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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Laserbearbeitungsoptik zum Schweißen oder Löten von Werkstücken mittels eines Laserstrahls. Durch das Verfahren wird neben einer verbesserten Kantenanbindung der Löt- bzw. Schweißnaht und damit einer erhöhte Nahtqualität auch eine erhöhte Prozesseffizienz ermöglicht.
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Zum Fügen von zwei Werkstücken mittels Laserstrahl sind das Laserschweißen und das Laserlöten bekannt. In beiden Fällen werden Werkstücke an einem Fügestoß unter Aufschmelzung eines Materials zusammengefügt. Während beim Laserschweißen die Werkstücke, bzw. deren Oberflächen, aufgeschmolzen werden, wird beim Laserlöten nur ein auf den Fügestoß aufgebrachter oder in den Fügestoß eingebrachter Lötdraht aufgeschmolzen.
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Das Laserstrahlschweißen wiederum kann auch unter Verwendung eines Zusatzdrahtes erfolgen, beispielsweise bei einer großen Spaltbreite des Fügestoßes. Der Zusatzdraht wird in oder auf den Spalt des Fügestoßes positioniert; der Laserstrahl schmilzt sodann die Ränder der beiden Werkstücke am Fügestoß und den Zusatzdraht auf, wodurch ein Schmelzbad gebildet wird.
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Der Energieeintrag beim Fügen zweier Werkstücke mittels Laser ist gekennzeichnet durch die räumliche Strahlungsintensitätsverteilung, und damit die Energieverteilung, des Laserbrennflecks (auch Laserspot genannt) in der Bearbeitungsebene. Die Bearbeitungsebene ist zum Beispiel bei einem Stumpfstoß üblicherweise am Fügestoß auf der Oberfläche der beiden zu fügenden Werkstücke positioniert. Oftmals werden Laserspots eingesetzt, die entweder ein rotationssymmetrisches rechteckförmiges oder Gauß-förmiges Profil ihrer Strahlungsintensitätsverteilung im Querschnitt aufweisen. Es sind aber auch, wie weiter unten beschrieben, Rechteck- oder Linienfokus Optiken bekannt, die einen nicht-rotationssymmetrischen Laserspot erzeugen. Die Energieverteilung entlang einer Linie im Querschnitt des Laserspots folgt dabei im Wesentlichen einem Rechteckprofil oder einer Gauß-Verteilung, d. h., die Energieverteilung entlang dieser Linie ist weitestgehend homogen bzw. weist ein Maximum im Zentrum des Laserspots auf.
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Beim Laserstrahlschweißen unter Verwendung eines Zusatzdrahtes ist eine derartige Energieverteilung allerdings ungünstig, da der größere Anteil der Laserlichtintensität auf den Zusatzdraht trifft und nur ein geringer Teil auf die zu fügenden Werkstücke. Zum einen werden für den Zusatzdraht i. d. R. niedrigschmelzende Legierungen eingesetzt, weswegen zum Aufschmelzen bereits eine im Vergleich zu den Werkstücken kleine Energiemenge ausreicht, zum anderen wird ein Teil der auf den Zusatzdraht treffenden Laserleistung ungenutzt reflektiert.
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Zur Lösung dieses unerwünschten Effektes können z. B. zwei Laserstrahlen zum Fügen bzw. zwei Laserspots in der Bearbeitungsebene eingesetzt werden.
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DE 10 2011 016 579 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laserstrahlschweißen mittels zweier Laserstrahlen unterschiedlicher Leistungsdichte, wobei die Laserbrennflecke in Vorschubrichtung hintereinander angeordnet sind. Hierfür können zwei getrennte Laser oder ein Laser, dessen Laserstrahl aufgeteilt wird, verwendet werden.
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WO 98/51442 beschreibt eine Vorrichtung zum Schweißen mit zwei Laserbrennflecken, wobei die beiden, in einem variierbaren Abstand zueinander parallel verlaufenden Laserteilstrahlen mittels Spiegeln aus einem Laserstrahl erzeugt werden. Hier sind die Laserbrennflecke auf einer Linie senkrecht zur Schweißnaht angeordnet, d. h., jeder der beiden Laserteilstrahlen wird auf ein ihn zugeordnetes Werkstück abgebildet.
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DE 199 61 918 C2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Strahlteilung eines Laserstrahles mit einem variablen Linsensystem zur Erzeugung von wenigstens zwei Laserbrennflecken auf einem zu bearbeitenden Werkstück, wobei Abstand und Intensität der Laserbrennflecke kontinuierlich verändert werden können. Hier sind die Laserbrennflecke bevorzugt auf einer Linie senkrecht zur Schweißnaht angeordnet, mittels einer Drehvorrichtung kann die Anordnung der Laserbrennflecke auch beliebig bezüglich der Schweißnaht variiert werden.
DE 101 13 471 A1 offenbart ein Verfahren zum Hybridschweißen mittels eines Laserdoppelfokus.
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DE 102 61 422 B4 zeigt ein Laserschweiß- und lötverfahren sowie die entsprechende Vorrichtung, bei denen ein Laserstrahl mittels einer variablen optischen Anordnung mit einem Prisma und einem Linsensystem in wenigstens zwei getrennt fokussierbare Teillaserstrahlen unterschiedlicher Intensität aufgeteilt wird, wobei die Teillaserstrahlen hinsichtlich ihrer Leistungsaufteilung, hinsichtlich ihrer Fokuslagenverdrehung bezüglich der Fügenaht und/oder hinsichtlich ihres Arbeitspunkteabstandes eingestellt werden können, sodass zwei getrennte Laserbrennflecke zum Fügen nutzbar sind. Hierbei wird ein erster Teilstrahl auf die Bearbeitungsebene fokussiert, während ein zweiter auf eine Fokusebene oberhalb der Bearbeitungsebene fokussiert wird, sodass dieser zweite Teilstrahl in der Bearbeitungsebene aufgeweitet ist und eine gegenüber dem ersten Teilstrahl geringere Energiedichte aufweist.
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Mittels der in
JP H07-60 470 A offenbarten Vorrichtung zum Schweißen ist ebenfalls die Aufteilung eines Laserstahls in Teilstrahlen vorgesehen, wobei die separaten Teilstrahlen zum gleichzeitigen Schweißen an verschiedenen Punkten eines Bauteils angewandt werden, um thermisch bedingte Spannungen zu reduzieren.
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Weitere Techniken zur Erzeugung von zwei Teillaserstrahlen und deren Nutzung zur Materialbearbeitung sind in
DE 196 19 339 A1 ,
WO 95/11101 A1 ,
DE 197 51 195 C1 und
DE 43 16 829 A1 offenbart, wobei bei diesen Techniken nur eingeschränkte Anpassungsmöglichkeiten an die Erfordernisse eines Materialbearbeitungsprozesses möglich bzw. diese technisch nur sehr aufwendig zu realisieren sind.
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Den beschriebenen Verfahren bzw. Vorrichtungen ist gemeinsam, dass jeweils mindestens zwei getrennte Laserspots zur Bearbeitung eingesetzt werden, wobei die Strahlungsintensitätsverteilung in den Laser- bzw. Laserteilstrahlen entweder das typische Gauß-Profil oder, z. B. bei Abbildung eines Faserendes, eine homogene, rechteckförmige Intensitätsverteilung (auch Tophat genannt) entlang einer Linie durch den jeweiligen Querschnitt der Laserspots aufweist.
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In
EP 1 525 972 A2 ist ein Laserstrahlschweißverfahren beschrieben, bei dem der Laserstrahl in Teilstrahlen aufgeteilt wird, wobei die Teilstrahlen entweder separat oder überlagert zum Schweißen genutzt werden. Eine gezielte Gestaltung der Gesamtintensitätsverteilung der überlagerten Teilstrahlen ist hierin nicht offenbart.
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Es ist auch die Aufweitung des Laserspots auf eine rechteckige Fläche in der Bearbeitungsebene bekannt.
DD 229 332 A1 zeigt eine Anordnung, bei der ein Laserstrahl mit kreisförmigen Querschnitt und Gaußscher Strahlungsintensitätsverteilung mittels einer oder zweier Zylinderlinsen auf den Schweißnahtbereich rechteckförmig fokussiert bzw. defokussiert wird. Doch auch bei diesem Verfahren zeigt der Laserbrennfleck in seiner Mitte das Maximum der Strahlungsintensität, die dem eigentlichen Fügen dient. Die weniger große Strahlungsintensität am Brennfleckrand wird zur Vor- bzw. Nacherwärmung des zu fügenden bzw. des bereits gefügten Werkstückbereiches genutzt.
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Ein Verfahren zur Modifikation der Strahlungsintensitätsverteilung in nur einem Laserstrahl ist in
DE 40 34 744 C2 beschrieben. Hier erfolgt zuerst eine Aufteilung eines Laserstrahles in zwei Teilstrahlen, danach eine Modifikation der Eigenschaften eines Teilstrahles und schließlich eine Zusammenführung der beiden Teilstrahlen zu einem Gesamtstrahl. Hierdurch wird auch eine Modifikation der Strahlungsintensitätsverteilung im zusammengesetzten Laserstrahl in der Art möglich, dass zwei Gauß-Profile mit jeweils unterschiedlichen Parametern zu einem Gesamtprofil addiert werden, wobei die jeweiligen Maxima der einzelnen Gauß-Profile an derselben räumlichen Position zu liegen kommen. Somit ist auch der zusammengesetzte Laserspot durch eine zum Rand hin abfallende Lichtintensität gekennzeichnet.
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Dem Fachmann bekannt ist auch die Powell Linse, benannt nach ihrem Erfinder und detailliert beschrieben in
US 4,826,299 A , zur Erzeugung eines linienartigen Laserspots, wobei die Intensitätsverteilung entlang der Linie weitestgehend konstant ist. Dies wird erreicht durch eine Transformation des Laserstrahls mittels Azylinder in der Richtung dieser Linie. Senkrecht zu der Linie ist der Laserstrahl auf die Bearbeitungsebene fokussiert.
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WO 2014/052239 A1 offenbart eine Vorrichtung unter Verwendung einer Powell Linse, bei der die Energieverteilung entlang des projizierten linienartigen Laserspots noch weiter homogenisiert ist. Quer zur Linie bleibt jedoch weiterhin ein Gauß-ähnliches Intensitätsprofil erhalten, d. h., die Energiedichteverteilung über den Linienquerschnitt, d. h. senkrecht zur Linie, weist in der Mitte ein Maximum auf, während sie zu den Rändern hin kontinuierlich abfällt.
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Eine weitere Einschränkung der Powell Linse ist, dass die Linienbreite des Laserspots, d. h. die Ausdehnung des linienartigen Laserspots quer zur Linie, durch den Strahlquerschnitt des eingekoppelten Laserstrahls fest vorgegeben ist. Die wirksame Spotbreite ist durch den verwendeten Keilwinkel ebenfalls vorgegeben, wobei die Strahlungsintensität an der Fügenaht und den Rändern der Fügenaht identisch ist. Eine Erhöhung des integralen Energieeintrags in die Werkstücke neben der Naht wäre nur durch eine Verlängerung der Laserspotlinie möglich, wobei allerdings auch – bei gleichzeitiger Verringerung der Energiedichte – der Bereich des Energieeintrages vergrößert wird.
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Wünschenswert wäre ein Laserfügeverfahren, bei dem die geometrische Form des Laserspots und seine Energieverteilung in der Bearbeitungsebene in der Art modifizierbar ist, dass zum Fügen nur ein Laserspot und ein möglichst einfacher optischer Aufbau benötigt wird, wobei die Energiedichte im Randbereich des Laserspots – bevorzugt unmittelbar neben dem Fügestoß, d. h. an den Flanken der Naht – am höchsten ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beim Laserstrahlfügen durch eine – im Vergleich zum Stand der Technik – effektivere (sowie in gewissen Grenzen vorgebbare) Verteilung der Strahlungsintensität im Brennfleck unter Ausbildung von schärferen Brennfleckaußenkanten auf den zu fügenden Werkstücken bzw. der Schweißnaht die Kantenanbindung und damit die Nahtqualität zu verbessern, wobei gleichzeitig durch eine Erhöhung des Energieeintrags in die Fügepartner gegenüber des Energieeintrags an der Position des Fügestoßes die Energiebilanz des Laserstrahlfügeprozesses, insbesondere beim Laserstrahlschweißen mit Zusatzdraht, verbessert werden soll. Außerdem soll die räumliche Ausdehnung des Brennflecks in der Bearbeitungsebene längs zum Fügestoß variierbar sein, wobei der Bereich hoher Energiedichte des auf die Fügepartner einwirkenden Laserbrennflecks insbesondere in Vorschubrichtung an den Flanken der Naht eine Länge aufweisen soll, die im Idealfall der Längenausdehnung des Laserbrennflecks in dieser Richtung entspricht.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 sowie eine Laserbearbeitungsoptik gemäß Patentanspruch 5; zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß erfolgt eine effektivere Verteilung der Strahlungsintensität im Laserbrennfleck (unter Ausbildung von – im Vergleich zum Stand der Technik – schärferen Brennfleckaußenkanten) in einer Bearbeitungsebene auf den zu fügenden Werkstücken bzw. der Schweißnaht beim Laserstrahlfügen durch eine Modifikation der Laserbrennfleckgeometrie sowie der Strahlungsintensitätsverteilung im Querschnitt des in der Bearbeitungsebene defokussierten Laserstrahls. Diese Modifikationen des Laserbrennflecks werden durch eine geometrische Aufteilung des Laserstrahls in Teilstrahlen, ein erfindungsgemäßes Ablenken der Strahlrichtungen der Teilstrahlen relativ zueinander und ein örtliches sowie orientierungsrichtiges Zusammenführen der Teilstrahlen in der Bearbeitungsebene erreicht, wobei in der Bearbeitungsebene ein aus den Teilstrahlen kombinierter Laserbrennfleck mit einer durch die Aufteilung und Ablenkung definierten Strahlungsintensitätsverteilung gebildet wird.
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Die Defokussierung des Laserstrahls erfolgt vorzugsweise in der Art, dass eine Benutzung des Laserbrennflecks im sogenannten Fernfeld erfolgt, d. h., der Abstand der Bearbeitungsebene vom Fokus ist größer, vorzugsweise Weise sehr viel größer als die Rayleighlänge des Laserstrahls, wobei der Fokus in Laserstrahlrichtung unterhalb der Bearbeitungsebene liegt. In diesem Fall weist die Strahlungsintensitätsverteilung (des ungeteilten Laserstrahls) in der Bearbeitungsebene ein Gauß-förmiges Profil auf.
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Unter geometrischer Aufteilung des Laserstrahls wird folgendes Verfahren verstanden:
Der Laserstrahl, aufweisend eine geometrische Form des Strahlquerschnitts in einer Ebene senkrecht zum Strahl, wird in der Art durch Zerschneiden des Strahlquerschnitts geteilt, dass die durch die Teilung gebildeten Teilstrahlen eine geometrische Form ihres Teilstrahlquerschnitts aufweisen, die eine Fraktion (d. h. ein Teilstück) der geometrischen Form des Strahlquerschnitts des ungeteilten Laserstrahls ist, wobei durch ein „Zusammenfügen“ aller durch die Aufteilung erzeugten Teilstrahlquerschnitte in einer Ebene wieder die geometrische Form des (ungeteilten) Strahlquerschnitts gebildet werden kann.
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Durch ein z. B. einmaliges, vorzugsweise mittiges Teilen des beispielsweise kreisrunden Strahlquerschnitts entlang der Teilungsrichtung entstehen auf diese Art zwei Teilstrahlen, deren Teilstrahlquerschnitte jeweils die geometrische Form eines Halbkreises aufweisen. Im Falle einer Gaußschen Strahlungsintensitätsverteilung im Strahlquerschnitt des ungeteilten Laserstrahls weisen die beiden Teilstrahlen im Teilstrahlquerschnitt längs der Teilungsrichtung auch eine Gaußsche Strahlungsintensitätsverteilung auf. Quer zur Teilungsrichtung hingegen weist die Strahlungsintensitätsverteilung in einem Teilstrahlquerschnitt im Fernfeld ein Profil auf, das einer im Maximum abgeschnittenen Gauß-Kurve entspricht. Somit zeigen die beiden Teilstrahlen eine von null bis auf einen Maximalwert monoton ansteigende Verteilung der Strahlungsintensität im Teilstrahlquerschnitt quer zur Teilungslinie des kreisrunden Laserstrahlquerschnitts mit asymmetrischer und spiegelbildlicher Lage des Maximums. Der Abstand der Schnittkanten der abgeschnittenen Gauß-Kurven quer zur Teilungsrichtung, also in Richtung des Strahlversatzes in der Bearbeitungsebene, wird im folgenden „Strahlversatz“ genannt.
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Erfindungsgemäß erfolgt die geometrische Teilung des defokussierten Laserstrahls vorzugsweise in der eben beschriebenen Art, nämlich dass der (runde) Querschnitt des Laserstrahles entlang einer oder mehrerer Sehnen (die bevorzugt in der Nähe der Laserstrahlachse verlaufen) in Teilstrahlen mit jeweils einem Teilstrahlquerschnitt, z. B. Kreissegmente, zerlegt wird. In einem Teilstrahl steigt die Strahlungsintensität (im Fernfeld) entlang einer (senkrecht zu der Teilungslinie angeordneten) Richtung im Teilstrahlquerschnitt von einem Minimalwert an einem ersten äußeren Rand des Teilstrahlquerschnitts monoton auf einen Maximalwert an dem, dem ersten äußeren Rand des Teilstrahlquerschnitts gegenüberliegenden, zweiten äußeren Rand.
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Durch die Positionierung der den Laserstrahl teilenden Sehne bzw. Sehnen innerhalb des Laserquerschnitts ist eine definierte Aufteilung der Laserleistung auf die einzelnen Teilstrahlen möglich.
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Die Überlagerung der Teilstrahlen in der Bearbeitungsebene erfolgt sodann in der Art, dass die Teilstrahlen mit einem örtlichen Versatz ihrer Strahlachse zueinander auf die Bearbeitungsebene auftreffen, wobei der durch die Überlagerung der Teilstrahlen in der Bearbeitungsebene gebildete Brennfleck vorzugsweise eine Überlagerung von Kreissegmenten darstellt und eine rechteckige Einhüllende aufweist.
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Das Summenprofil der Strahlungsintensitäten der überlagerten Teilstrahlen in der Bearbeitungsebene entlang einer Linie, die durch den Versatz der Strahlachsen von zwei Teilstrahlen in der Bearbeitungsebene definiert ist, weist einen ersten Maximalwert am ersten Randabschnitt des Laserbrennflecks, einen zwischen den beiden Randabschnitten angeordneten Minimalwert und am zweiten, dem ersten gegenüberliegenden Randabschnitt des Laserbrennflecks einen zweiten Maximalwert auf.
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Der erste Maximalwert der Strahlungsintensität, d. h. der Lichtintensität, kann identisch zu dem zweiten Maximalwert sein. Der Minimalwert der Strahlungsintensität ist abhängig vom Versatz der beiden kombinierten Teilstrahlen und der Defokussierung des ungeteilten Laserstrahls.
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Gemäß einer Ausführung des Verfahrens ist der Versatz der Teilstrahlen in der Bearbeitungsebene derart gewählt, dass die räumliche Ausdehnung des aus der Kombination der Teilstrahlen gebildeten Laserbrennflecks in der Bearbeitungsebene in der durch den Versatz der beiden Teilstrahlen definierten Richtung im Wesentlichen dem Durchmesser eines Laserspots entspricht, der entstehen würde, wenn der Laserstrahl ungeteilt auf die Bearbeitungsebene treffen würde. In diesem Fall wird – bei einer im ungeteilten, defokussierten Laserstrahl vorliegenden Gauß-förmigen Strahlungsintensitätsverteilung – der oben genannte Minimalwert der Strahlungsintensität im Zentrum des aus den Teilstrahlen gebildeten Laserbrennflecks etwa null und ist auf nur einen Punkt in der Strahlungsintensitätsverteilung begrenzt. Der Strahlversatz sollte erfindungsgemäß in der Bearbeitungsebene zwischen 30% und 100%, vorzugsweise 50% bis 80%, des Strahldurchmessers des ungeteilten Laserstrahls betragen.
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Wird der Strahlversatz zwischen den Teilstrahlen in der Bearbeitungsebene demgegenüber größer als der Durchmesser des (ungeteilten) Laserstrahls in der Bearbeitungsebene gewählt, so entsteht in der Strahlungsintensitätsverteilung des aus den Teilstrahlen gebildeten Laserbrennflecks ein (ausgedehnter) Bereich mit dem Minimalwert von etwa null – es erscheint sozusagen eine Lücke im Profil der Intensität.
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Bei einem Strahlversatz kleiner als der Durchmesser und größer als der Radius des (ungeteilten) Laserstrahls in der Bearbeitungsebene entsteht eine Strahlungsintensitätsverteilung im Laserbrennfleck auf der Bearbeitungsebene entlang der durch den Versatz der beiden Teilstrahlen definierten Richtung, bei der der Minimalwert der Intensität größer als null ist.
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Vorzugsweise erfolgt die geometrische Strahlteilung (z.B. mit einer Dachplatte oder einem segmentierten Spiegel oder einer Linse, die in strahlteilenden Zonen einen Keilwinkel enthält) mit Erzeugung mindestens eines Ablenkwinkels quer zur Vorschubrichtung in der Art, dass die Teilstrahlen bezüglich der ursprünglichen Achse des Laserstrahls so (sich im weiteren Verlauf kreuzend) abgelenkt werden, dass die Auftreffpunkte der jeweiligen Teilstrahlachsen, d. h. der Strahlversatz in der Bearbeitungsebene, für die Fügeaufgabe optimal beabstandet sind.
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Der durch das Laserstrahlfügeverfahren gebildete Laserbrennfleck weist verfahrensimmanent in der Regel eine rechteckige Einhüllende auf. Bei einer (einmaligen) geometrischen Aufteilung des Laserstrahls entlang einer Linie (d. h. Sehne im kreisförmigen Strahlquerschnitt) parallel zur Vorschubrichtung wird dadurch ein, im Vergleich zu einem ungeteilten Laserstrahl, in Vorschubrichtung verlängerter Bereich hoher Lichtintensität links und rechts neben der Fügenaht ausgebildet. Somit wird ein Laserbrennfleck mit relativ scharfen und langen, entlang der Bearbeitungsrichtung (Schweiß-/Lötrichtung) ausgerichteten Kanten mit hoher Strahlungsintensität erzeugt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den Laserstrahl mindestens einmal geometrisch aufzuteilen, wobei bei einer geometrischen Teilung eines (Teil-)Strahls zwei Teilstrahlen gebildet werden, d. h., mit jeder geometrischen Teilung werden aus einem Strahl oder Teilstrahl zwei Teilstrahlen erzeugt. Es ist also auch vorgesehen, den Laserstrahl mehrfach geometrisch aufzuteilen. Beispielsweise können so vier Teilstrahlen gebildet werden, die in der Art zusammengeführt werden, dass ein im Wesentlichen rechteckiger Laserbrennfleck in der Bearbeitungsebene entsteht, dessen Strahlungsintensitätsverteilung in den vier Ecken des Rechtecks jeweils ein Maximum aufweist.
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Vorzugsweise wird die geometrische Teilung in der Art durchgeführt, dass die Lichtintensität des (kombinierten) Laserbrennflecks in der Bearbeitungsebene Intensitätsmaxima in den beiden Bereichen des Laserbrennflecks neben der Fügenaht, bzw. neben einem an der Fügenaht angeordneten Zusatzdraht, aufweist, wobei das absolute Minimum der Intensitätsverteilung im Laserbrennfleck auf den Fügestoß abgebildet wird.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Laserstrahlfügeverfahrens ist beispielsweise beim Laserschweißen von zwei Werkstücke unter Verwendung eines Zusatzdrahtes an einem Fügestoß die Möglichkeit der Erhöhung der Lichtintensität und damit der Energiedichte an den beiden Rändern längs zum Fügestoß der sich beim Fügen ausbildenden Fügenaht. Somit trifft auf den Zusatzdraht eine geringere Laserleistung als auf die beiden Werkstückoberflächen unmittelbar neben dem Zusatzdraht, wobei an den Flanken der Naht zwei in Vorschubrichtung länglich ausgebildete Bereiche hoher Strahlungsintensität ausgebildet sind. Daher wird mittels der Erfindung die Energiebilanz verbessert, wobei nur ein Laserbrennfleck eingesetzt wird.
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Durch das Arbeiten im Fernfeld, wobei der Fokus unterhalb der Bearbeitungsebene liegt, weist der Laserbrennfleck – im Unterschied zu den strahlteilenden Varianten aus dem Stand der Technik – an seinem äußeren Rand, insbesondere entlang der Naht, eine relativ gerade Kante auf.
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Die Intensitätserhöhung an den Rändern der Fügenaht in Verbindung mit der in Vorschubrichtung – im Vergleich zu einem Laserbrennfleck nach dem Stand der Technik – vergrößerten Einwirklänge des Laserbrennflecks verbessert außerdem die Kantenanbindung und damit die Qualität der Fügenaht.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Laserstrahlfügeverfahrens ist eine durch den speziellen Flächenenergieeintrag bewirkte Temperaturverteilung im Schmelzbad, die eine verbesserte Entgasung der Schmelze und somit, im Vergleich zu Verfahren nach dem Stand der Technik, eine Reduktion der Porenanzahl in der erstarrten Fügenaht sowie eine reduzierte Rauheit der Fügenaht bewirkt.
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Das erfindungsgemäße Laserstrahlfügeverfahren kann sowohl in festen Laserbearbeitungsoptiken verwendet werden, als auch in scannenden Laserbearbeitungssystemen oder solchen mit integrierter Nahtführung.
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Vorzugsweise wird für das Verfahren Multimode Laserstrahlung verwendet, die z. B. mittels Faserkopplung von Multi-Kilowatt-Lasern erzeugbar ist, da bei einer Laserstrahlung nahe dem Grundmode die auftretenden Beugungsmuster die gewünschten Intensitätsverteilungen beeinträchtigen.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Laserstrahlfügeverfahrens wird eine nachfolgend beschriebene Laserbearbeitungsoptik zur Verwendung in einer Laserfügevorrichtung bereitgestellt.
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Die Laserbearbeitungsoptik umfasst eine Kollimationseinrichtung, eine Fokussiereinrichtung und eine Strahlteilungseinrichtung, die alle entlang einer optischen Achse angeordnet sind. Die Strahlteilungseinrichtung kann ein oder mehrere strahlteilende Elemente aufweisen.
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Im Strahlengang des Laserstrahls kann zuerst die Kollimationseinrichtung, dahinter die Fokussiereinrichtung und zuletzt die Strahlteilungseinrichtung angeordnet sein. Es kann auch vorgesehen sein, die Strahlteilungseinrichtung im Laserstrahlengang zwischen der Kollimationseinrichtung und der Fokussiereinrichtung anzuordnen. Schließlich ist es auch möglich, die Strahlteilungseinrichtung im Strahlengang des Laserstrahls vor Kollimationseinrichtung und Fokussiereinrichtung anzuordnen.
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Falls die Strahlteilungseinrichtung mehrere, getrennte Elemente enthält, können diese einzelnen Elemente auch voneinander getrennt gemäß o. g. Positionen im Strahlengang angeordnet sein.
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Die Strahlteilungseinrichtung kann durch transmittierende Elemente, wie beispielsweise eine Keilplatte oder eine Dachplatte (d. h. eine Keilplatte mit zwei Keilsegmenten), oder durch reflektierende Elemente, wie beispielsweise segmentierte Spiegel (d. h. Spiegel, deren spiegelnde Oberfläche in einzelne Segmente unterteilt ist, wobei die Normalenvektoren auf die Oberflächen der Segmente zueinander jeweils um einen Winkel gedreht sind), realisiert sein.
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Die Laserbearbeitungsoptik kann weiter eine oder mehrere Zylinderlinsen umfassen, die eine Skalierung der geometrischen Abmessungen bzw. der geometrischen Form des Laserbrennflecks in der Bearbeitungsebene ermöglichen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, mittels einer geeigneten Kombination aus konvexen und konkaven Zylinderlinsen eine länglich rechteckige Form des Laserbrennflecks zu erlangen, wobei die Ausdehnung des Laserbrennflecks längs zur Vorschubrichtung wesentlich größer ist als seine Ausdehnung quer zur Vorschubrichtung.
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Die Strahlteilungseinrichtung kann ferner mit einer azylindrischen Übergangszone ausgestattet sein, die eine selektive Aufteilung der Laserintensität auf die einzelnen Teilstrahlen ermöglicht, indem jeweils ein Teil der Laserstrahlung in Abhängigkeit des Auftreffpunktes unterschiedlich abgelenkt wird.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Strahlteilungseinrichtung und die Fokussiereinrichtung in einem einzigen optischen Element zusammengefasst sind. Hierzu kann dieses optische Element beispielsweise eine in Segmente unterteilte, fokussierende Grenzfläche zwischen zwei optischen Medien (z. B. Luft und Glas) aufweisen. Die Segmente der Grenzfläche besitzen jeweils einen Normalenvektor der Oberfläche. Die Normalenvektoren benachbarter Segmente sind jeweils um den Winkel, um den die Teilstrahlen zueinander verkippt verlaufen, gedreht, sodass die Teilstrahlen beim Aufteilen des Laserstrahls entsprechend abgelenkt werden. Die Segmente können scharfe Begrenzungen zu benachbarten Segmenten aufweisen, sie können aber auch stetig ineinander übergehen, um eine selektiv angepasste Intensitätsverteilung in die einzelnen Teilstrahlen zu erreichen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dazu zeigen in schematischer Darstellung die
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1 einen Strahlengang in einer Laserbearbeitungsoptik im Querschnitt und die Strahlungsintensitätsverteilung im Laserstrahl aus dem Stand der Technik;
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2 einen Strahlengang in einer Laserbearbeitungsoptik im Querschnitt und die Strahlungsintensitätsverteilung im Laserbrennfleck gemäß der Erfindung;
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3 jeweils einen Querschnitt durch drei Varianten der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsoptik;
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4 eine Draufsicht auf den Fügestoß und die Fügenaht zweier Werkstücke am Wirkungsort während Durchführung des erfindungsgemäßen Laserstrahlfügeverfahrens mit zwei Teilstrahlen; und
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5 eine Draufsicht auf den Fügestoß und die Fügenaht zweier Werkstücke am Wirkungsort während Durchführung des erfindungsgemäßen Laserstrahlfügeverfahrens mit vier Teilstrahlen.
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1 zeigt den Strahlengang des Laserstrahls 7 in einer Laserbearbeitungsoptik gemäß dem Stand der Technik. Der Laserstrahl 7, der in seinem Querschnitt die Gauß-förmige Strahlungsintensitätsverteilung 3.1 aufweist, wird von der Fokussiereinrichtung 5 auf die Laserfokusebene 9 fokussiert, wodurch in der Bearbeitungsebene 8 der (defokussierte) Laserbrennfleck 18 gebildet wird, der in seinem Querschnitt die Strahlungsintensitätsverteilung 3.2 aufweist. Das Maximum der beiden Gauß-förmigen Strahlungsintensitätsverteilungen 3.1 bzw. 3.2 liegt jeweils auf der Strahlachse 10.
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2 zeigt den Strahlengang des Laserstrahls 7 gemäß der Erfindung. Der Laserstrahl 7, der in seinem Querschnitt die Strahlungsintensitätsverteilung 3.1 aufweist, wird von der Fokussiereinrichtung 5 auf die Laserfokusebene 9 fokussiert und von der Strahlteilungseinrichtung 6, hier in Form einer Dachplatte, in zwei Teilstrahlen 19 aufgeteilt und in der Art abgelenkt, dass von den beiden Teilstrahlen 19 in der Bearbeitungsebene 8 der zusammenhängende Laserbrennfleck 18 gebildet wird. Der Abstand der Bearbeitungsebene 8 von der Laserfokusebene 9 entlang der Strahlachse 10 ist hierbei sehr viel größer als die Rayleighlänge des Laserstrahls 7. Die Strahlungsintensitätsverteilung 20 dieses Laserbrennflecks 18 entlang der in der 2 markierten Richtung y weist an den beiden Rändern 21 des Laserbrennflecks 18 zwei scharfe Maxima auf, während sie im Bereich der Strahlachse 10 auf null absinkt.
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In 3 sind drei Ausgestaltungsvarianten a, b und c der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsoptik bezüglich der Anordnung von der Kollimationseinrichtung 4, der Fokussiereinrichtung 5 und der Strahlteilungseinrichtung 6 entlang der Strahlachse 10 dargestellt. Die Einkopplung des Laserstrahls erfolgt mittels der Lichtleitfaser 2.
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4 zeigt eine Draufsicht auf den Fügestoß 11 bzw. die Schweißnaht 15 zwischen den beiden Werkstücken 12 und 13 während des Schweißprozesses mit Zusatzdraht nach dem erfindungsgemäßen Laserstrahlfügeverfahren. Der Zusatzdraht 14 wird auf den Fügestoß 11 gebracht und im Laserbrennfleck 18 aufgeschmolzen. Der Laserstrahl wird in diesem Beispiel einmal in zwei Teilstrahlen geteilt, die jeweils den Teil-Laserbrennfleck 18.1 bzw. 18.2 ausbilden. Der sich aus den beiden Teil-Laserbrennflecken 18.1 und 18.2 zusammensetzende, weitestgehend quadratische Laserbrennfleck 18 ist durch die Länge 17 in Vorschubrichtung und die Breite 16 quer zur Vorschubrichtung gekennzeichnet. Deutlich zu sehen sind die Stellen intensiver Lasereinstrahlung an den beiden parallel zu dem Fügestoß 11 angeordneten Rändern des Laserbrennflecks 18, d.h. auf den Randbereichen der zu beiden Seiten des Fügestoßes 11 angeordneten Werkstücke 12 und 13, entlang der gesamten Länge 17 des Laserbrennflecks 18.
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In analoger Weise ist in 5 die Draufsicht auf den Fügestoß 11 zwischen den beiden Werkstücken 12 und 13 während des Schweißprozesses mit Zusatzdraht nach dem erfindungsgemäßen Laserstrahlfügeverfahren bei geometrischer Aufteilung des Laserstrahls in vier Teilstrahlen, die an der zu erstellenden Schweißnaht 15 überlagert werden, zu sehen. In diesem Fall ist der in der Bearbeitungsebene quadratisch geformte Laserbrennfleck 18 aus vier viertelkreisförmigen Teil-Laserbrennflecken 18.1 bis 18.4 der vier Teilstrahlen zusammengesetzt. In diesem Beispiel erreicht die Strahlungsintensität in den vier Eckpunkten des Laserbrennflecks 18 jeweils ein Maximum, während sie im Zentrum des Laserbrennflecks 18 praktisch null ist.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Lichtleitfaser
- 3
- Strahlungsintensitätsverteilung
- 4
- Kollimationseinrichtung
- 5
- Fokussiereinrichtung
- 6
- Strahlteilungseinrichtung
- 7
- Laserstrahl
- 8
- Bearbeitungsebene
- 9
- Laserfokusebene
- 10
- Strahlachse des Laserstrahls
- 11
- Fügestoß
- 12
- Werkstück 1
- 13
- Werkstück 2
- 14
- Zusatzdraht
- 15
- Fügenaht
- 16
- Nahtbreite
- 17
- Einwirklänge des Laserbrennflecks
- 18
- Laserbrennfleck
- 19
- Teilstrahl
- 20
- Strahlintensitätsverteilung entlang der y-Richtung in der Bearbeitungsebene
- 21
- Rand des Laserbrennflecks
- x
- Vorschubrichtung
- y
- Richtung in der Bearbeitungsebene quer zur Vorschubrichtung
