DE102015218564B4 - Laserbearbeitungsmaschine und Verfahren zum Laserschweißen von Werkstücken - Google Patents
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Abstract
Laserbearbeitungsmaschine (1) zum Laserschweißen von Werkstücken (2, 3) mit einem Laserstrahlerzeuger (7) zum Erzeugen eines Laserstrahls (5) und mit einer Abbildungsoptik (9) zum Abbilden des Laserstrahls (5) in eine Bearbeitungsebene (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsoptik (9) eine Strahlformungsoptik (15; 22) aufweist, die den Laserstrahl (5) in der Bearbeitungsebene (10) mit einer Abbildungstiefe (Δd) von mindestens ±2mm derart abbildet, dass entlang der Abbildungstiefe (Δd) in jeder zur Strahlachse (16) rechtwinkligen Ebene die radiale Leistungsdichteverteilung (P) des Laserstrahls (5) glockenförmig ausgebildet ist und die Maximalwerte (P) dieser glockenförmigen Leistungsdichteverteilungen (P) entlang der Abbildungstiefe (Δd) um weniger als 10% zueinander schwanken.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsmaschine zum Laserschweißen von Werkstücken, insbesondere zum Überlappschweißen von DCB-Strukturen, mit einem Laserstrahlerzeuger zum Erzeugen eines Laserstrahls und mit einer Abbildungsoptik zum Abbilden des Laserstrahls in eine Bearbeitungsebene, sowie auch ein Verfahren zum Laserschweißen von Werkstücken, insbesondere zum Überlappschweißen von DCB-Strukturen, in einer Bearbeitungsebene mittels eines Laserstrahls.
- Aus der
DE 100 05 593 C1 ist ein Verfahren zum Punktschweißen von Werkstücken bekannt, bei dem eine Optik aus einer Fokussierlinse und einer flachen konischen Linse (sogenanntes „Axicon“) einen Laserstrahl so formt, dass zum einen ein großer Strahlfleck und zum anderen eine ringförmige Energieverteilung in der Fokusebene, die die Bearbeitungsebene darstellt, erreicht werden. - DBC(Direct Bonded Copper)-Strukturen werden in Hochleistungselektronik eingesetzt und bestehen aus einem mehrlagigen System aus einem Keramiksubstrat und darauf verlaufenden Kupferbahnen. Das Kupfer leitet Wärme und Strom, die Keramik leitet Wärme und isoliert Strom. Die Kupferbahnen müssen jeweils mit einem Anschlusskontakt aus Kupfer elektrisch verbunden werden. Dies erfolgt bisher mittels Ultraschallschweißen, was allerdings zu Rissen und Wärmestau im Keramiksubstrat führen kann und daher keine zuverlässigen Ergebnisse liefert. Da bei DBC-Strukturen die Kupferschicht auf dem Keramik sehr dünn ist, muss der Schweißprozess sehr zuverlässig und mit genau reproduzierbarer Einschweißtiefe erfolgen.
- Aus der
EP 2 716 398 A1 ist weiterhin eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem optischen System bekannt, mit dem Spritzer unterdrückt werden können, indem eine Verdampfungsreaktionskraft an einem Werkstück durch zwei Brennpunkte auf der optischen Achse verringert wird. Dazu weist das optische System eine Konvexlinse, die Laserlicht fokussiert, und eine Konkavlinse auf, die auf derselben optischen Achse angeordnet ist wie das durch die Konvexlinse hindurchtretende Laserlicht. Die Konkavlinse hat einen ersten Bereich mit einem Durchgangsloch, welches auf der optischen Achse positioniert ist und keine Linseneigenschaften aufweist, sowie einen den ersten Bereich umgebenden, zweiten Bereich, der das Laserlicht divergiert. Die Konkavlinse wird beim Laserschneiden außerhalb und beim Laserschweißen innerhalb des optischen Pfads des Laserlichts angeordnet. - Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Laserbearbeitungsmaschine und ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass der Laserschweißprozess sehr zuverlässig und mit genau reproduzierbarer Einschweißtiefe erfolgt.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Abbildungsoptik eine Strahlformungsoptik aufweist, die den Laserstrahl in der Bearbeitungsebene mit einer Abbildungstiefe von mindestens ±2mm, bevorzugt von mindestens ±5mm, derart abbildet, dass entlang der Abbildungstiefe in jeder zur Strahlachse rechtwinkligen Ebene die radiale Leistungsdichteverteilung des Laserstrahls glockenförmig ausgebildet ist und die Maximalwerte dieser glockenförmigen Leistungsdichteverteilungen entlang der Abbildungstiefe um weniger als 10%, bevorzugt um weniger als 5%, zueinander schwanken.
- Wie Leistungsmessungen gezeigt haben, führt die erfindungsgemäße Strahlformungsoptik im Bereich der Abbildungstiefe zu
- - einer große Leistungskonstanz in Strahlrichtung (z-Richtung) über mehrere Millimeter, und
- - einer glockenförmigen Leistungsdichteverteilung radial zur Strahlrichtung, welche zu einer reproduzierbaren Einschweißtiefe führt.
- Die reproduzierbare Einschweißtiefe ermöglicht das Laserschweißen von Bauteilen mit temperaturkritischem Unterbau. So können Beschädigungen des Unterbaus (z.B. Keramiksubstrat) von elektrisch leitenden Kontakten, welche ansonsten beim Laserschweißen aufgrund zu tiefen Einschweißtiefen entstehen können, vermieden werden. Die Erfindung ermöglicht bei DBC-Strukturen, bei denen die Kupferschicht auf dem Keramiksubstrat sehr dünn ist, einen sehr zuverlässigen Schweißprozess mit genau reproduzierbarer Einschweißtiefe ohne Zerstörung des Keramiksubstrats und verhindert aufgrund der glockenförmigen Leistungsdichteverteilung auch einen Wärmestau zwischen den zu verschweißenden Kupferbauteilen, wie er beispielsweise bei einer ringförmigen Leistungsdichteverteilung auftreten würde.
- In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Strahlformungsoptik als ein konvexes oder konkaves Axicon ausgebildet, wobei die Bearbeitungsebene im Falle eines konvexen Axicons in einem vor der Fokusebene der Abbildungsoptik liegenden Überfokusbereich und im Falle eines konkaven Axicons in einem hinter der Fokusebene liegenden Unterfokusbereich liegt. Das Axicon kann im divergenten oder im parallelen Strahlengang des Laserstrahls angeordnet sein, wobei im letzteren Fall das Axicon in vielen vorhanden optischen Systemen leicht zusätzlich eingebracht werden kann.
- In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Strahlformungsoptik durch ein Dualfokusobjektiv gebildet, wobei die Bearbeitungsebene zwischen den beiden Foki des Dualfokusobjektivs liegt. Vorzugsweise ist dem Dualfokusobjektiv eine Homogenisierungsoptik vorgeordnet, die die radiale Leistungsdichteverteilung des Laserstrahls mischt bzw. homogenisiert. Die Homogenisierungsoptik kann beispielsweise einen Lichtleiter (z.B. Laserlichtkabel) aufweisen, in den der Laserstrahl exzentrisch zur Lichtleiterachse eingekoppelt wird.
- Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch ein Verfahren zum Laserschweißen von Werkstücken, insbesondere zum Überlappschweißen von DCBs, in einer Bearbeitungsebene mittels eines Laserstrahls, wobei erfindungsgemäß der Laserstrahl in die Bearbeitungsebene mit einer Abbildungstiefe von mindestens ±2mm, bevorzugt von mindestens ±5mm, derart abgebildet wird, dass entlang der Abbildungstiefe in jeder zur Strahlachse rechtwinkligen Ebene die radiale Leistungsdichteverteilung des Laserstrahls glockenförmig ausgebildet ist und die Maximalwerte dieser glockenförmigen Leistungsdichteverteilungen entlang der Abbildungstiefe um weniger als 10%, bevorzugt um weniger als 5%, zueinander schwanken.
- Werkstücken aus Kupfer werden bevorzugt mit einem gepulsten grünen Laserstrahl (Wellenlänge z.B. 515 nm oder 532 nm) oder mit einem gepulsten IR-Laserstrahl miteinander verschweißt.
- Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
- Es zeigen:
-
1 eine erste erfindungsgemäße Laserbearbeitungsmaschine mit einer Strahlformungsoptik in Form eines Axicons samt zugehöriger Leistungsdichteverteilung des Laserstrahls in radialer Richtung und in z-Richtung; und -
2 eine zweite erfindungsgemäße Laserbearbeitungsmaschine mit einer Strahlformungsoptik in Form eines Lichtleiters und eines Dualfokusobjektives samt zugehöriger Leistungsdichteverteilung des Laserstrahls in radialer Richtung und in z-Richtung. - In der folgenden Figurenbeschreibung werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
- Die in
1 gezeigte Laserbearbeitungsmaschine1 dient beispielsweise zum Überlappsschweißen eines Anschlusskontakts2 aus Kupfer und einer Kupferbahn3 einer DBC(Direct Bonded Copper)-Struktur 4 mittels eines gepulsten Laserstrahls5 . Die DBC-Struktur4 weist ein Keramiksubstrat6 auf, auf dem die Kupferbahn3 aufgebracht ist. Da die Kupferbahn3 auf dem Keramiksubstrat6 sehr dünn ist, muss der Laserschweißprozess sehr zuverlässig und mit genau reproduzierbarer Einschweißtiefe erfolgen. - Die Laserbearbeitungsmaschine
1 umfasst einen Laserstrahlerzeuger7 zum Erzeugen des Laserstrahls5 , ein Laserlichtkabel8 (LLK), in den der Laserstrahl5 eingekoppelt wird, sowie eine Abbildungsoptik9 zum Abbilden des aus dem LLK8 austretenden Laserstrahls5 in eine Bearbeitungsebene10 . - Die Abbildungsoptik
9 weist eine Kollimationslinse11 zum Kollimieren des divergent aus dem LLK8 austretenden Laserstrahls5 und eine Fokuslinse12 zum Fokussieren des kollimierten Laserstrahls5 in eine Fokusebene13 auf. Ein im fokussierten Laserstrahl5 angeordnetes Schutzglas14 schützt die Fokuslinse12 vor Beschädigungen. Im divergenten Laserstrahl5 , also zwischen LLK8 und Kollimationslinse11 , ist eine Strahlformungsoptik in Form einer flachen konischen Linse (sogenanntes „Axicon“) 15 mit einem Flankenwinkel ß von z.B. 0,1° koaxial zur optischen Achse16 angeordnet, wobei die konische Seite dem LLK8 zugewandt ist. Das Axicon15 transformiert den einfallenden divergenten Laserstrahl5 in einen ringförmigen Laserstrahl5 , dessen äußere Randstrahlen5a kollimiert und dessen innere Randstrahlen5b divergent auf die Fokuslinse12 treffen. Die äußeren Randstrahlen5a werden von der Fokuslinse12 in die Fokusebene13 , nämlich in den Fokuspunkt F, fokussiert, während die inneren Randstrahlen5b von der Fokuslinse12 nicht beeinflusst werden. Die Bearbeitungsebene10 liegt in einem vor der Fokusebene13 liegenden Überfokusbereich, z.B. 20 mm vor der Fokusebene13 . - Wie Leistungsmessungen gezeigt haben, bewirkt das zusätzliche Axicon
15 , dass der Laserstrahl5 in der Bearbeitungsebene10 mit einer Abbildungstiefe Δd von mindestens ±2mm derart abgebildet wird, dass entlang der Abbildungstiefe Δd in jeder zur Strahlachse rechtwinkligen Ebene die radiale Leistungsdichteverteilung Pr des Laserstrahls5 glockenförmig ausgebildet ist und die Maximalwerte Pmax dieser glockenförmigen Leistungsdichteverteilungen Pr in Richtung der optischen Achse (z-Richtung) 16 entlang der Abbildungstiefe Δd um weniger als 5% zueinander schwanken. Die Maximalwerte Pmax liegen also alle innerhalb eines 5%-Schwankungsbandes 17. - Im Bereich der Abbildungstiefe Δd weist der Laserstrahl
5 somit eine große Leistungsgleichmäßigkeit entlang seiner optischen Achse16 über mehrere Millimeter und jeweils eine glockenförmige radiale Leistungsdichteverteilung Pr auf. Dies führt in der Bearbeitungsebene13 zu einer großen Toleranz der Parameter bei einer sehr genauen Einschweißtiefe und somit zu einer reprozierbaren Einschweißtiefe und verhindert wegen der glockenförmigen Leistungsdichteverteilung Pr einen Wärmestau zwischen den zu verschweißenden Kupferbauteilen2 ,3 . - Alternativ kann das Axicon
15 auch im parallelen Strahlengang des Laserstrahls5 , also zwischen Kollimationslinse11 und Fokuslinse12 , angeordnet sein. - In
1 ist das Axicon15 als konvexes Axicon ausgebildet, so dass die Bearbeitungsebene10 in dem vor der Fokusebene13 der Abbildungsoptik9 liegenden Überfokusbereich liegt. Alternativ kann das Axicon auch als konkaves Axicon ausgebildet sein, so dass die Bearbeitungsebene10 in einem hinter der Fokusebene13 liegenden Unterfokusbereich liegt, z.B. 20 mm hinter der Fokusebene13 . - Von
1 unterscheidet sich die in2 gezeigte Laserbearbeitungsmaschine1 dadurch, dass hier die Strahlformungsoptik durch eine als Laserlichtkabel (LLK)21 ausgebildete optionale Homogenisierungsoptik und ein nachgeordnetes Dualfokusobjektiv22 (Brennweite f1 im Innenbereich, Brennweite f2 im Außenbereich, f1>f2) gebildet ist und die Bearbeitungsebene10 zwischen den beiden Foki F1, F2 des Dualfokusobjektivs22 liegt. Der Laserstrahl5 wird zwecks Mischung bzw. Homogenisierung der radialen Leistungsichteverteilung exzentrisch zur LLK-Achse23 in den LLK21 eingekoppelt. Der aus dem LLK21 divergent austretende Laserstrahl5 trifft auf das Dualfokusobjektiv22 , das das auf seinen Innenbereich auftreffende innere Strahlenbündel24a des Laserstrahls5 in den Fokus F1 und das auf seinen Außenbereich auftreffende Ringbündel24b des Laserstrahls5 in den Fokus F2 fokussiert. - Wie auch hier Leistungsmessungen gezeigt haben, bewirken das LLK
21 und das Dualfokusobjektiv22 , dass der Laserstrahl5 in der Bearbeitungsebene10 mit einer Abbildungstiefe Δd von mindestens ±2mm derart abgebildet wird, dass entlang der Abbildungstiefe Δd in jeder zur Strahlachse rechtwinkligen Ebene die radiale Leistungsdichteverteilung Pr des Laserstrahls5 glockenförmig ausgebildet ist und die Maximalwerte Pmax dieser glockenförmigen Leistungsdichteverteilungen Pr in Richtung der optischen Achse (z-Richtung) entlang der Abbildungstiefe Δd um weniger als 5% zueinander schwanken. Die Maximalwerte Pmax liegen also alle innerhalb des 5%-Schwankungsbandes 17. - Im Bereich der Abbildungstiefe Δd weist der Laserstrahl
5 somit eine große Leistungsgleichmäßigkeit entlang seiner optischen Achse16 über mehrere Millimeter und jeweils eine glockenförmige radiale Leistungsdichteverteilung Pr auf. Dies führt in der Bearbeitungsebene13 zu einer großen Toleranz der Parameter bei einer sehr genauen Einschweißtiefe und somit zu einer reprozierbaren Einschweißtiefe und verhindert wegen der glockenförmigen Leistungsdichteverteilung Pr einen Wärmestau zwischen den zu verschweißenden Kupferbauteilen2 ,3 .
Claims (11)
- Laserbearbeitungsmaschine (1) zum Laserschweißen von Werkstücken (2, 3) mit einem Laserstrahlerzeuger (7) zum Erzeugen eines Laserstrahls (5) und mit einer Abbildungsoptik (9) zum Abbilden des Laserstrahls (5) in eine Bearbeitungsebene (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsoptik (9) eine Strahlformungsoptik (15; 22) aufweist, die den Laserstrahl (5) in der Bearbeitungsebene (10) mit einer Abbildungstiefe (Δd) von mindestens ±2mm derart abbildet, dass entlang der Abbildungstiefe (Δd) in jeder zur Strahlachse (16) rechtwinkligen Ebene die radiale Leistungsdichteverteilung (Pr) des Laserstrahls (5) glockenförmig ausgebildet ist und die Maximalwerte (Pmax) dieser glockenförmigen Leistungsdichteverteilungen (Pr) entlang der Abbildungstiefe (Δd) um weniger als 10% zueinander schwanken.
- Laserbearbeitungsmaschine nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungsoptik als ein Axicon (15) ausgebildet ist. - Laserbearbeitungsmaschine nach
Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass das Axicon (15) konvex ausgebildet ist und die Bearbeitungsebene (10) in einem vor der Fokusebene (13) der Abbildungsoptik (9) liegenden Überfokusbereich liegt. - Laserbearbeitungsmaschine nach
Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass das Axicon (15) konkav ausgebildet ist und die Bearbeitungsebene (10) in einem hinter der Fokusebene (13) der Abbildungsoptik (9) liegenden Unterfokusbereich liegt. - Laserbearbeitungsmaschine nach einem der
Ansprüche 2 bis4 , dadurch gekennzeichnet, dass das Axicon (15) im parallelen oder im divergenten Strahlengang des Laserstrahls (5) angeordnet ist. - Laserbearbeitungsmaschine nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungsoptik durch ein Dualfokusobjektiv (22) ausgebildet ist und dass die Bearbeitungsebene (10) zwischen den beiden Foki (F1, F2) des Dualfokusobjektivs (22) liegt. - Laserbearbeitungsmaschine nach
Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, dass dem Dualfokusobjektiv (22) eine Homogenisierungsoptik (21) vorgeordnet ist, die die radiale Leistungsdichteverteilung des Laserstrahls (5) homogenisiert. - Laserbearbeitungsmaschine nach
Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass die Homogenisierungsoptik durch einen Lichtleiter (21) gebildet ist, in den der Laserstrahl (5) exzentrisch zur Lichtleiterachse (23) eingekoppelt wird. - Laserbearbeitungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (5) ein grüner gepulster Laserstrahl ist.
- Verfahren zum Laserschweißen von Werkstücken (2, 3) in einer Bearbeitungsebene (10) mittels eines Laserstrahls (5), dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (5) in die Bearbeitungsebene (10) mit einer Abbildungstiefe (Δd) von mindestens ±2mm derart abgebildet wird, dass entlang der Abbildungstiefe (Δd) in jeder zur Strahlachse (16) rechtwinkligen Ebene die radiale Leistungsdichteverteilung (Pr) des Laserstrahls (5) glockenförmig ausgebildet ist und die Maximalwerte (Pmax) dieser glockenförmigen Leistungsdichteverteilungen (Pr) entlang der Abbildungstiefe (Δd) um weniger als 10% zueinander schwanken.
- Verfahren nach
Anspruch 10 , dadurch gekennzeichnet, dass als Laserstrahl (5) ein grüner gepulster Laserstrahl verwendet wird.
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