverteilung des Laserstrahls homogener ist, da sich die Leistung nicht nur auf einem in der Mitte gelegenen „hot spot” konzentriert, sondern sich auf einer größeren Fläche verteilt.
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Die Leistung des zentralen Teils des in 2 gezeigten Laserstrahls ist kleiner als die Leistung des korrespondierenden Teils des in 1 gezeigten Laserstrahls. Dafür ist aber die Leistung des Teils des in 2 gezeigten Laserstrahls, der am Rand des Laserstrahls liegt, größer als die Leistung des korrespondierenden Teils des in 1 gezeigten Laserstrahls. Somit wird die Leistungsverteilung des in 2 gezeigten Laserstrahls entlang einer ersten Richtung X gespreizt, die senkrecht zu der Achse des kollimierten Laserstrahls verläuft.
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Obwohl die 2 eine Spreizung der Leistungsverteilung des Laserstrahls entlang einer ersten Richtung X zeigt, die senkrecht zur Achse des kollimierten Laserstrahls verläuft, ist die vorliegende Erfindung nicht auf einen Winkel von 90° zur Achse des kollimierten Laserstrahls begrenzt, sondern das optische Element ist angepasst, die Leistungsverteilung des Laserstrahls entlang einer ersten Richtung zu spreizen, die mit einem beliebigen Winkel zur Achse des kollimierten Laserstrahls verläuft. Dies kann errreicht werden, indem das optische Element mit dem entsprechenden Winkel zur Achse des kollimierten Laserstrahls positioniert wird, z. B. durch ein Kippen der Hauptebene des optischen Elements in Bezug auf die Achse des kollimierten Laserstrahls.
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Darüber hinauswird die Leistungsverteilung des in 2 gezeigten Laserstrahls entlang einer zweiten Richtung Y, die senkrecht zur Achse des kollimierten Laserstrahls und zur ersten Richtung X verläuft, gespreizt.
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Obwohl die 2 eine Spreizung der Leistungsverteilung des Laserstrahls entlang einer ersten Richtung X und einer zweiten Richtung Y zeigt, wobei die erste Richtung X und die zweite Richtung Y zur Achse des kollimierten Laserstrahls und zueinander senkrecht sind, ist ist dies ein Spezialfall. Die Spreizung der Leistungsverteilung des Laserstrahls erfolgt entlang einer zweiten Richtung, die mit einem beliebigen Winkel zur Achse und zur ersten Richtung verläuft.
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3 zeigt eine andere Anordnung, wobei die Leistungsverteilung des Laserstrahls ausschließlich entlang der Richtung X gespreizt wird. Die Leistungsverteilung des Laserstrahls kann aber genauso entlang der Richtung Y erfolgen, wie es in der 7 dargestellt ist. Die Spreizung ist nicht auf einen bestimmten Winkel begrenzt und die Leistungsverteilung des Laserstrahls kann eigentlich unter jedem beliebigen Winkel erfolgen.
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Die Leistungsverteilung des Laserstrahls kann auf mindestens zwei Punkte auf dem zu schweißenden Werkstück gespreizt werden, wobei die mindestens zwei Punkte in Reihe angeordnet sind. Die Leistungsverteilung des Laserstrahls kann auch entlang mindestens einer Linie auf dem zu schweißenden Werkstück gespreizt werden, wie es beispielsweise in der 3 ersichtlich ist. Die Leistungsverteilung des Laserstrahls kann aber auch entlang zwei Linien auf dem zu schweißenden Werkstück gespreizt werden, wobei die mindestens zwei Linien in Reihe angeordnet sind.
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Im Folgenden wird erläutert, wie ein solcher homogenerer Schweißbereich erzielt werden kann.
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4 zeigt eine schematische Ansicht einer Bearbeitungsoptik gemäß einem ersten Beispiel eines Laserschweißsystems. Die Bearbeitungsoptik umfasst eine Quelle 1 für einen Laserstrahl, einen Kollimator 2, der den Laserstrahl kollimiert, ein Fokussierungsmittel 3, z. B. eine Linse, das den kollimierten Laserstrahl auf ein zu schweißendes Werkstück 4 fokussiert.
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Zwischen dem Kollimator 2 und dem Fokussierungsmittel 3 ist ein optisches Element 5 angeordnet, das es ermöglicht, die Leistungsverteilung des Laserstrahls mindestens entlang einer Richtung zu spreizen, die mit einem Winkel zu einer Achse des kollimierten Laserstrahls verläuft.
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Das optische Element 5 ist in der Anordnung der 4 so angeordnet, dass seine Ebene im Wesentlichen parallel zur Ebene des Kollimators 2 und des Fokussierungsmittels 3 verläuft. Das optische Element 5 kann aber gekippt werden, sodass seine Ebene mit einem Winkel zur Ebene des Kollimators 2 und des Fokussierungsmittels 3 angeordnet ist. Somit kann die Leistungsverteilung des Laserstrahls entlang einer Richtung gespreizt werden, die mit einem beliebigen Winkel zur Achse des kollimierten Laserstrahls verläuft.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das optische Element 5 eine Anordnung von Mikrolinsen.
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Mikrolinsen kommen überall dort zum Einsatz, wo optische Systeme und Messungen in den Millimeter-Bereich verkleinert werden müssen. Eingesetzt werden die Miniaturlinsen aber auch in Systemen der optischen Datenübertragung etwa für die Kopplung von Glasfasern oder im Bereich der sogenannten ”flachen” Optik. Hier werden statt einer großen Linse viele kleine Linsen nebeneinander eingesetzt und damit erheblich kürzere Abbildungsdistanzen erreicht. Original und Abbildung liegen damit viel näher beieinander. Die Bautiefe optischer Geräte läßt sich so erheblich verringern. In verschiedenen Typen von Scannern und Kopierern werden diese flachen optischen Systeme bereits heute eingesetzt. Die Originalvorlagen werden mit Mikrolinsen abgetastet und auf die lichtempfindliche Trommel übertragen.
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Ein anderes optisches Element 5 ist ein diffraktives optisches Element, statt einer Anordnung von Mikrolinsen.
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Ein diffraktives optisches Element ist ein Substrat, auf dem eine Mikrostruktur aufgetragen ist, wodurch nahezu beliebige Beugungseffekte erzeugt werden können. Bestimmte Mikrostrukturen werden durch ein lithographisches Ätzverfahren gebildet.
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Diffraktive optische Elemente werden eingesetzt, um Laserstrahlen durch Beugung an einem Gitter zu formen oder in mehrere Teilstrahlen zu zerlegen. Unterschiedliche Materialien können verwendet werden, wie z. B. ZnSe, ZnS oder GaAs.
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Das optische Element 5, das zwischen dem Kollimator 2 und dem Fokussierungsmittel 3 angeordnet ist, ermöglicht es, die Leistungsverteilung des kollimierten Laserstrahls entlang einer ersten Richtung zu spreizen, die mit einem Winkel zur Achse des kollimierten Laserstrahls verläuft. 5 zeigt eine Spreizung der Leistungsverteilung senkrecht zur Achse des kollimierten Laserstrahls entlang der ersten Richtung Y.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Leistungsverteilung des Laserstrahls entlang einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung gespreizt, wobei die zweite Richtung senkrecht zur Achse des kollimierten Laserstrahls und zur ersten Richtung verläuft. Die Leistungsverteilung des Laserstrahls kann gemäß mindestens einem von einem quaderförmigen, rechteckigen, trapezförmigen, ovalförmigen oder ringförmigen Muster auf dem zu schweißenden Werkstück gespreizt werden. Das entsprechende Muster wird durch die entsprechende Wahl des optischen Elements realisiert.
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6 zeigt eine schematische Ansicht einer Bearbeitungsoptik gemäß einem zweiten Beispiel eines Laserschweißsystems.
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Die Bearbeitungsoptik umfasst eine Quelle 1 für einen Laserstrahl, einen Kollimator 2, der den Laserstrahl kollimiert, ein Fokussierungsmittel 3, z. B. eine Linse, das den kollimierten Laserstrahl auf ein zu schweißendes Werkstück 4 fokussiert.
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In dieser Anordnung ist das optische Element 5 zwischen der Quelle 1 für den Laserstrahl und dem Kollimator 2 angeordnet. 7 zeigt die Spreizung der Leistungsverteilung entlang der ersten Richtung Y. Eine Spreizung der Leistungsverteilung kann aber auch mit jedem beliebigen Winkel erfolgen.
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8 zeigt eine schematische Ansicht einer Bearbeitungsoptik gemäß einer Ausführungsform eines Laserschweißsystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Die Bearbeitungsoptik umfasst eine Quelle 1 für einen Laserstrahl, einen Kollimator 2, der den Laserstrahl kollimiert, ein Fokussierungsmittel 3, z. B. eine Linse, das den kollimierten Laserstrahl auf ein zu schweißendes Werkstück 4 fokussiert.
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In dieser Ausführungsform ist das optische Element 5, wie in der zweiten Ausführungsform, zwischen der Quelle 1 für den Laserstrahl und dem Kollimator 2 angeordnet. Zusätzlich ist ein bifokales Element zwischen dem Kollimator 2 und dem Fokussierungsmittel 3 angeordnet. 9 zeigt die Spreizung der Leistungsverteilung der beiden vom bifokalen Element erzeugten Laserstrahlen entlang der ersten Richtung Y.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, einen homogenen Schweißbereich zu erzielen, dadurch, dass die Leistungsverteilung entlang einer Richtung gespreizt wird, die mit einem Winkel zur Achse des kollimierten Laserstrahls verläuft. So wird ein günstigerer Energieeintrag bei einer schlechten Schweißpunktposition gewährleistet. Die Erfindung eignet sich insbesondere für das Linienschweißen im Stanzbetrieb. Bezugszeichenliste
| 1 | Quelle für einen Laserstrahl |
| 2 | Kollimator |
| 3 | Fokussierungsmittel |
| 4 | zu schweißendes Werkstück |
| 5 | optisches Element |
| 6 | bifokales Element |
