DE102018127649A1

DE102018127649A1 - Verfahren zum Laserschweißen mit stabilem Schmelzbad und Laserbearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102018127649A1
Application number: DE102018127649.4A
Authority: DE
Inventors: Steffen Walter
Original assignee: Scansonic MI GmbH
Current assignee: Scansonic MI GmbH
Priority date: 2018-03-06
Filing date: 2018-11-06
Publication date: 2019-09-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum prozesssicheren Schweißen von Werkstücken mittels Laserstrahlung. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar zum Fügen von Werkstücken (11) aus Materialien, die in der Schmelze eine hohe Oberflächenspannung und eine geringe Viskosität besitzen, wie z. B. Kupfer.Erfindungsgemäß wird der Brennfleck (15) mit einer möglichst hohen, aber konstanten Brennfleckgeschwindigkeit (v) über die Oberfläche des Werkstückes (11) bewegt, wobei durch die geometrische Form der Brennfleck-Bewegungskurve (1) mit einem hohen Anteil zueinander beabstandeter, quer zur Vorschubrichtung (x) verlaufender Bahnabschnitte eine Durchquerung der Schmelze durch die Dampfkapillare vermieden wird. Hierdurch wird eine definierte Schmelzfront gegenüber dem Festkörperrand erzielt, wobei die Neigung des Schmelzbades zu instabilen Zuständen verringert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum prozesssicheren Schweißen von Werkstücken mittels Laserstrahlung, vorzugsweise von Materialien, die in der Schmelze eine hohe Oberflächenspannung und geringe Viskosität besitzen, wie z. B. Kupfer.
Es ist bekannt, dass mit Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit die Schweißqualität z. B. bei Kupfer verbessert werden kann, was bei gleicher Laserleistung allerdings zu geringerer Einschweißtiefe führt.
Beim Tiefschweißen sind sehr hohe Leistungsdichten von etwa 1 Megawatt pro Quadratzentimeter nötig. Der Laserstrahl schmilzt das Metall dann nicht nur auf, sondern erzeugt auch Dampf. In der Metallschmelze bildet sich sodann ein tiefes, schmales, dampfgefülltes Loch: die sog. Dampfkapillare - auch Keyhole genannt (englisch für Schlüsselloch). Die Dampfkapillare ist das Ergebnis eines Gleichgewichts zwischen Druck des verdampfenden Materials sowie auf die Schmelze wirkender Oberflächenspannung und Schwerkraft, welche dem Dampfdruck entgegen wirken, um die Dampfkapillare zu schließen.
Zur Verbesserung der Prozesssicherheit hinsichtlich der Einschweißtiefe und der Spritzerbildung bei Tiefschweißprozessen ist aus der DE 10 2016 204 578 B3 bekannt, eine Modulation der Leistung vorzunehmen, während die DE 10 2014 117 157 B4 vorschlägt, dass eine räumliche Oszillation des Laserspots vorgenommen werden soll. Die Oszillation kann einachsig (längs oder quer zur Vorschubrichtung), zweiachsig (z. B. in Form von Zykloiden) oder dreiachsig, d. h. einschließlich einer Defokussierung, erfolgen, wobei die Defokussierung jedoch nur einen relativ geringen Einfluss besitzt. Neben harmonischen Oszillationsformen sind auch zusammengesetzte, periodische Bewegungen möglich. Bei Werkstoffen mit geringer Viskosität und hoher Wärmeleitung erreicht die Schweißgeschwindigkeit auf Grund der begrenzten Laserleistung oft nicht den nötigen Wert für eine spritzerarme Schweißung oder die Einschweißtiefe ist nicht ausreichend. Durch überlagerte Oszillationsformen wird der Energieeintrag pro Nahtlänge erhöht und damit die Einschweißtiefe oder der Anbindungsquerschnitt vergrößert.
Aus der DE 10 2014 015 094 A1 ist bekannt, eine der Vorschubbewegung überlagerte harmonische Oszillationsbewegung des Laserstrahls durchzuführen, woraus eine Spur des Brennflecks auf dem Werkstück resultiert, die einer Spiralbahn vergleichbar ist.
Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Schweißverfahren ist, dass der Brennfleck - aufgrund der Überlagerung der Oszillationsbewegung mit der Bahnbewegung entlang der zu erzeugenden Schweißnaht - die flüssige Schmelze mit seiner dieselbe während der Bewegung durchquerenden Dampfkapillare (Keyhole) weiter überhitzt und verdrängt. Dies führt zu mehr oder weniger großer Schmelzbadbewegung sowie zur Instabilität der Dampfkapillare mit starken Spritzern, Auswürfen und eingeschlossenen Gasblasen in Form von Poren.
Aufgrund der Überlagerung von Vorschub- und Oszillationsbewegung variiert die Geschwindigkeit des Brennflecks auf der Werkstückoberfläche. Hierzu schlägt die DE 10 2014 015 094 A1 vor, die Geschwindigkeit des Brennflecks in den Umkehrpunkten der Oszillationsbewegung zu erhöhen. Nachteilig ist jedoch, dass die auf dem Werkstück resultierende Spur des Brennflecks sich selbst mehrfach und stark überlappt bzw. schneidet. Da die Überlappungsbereiche asymmetrisch sind, unterscheiden sich die Einschweißtiefen entlang der Bahn des Brennflecks.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine gleichmäßige Einschweißtiefe bei stabilem Schmelzbad zu erreichen, wobei eine Durchquerung der Schmelze durch die Dampfkapillare vermieden werden soll, um durch eine exakt definierte Schmelzfront gegenüber dem Festkörperrand die Neigung des Schmelzbades zu instabilen Zuständen, insbesondere zur Spritzerbildung, zu verringern.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Laserschweißen mit den kennzeichnenden Merkmalen nach Patentanspruch 1 und eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen nach Patentanspruch 5 gelöst; zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen. Eine besonders vorteilhafte Verwendung der Erfindung wird in Anspruch 12 aufgezeigt.
Erfindungsgemäß wird das Laserschweißen durchgeführt, indem ein von einem mittels eines Bearbeitungskopfes geführten Laserstrahls auf einer Werkstückoberfläche erzeugte Brennfleck - und damit auch die durch Einwirkung des Laserstrahls erzeugte Dampfkapillare - mit einer hohen, aber konstanten lokalen Relativgeschwindigkeit bezüglich der Werkstückoberfläche, nachfolgend Brennfleckgeschwindigkeit genannt, über die Werkstückoberfläche geführt wird. Eine hierbei generierte Brennfleck-Bewegungskurve, d. h. der vom Brennfleck auf der Werkstückoberfläche beschriebene Pfad, wird dabei so festgelegt, dass die Dampfkapillare bevorzugt stets eine Position am Rand des Schmelzbades einnimmt, zumindest aber nur wenig durch das Schmelzbad bewegt wird.
Gemäß des Verfahrens wird die Oszillationsbewegung des Brennflecks im Bezugssystem des Bearbeitungskopfes, der eine Oszillationseinrichtung zur Erzeugung dieser Oszillationsbewegung umfasst, und damit die Bewegung der zu der Oszillationseinrichtung zugehörigen Aktoren (z. B. Galvanometer-Scanner) so umgerechnet, dass die auf dem Werkstück resultierende Momentangeschwindigkeit, d. h. die Brennfleckgeschwindigkeit, während des gesamten Schweißprozesses konstant bleibt.
Das Schmelzbad bzw. dessen Ausdehnung wird hierbei maßgeblich durch den Brennfleckquerschnitt, daneben aber auch durch die Brennfleck-Bewegungskurve und die Brennfleckgeschwindigkeit bestimmt.
Um die Bewegung der Dampfkapillare durch das Schmelzbad zu minimieren, wird erfindungsgemäß die Brennfleck-Bewegungskurve derart festgelegt, dass sie erstens stetig, d. h. unterbrechungsfrei, ist und zweitens keine Schnittpunkte mit sich selbst aufweist, d. h. kreuzungsfrei ist. Bevorzugt ist die Brennfleck-Bewegungskurve außerdem differenzierbar, d. h., sie weist keine Knicke in ihrem Verlauf auf.
Im Fall, dass eine Brennfleck-Bewegungskurve mit Knicken in ihrem Verlauf gewählt wird, beträgt der Ablenk-Winkel zwischen den Kurvenabschnitten an jedem Knick maximal 90°, d. h., die beiden Kurvenabschnitte zu beiden Seiten des Knicks schließen einen stumpfen Winkel ein.
Die Brennfleck-Bewegungskurve wird außerdem derart festgelegt, dass ein Großteil ihrer Bahnabschnitte weitestgehend parallel zu benachbarten Bahnabschnitten ist, wobei diese einzelnen, parallel zueinander angeordneten Bahnabschnitte im Wesentlichen senkrecht zur Schweißnahtrichtung verlaufen. Außerdem sind die einzelnen, parallel zueinander angeordneten Bahnabschnitte derart voneinander beabstandet, dass ein Optimum zwischen Aufschmelzen des gesamten Nahtquerschnitts und Minimum an Spritzern und Poren eingestellt wird.
Somit ist die von dem Brennfleck auf der Werkstückoberfläche beschriebene zusammenhängende Spur, deren Spurbreite durch den Brennfleckquerschnitt definiert wird, im Wesentlichen überlappungsfrei. D. h., nur im Fall einer „geknickten“ Spur weisen nur vergleichsweise kurze Abschnitte dieser Spur kleine Überlappungen im Bereich der Knicke der Brennfleck-Bewegungskurve auf.
Zur Optimierung der Bahntreue können Knicke in der Bahn verrundet werden, wobei durch eine begrenzte Dynamik von Aktoren zur Strahlablenkung die Knicke verschliffen sein können. Die überlappenden Bereiche der Spuren verringern sich dadurch noch weiter.
Vorzugsweise ist das Verhältnis von Oszillations-Amplitude senkrecht zur Vorschubrichtung zu Periodenlänge in Vorschubrichtung groß, d. h., die Oszillations-Amplitude ist größer als die Periodenlänge (z. B. doppelt so groß). Hierbei ist die Periodenlänge definiert als diejenige Entfernung zwischen zwei Punkten auf der Oberfläche der Werkstücke in Vorschubrichtung bzw. entlang des Fügestoßes, die der Brennfleck während einer Oszillationsperiode relativ hierzu zurücklegt. Unter dieser Bedingung wirkt sich die Wärmeleitung aus, sodass sich die Schmelzfront in Vorschubrichtung stetig weiter ausbreitet, während sich der Brennfleck auf die andere Flanke der Naht zubewegt. Durch Neigung der querverlaufenden Spuren kann vermieden werden, dass sich der Brennfleck prozessverschlechternd durch die Schmelze bewegt.
Insbesondere ist es möglich, durch Variation der Amplitude, der Periodenlänge, der Oszillationsfrequenz und/oder der Laserleistung in Abhängigkeit vom Material der Werkstücke, der Fügestoßgeometrie, eines am Fügestoß ausgebildeten Spaltes zwischen den Werkstücken und/oder der Werkstücktemperatur den Prozess gezielt zu beeinflussen.
Die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtung zum Laserschweißen von Werkstücken umfasst eine Laserstrahlerzeugungseinheit, einen Bearbeitungskopf, eine Vorschubeinrichtung sowie eine Steuer- und Regeleinrichtung. Der Bearbeitungskopf beinhaltet eine im Vergleich zum Stand der Technik kleine Kollimationseinrichtung für die Strahlkollimation, eine Oszillationseinrichtung mit einer ersten und einer zweiten Scannervorrichtung zum Führen des Laserstrahls, eine in Strahlausbreitungsrichtung hinter der Oszillationseinrichtung angeordnete Strahlaufweitungseinheit mit zumindest zum Teil beweglichen optischen Elementen und eine Fokussierungseinheit zum Fokussieren des Laserstrahls auf die Oberfläche der Werkstücke. Die Steuer- und Regeleinrichtung ist zumindest mit der Vorschubeinrichtung und der Oszillationseinrichtung verbunden.
Der Bearbeitungskopf kann ortsfest oder an einer weiteren Führungsmaschine befestigt sein.
Die Laserstrahlerzeugungseinheit weist bevorzugt einen Multimode-Laser auf, wobei grundsätzlich auch Single-Mode-Laser zum Einsatz kommen können.
Gemäß der Erfindung weist die Oszillationseinrichtung eine kleinere Apertur auf als die Fokussierungseinheit an ihrem Objektivausgang. Insbesondere weist der Laserstrahl innerhalb der Oszillationseinrichtung einen kleineren Durchmesser auf als am Objektivausgang der Fokussierungseinheit. Außerdem ist die Oszillationseinrichtung hochdynamisch zweiachsig, d. h., die beiden Scannervorrichtungen der Oszillationseinrichtung sind jeweils hochdynamisch mit Frequenzen von bis zu 100 kHz um jeweils eine Rotationsachse bewegbar, sodass der Laserstrahl mit entsprechend hohen Frequenzen hin und her bewegt bzw. der Brennfleck auf der Werkstückoberfläche oszilliert werden kann.
Insbesondere stehen die Rotationsachsen der ersten und zweiten Scannervorrichtung senkrecht aufeinander, um eine freie Beweglichkeit des Brennflecks in der Ebene der Werkstückoberfläche - d. h. in x- und y-Richtung, wobei die x-Richtung die Richtung der Fügenaht und die y-Richtung die Richtung senkrecht hierzu ist - zu ermöglichen. Somit ist es möglich, an jedem Bahnpunkt des Brennflecks eine Vorschubbewegung des Bearbeitungskopfes von der Bewegung des Brennflecks zu subtrahieren, sodass von dem Brennfleck stets eine von der Vorschubbewegung unabhängige Bahnkurve beschrieben werden kann.
Mittels der Steuer- und Regeleinrichtung kann die Oszillationseinrichtung derart gesteuert werden, dass die Brennfleckgeschwindigkeit, d. h. die Relativgeschwindigkeit des Brennflecks bezüglich der Werkstückoberfläche, stets konstant bleibt.
Der Geschwindigkeitsvektor v₂ der Brennfleckgeschwindigkeit ergibt sich aus der Vektorsumme des Geschwindigkeitsvektors v₁ der Relativgeschwindigkeit zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück, nachfolgend Vorschubgeschwindigkeit genannt, sowie des Geschwindigkeitsvektors v₀ der Relativgeschwindigkeit zwischen Bearbeitungskopf und Brennfleck.
Die von der Oszillationseinrichtung zu erzeugende Relativgeschwindigkeit v₀ zwischen Bearbeitungskopf und Brennfleck ergibt sich somit aus der Vektorgleichung: $v_{0} = v_{2} - v_{1}$
Die Steuer- und Regeleinrichtung ist also eingerichtet, bei vorgegebener Brennfleckgeschwindigkeit - wobei die Brennfleckgeschwindigkeit als der Betrag des Geschwindigkeitsvektors v₂ definiert ist - sowie bei vorgegebenem Bahnverlauf des Brennflecks auf der Werkstückoberfläche die von der Oszillationseinrichtung zu erzeugenden Komponenten der Relativgeschwindigkeit v₀ in x- und y-Richtung zu jedem Zeitpunkt zu ermitteln und die Oszillationseinrichtung entsprechend anzusteuern.
Hierfür kann vorgesehen sein, dass die Steuer- und Regeleinrichtung einen Ist-Wert der Vorschubgeschwindigkeit bzw. die voraussichtliche Ist-Geschwindigkeit der Vorschubeinrichtung ausliest und basierend hierauf die Sollbahn des Brennflecks nach entsprechender Koordinatentransformation an die Stellachsen der Oszillatoreinrichtung ausgibt.
Alternativ kann die Steuer- und Regeleinrichtung auch eine Berechnung und anschließende Vorgabe der Position für die Oszillatoreinrichtung sowie zusätzlich eine Festlegung der Vorschubgeschwindigkeit für die Vorschubeinrichtung vornehmen.
Die Vorteile der Erfindung sind die konsequente Ausrichtung der Laserbearbeitungsvorrichtung darauf hin, mit einer hohen mittleren Laserleistung umzugehen sowie einen kleinen, schnell bewegbaren Brennfleck in ausreichend großem Arbeitsabstand zu erzeugen. Durch die Verwendung kostengünstiger Multimode-Laser anstatt der bislang üblichen Grundmode-Laser sinken zudem die Herstellungskosten.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Erhöhung der Konstanz der Einschweißtiefe, der Vermeidung von Spritzern, Auswürfen und Poren beim Schweißen, die beispielsweise in Elektronik- oder Elektrotechnik-Produkten inakzeptabel sind, sowie einer Erhöhung der Qualität der Schweißnaht bei großen Anbindungsquerschnitten.
Außerdem verringert sich die relative Gesamtfokusshift der Vorrichtung, sodass gleichfalls deren Auswirkung auf den Bearbeitungsprozess gegenüber der Verwendung von Grundmode-Lasern mit hoher cw-Leistung, die auf Grund der kleinen Spots eine Oszillation mit deutlich höheren Frequenzen oder kleinere Rohstrahldurchmesser für größere Spots erfordern, verringert ist.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Laserleistung und/oder die Relativgeschwindigkeit v₀ zwischen Bearbeitungskopf und Brennfleck während der Oszillationsbewegung, z. B. synchron zur Oszillationsbewegung, variiert. Diese Variation kann in Abhängigkeit der y-Auslenkung, d. h. quer zur Naht, erfolgen.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung kann weiter vorteilhaft wie folgt ausgebildet sein:
Die Laserstrahlerzeugungseinheit kann einen Multimode-Laser beinhalten, wobei in diesem Fall die Linsen der Kollimationseinrichtung eine besonders geringe Absorption im Wellenlängenbereich des vom Multimode-Laser emittierten Laserlichts aufweisen, d. h. die gesamte Kollimationseinrichtung besitzt einen Absorptionsgrad von weniger als 1 %, bevorzugt von weniger als 0,1 %, in diesem Wellenlängenbereich.
Die Laserstrahlerzeugungseinheit kann einen Freistrahl emittieren, der mittels kleiner Apertur in den Bearbeitungskopf eingekoppelt wird. Alternativ kann der von der Laserstrahlerzeugungseinheit generierte Laserstrahl mittels einer Lichtleitfaser und kleiner Apertur in den Bearbeitungskopf eingekoppelt werden, wobei am Lichtaustritt der Lichtleitfaser eine Kollimierlinse angeordnet ist.
Gemäß einer Ausgestaltung der zweiachsigen Oszillationseinrichtung, deren Apertur kleiner als die des Objektivs ist, ist die erste Scannereinrichtung, die z. B. einen um eine Rotationsachse schwenkbaren Spiegel umfasst, mit ihrer Rotationsachse im Wesentlichen parallel zur Einfallsebene des Laserstrahls angeordnet. Vorzugsweise ist der Einfallswinkel (z. B. zur Spiegelnormalen) kleiner als 35 Grad, ganz bevorzugt beträgt der Einfallswinkel 22,5 Grad. Diese Ausgestaltung erlaubt eine schnelle Oszillationsbewegung aufgrund kleinerer Massenträgheitsmomente.
Die zweite Scannereinrichtung, z. B. ebenfalls ein um eine Rotationsachse schwenkbarer Spiegel, kann mit ihrer Rotationsachse im Wesentlichen senkrecht zur Einfallsebene des Laserstrahls ausgerichtet sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Oszillationseinrichtung bilden ihre Eingangsstrahlachse und ihre Ausgangsstrahlachse einen Winkel von etwa 90 Grad, d. h. die beiden Strahlachsen sind im Wesentlichen zueinander senkrecht angeordnet.
Es kann vorgesehen sein, dass die in Strahlausbreitungsrichtung hinter der Oszillationseinrichtung angeordnete Strahlaufweitungseinheit eine in Strahlausbreitungsrichtung verschiebbare Linse mit negativer Brennweite und eine Linse mit positiver Brennweite umfasst. Hierdurch kann die Fokuslage nachgestellt werden, um einen größeren Arbeitsabstand und/oder einen kleineren Fokus zu erhalten.
Gemäß einer Ausgestaltung der Laserbearbeitungsvorrichtung ist die Fokussierungseinheit in Strahlausbreitungsrichtung hinter der Strahlaufweitungseinheit angeordnet.
Auch kann vorgesehen sein, dass die Vorschubeinrichtung eine Linearachse, z. B. mit einem Linearantrieb, umfasst oder Bestandteil eines Industrieroboters ist, d. h., der Industrieroboter erzeugt die Vorschubbewegung.
Alternativ kann die Vorschubeinrichtung mittels einer optische Elemente, z. B. Galvo-Achsen, umfassenden Strahlverschiebungseinheit realisiert sein, die den oszillierenden Laserstrahl vor dem Auftreffen auf dem Werkstück lateral verschiebt. Die Strahlverschiebungseinheit kann zwischen Strahlaufweitungseinheit und Fokussierungseinheit oder im konvergenten Strahlengang nach der Fokussierungseinheit angeordnet sein.
Eine vorteilhafte Verwendung der Laserbearbeitungsvorrichtung besteht z. B. beim Laserschweißen von Überlappstößen, beim Fügen von Werkstücken mit unterschiedlichen Materialdicken oder beim Schweißen von Werkstücken aus unterschiedlichen Materialien. Mittels der Laserbearbeitungsvorrichtung ist sowohl eine Adaption der Einschweißtiefe als auch eine Spaltüberbrückung als auch eine zusätzliche Kantenverrundung an der Naht, z. B. bei Überlappverbindungen, möglich.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dazu zeigen in schematischer Darstellung die:

1: eine Spur des Brennflecks auf dem Werkstück aus dem Stand der Technik;
2: eine Spur des Brennflecks auf dem Werkstück gemäß dem Verfahren zum Laserschweißen;
3: eine erste Ausführungsform der Laserbearbeitungsvorrichtung; und
4: eine zweite Ausführungsform der Laserbearbeitungsvorrichtung.

1 zeigt ein Beispiel aus dem Stand der Technik. Die Spur 2 des Brennflecks 15 auf dem Werkstück bei Durchführung einer harmonischen Oszillationsbewegung resultiert aus einer Überlagerung einer harmonischen Schwingung des Brennflecks 15 in x-Richtung und einer harmonischen Schwingung in y-Richtung, die beide im Bezugssystem des Bearbeitungskopfes zueinander phasenversetzt jeweils mit der Amplitude A durchgeführt werden, mit der Vorschubgeschwindigkeit v₁ , d. h. der Relativgeschwindigkeit zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück.
In 1 ist die aus der Überlagerung resultierende Brennfleckgeschwindigkeit v₂ als Vektorpfeil dargestellt, wobei die Länge des Pfeils mit dem Betrag der Brennfleckgeschwindigkeit v₂ korrespondiert. Es wird deutlich, dass die Brennfleckgeschwindigkeit v₂ im Verlauf der Brennfleck-Bewegungskurve 1 variiert. Die kariert dargestellten Bereiche 3 sind Bereiche überquerter Spuren 2. Diese Bereiche 3 sind zum einen asymmetrisch ausgebildet und zum anderen nehmen sie einen großen Teil der Fläche der Spur 2 ein. Daher unterscheiden sich die Einschweißtiefen im Verlauf der Brennfleck-Bewegungskurve 1.
2 zeigt ca. zwei Perioden eine Nahtschweißung in einer Ausführung der Spur 2 auf dem Werkstück gemäß der Erfindung. Die Spur 2 besteht im Wesentlichen aus längs zur Vorschubrichtung und quer zur Vorschubrichtung verlaufenden Spur-Abschnitten, wobei die Länge der quer zur Vorschubrichtung verlaufenden Spur-Abschnitte mit zweifacher Amplitude A deutlich größer ist als die Länge (d + c) der längs zur Vorschubrichtung verlaufenden Spur-Abschnitte. Die überlappenden Bereiche 3 der Spur 2 sind im Vergleich zu dem Beispiel aus 1 flächenmäßig deutlich verringert.
Durch die gezeigte Brennfleck-Bewegungskurve 1 wird in etwa der Bereich gemäß der Kontur 4 aufgeschmolzen.
Die Brennfleckgeschwindigkeit v₂ , und damit die Bewegungsgeschwindigkeit der Dampfkapillare, bleibt konstant entlang des gesamten Verlaufs der Brennfleck-Bewegungskurve 1. Hierzu wird die Oszillationsbewegung des Brennflecks 15 im Bezugssystem des Bearbeitungskopfes und damit die Bewegung der zugehörigen Aktoren, in diesem Beispiel zwei Galvanometer-Scanner (nicht dargestellt), so umgerechnet, dass die auf dem Werkstück resultierende Momentangeschwindigkeit, d. h. die Brennfleckgeschwindigkeit v₂ , konstant bleibt.
Die Periodendauer T eines Oszillationszyklus errechnet sich aus der Amplitude A, der Spurbreite d, dem Abstand c zwischen den Bahnen und der Brennfleckgeschwindigkeit v₂ gemäß $T = \frac{4A + 2 (d + c)}{v_{2}}$
Der Abstand c der Bahnen ist in diesem Beispiel so gewählt, dass die Zwischenräume ausreichend aufgeschmolzen sind, die Spritzer- und Porenneigung jedoch minimal ist.
Die Periodenlänge P als Abstand der sich wiederholenden Oszillationszyklen ergibt sich aus $P = 2 \cdot (d + c)$
Die Vorschubgeschwindigkeit v₁ als Relativgeschwindigkeit zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück errechnet sich aus $v_{1} = v_{2} \cdot \frac{c + d}{2 A + c + d}$
Bei entsprechender Wahl der Parameter Amplitude A, Spurbreite d und Abstand c ist die Vorschubgeschwindigkeit v₁ somit bis zu beispielsweise zehnfach kleiner als die Brennfleckgeschwindigkeit v₂ .
3 zeigt eine erste Ausführungsform einer Laserbearbeitungsvorrichtung. Der von der Laserstrahlerzeugungseinheit 14, hier nur als Lichtleitfaser dargestellt, erzeugte Laserstrahl 16 wird mittels kleiner Apertur in die Kollimationseinrichtung 5 des Bearbeitungskopfes 17 eingekoppelt und von der Oszillationseinrichtung 6, der Strahlaufweitungseinheit 9 und der Fokussierungseinheit 10 auf die Oberfläche des Werkstücks 11 gelenkt. Die Oszillationseinrichtung 6 weist die Scannervorrichtungen 7 und 8 auf, die jeweils den Spiegel 7.2 bzw. 8.2 mittels des Galvanometer-Antriebs 7.1 bzw. 8.1 um die Drehachse 7.3 bzw. 8.3 schwingen lassen.
Die Steuer- und Regeleinrichtung 13 steuert sowohl die Oszillationseinrichtung 6, und damit die Brennfleckgeschwindigkeit v₂ , als auch die Vorschubeinrichtung 12, und damit die Vorschubgeschwindigkeit v₁ .
In diesem Beispiel umfasst die Vorschubeinrichtung 12 eine Linearachse, der Bearbeitungskopf 17 ist unbewegt, d. h. ortsfest.
4 zeigt eine Ausführungsform der Laserbearbeitungsvorrichtung mit integrierten Scannerachsen als Vorschubeinrichtung 12 für die räumliche Bearbeitung. Der Bearbeitungskopf 17 ist in diesem Beispiel an einer weiteren Führungsmaschine (nicht dargestellt) befestigt.
Bezugszeichenliste

1: Brennfleck-Bewegungskurve
2: Spur des Brennflecks auf dem Werkstück
3: Überquerte Spur des Brennflecks auf dem Werkstück
4: Kontur des aufgeschmolzenen Bereichs
5: Kollimationseinrichtung
6: Oszillationseinrichtung
7: Erste Scannervorrichtung
7.1: Galvanometer-Antrieb
7.2: Spiegel
7.3: Drehachse der ersten Scannervorrichtung
8: Zweite Scannervorrichtung
8.1: Galvanometer-Antrieb
8.2: Spiegel
8.3: Drehachse der zweiten Scannervorrichtung
9: Strahlaufweitungseinheit
10: Fokussierungseinheit
11: Werkstück
12: Vorschubeinrichtung
13: Steuer- und Regeleinrichtung
14: Laserstrahlerzeugungseinheit
15: Brennfleck
16: Laserstrahl
17: Bearbeitungskopf
A: Amplitude
c: Abstand zwischen den Bahnen
d: Durchmesser des Brennflecks
P: Periodenlänge der Oszillationszyklen
T: Periodendauer der Oszillationszyklen
v₁: Vorschubgeschwindigkeit / Relativgeschwindigkeit zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück
v₂: Brennfleckgeschwindigkeit / Momentangeschwindigkeit des Brennflecks relativ zum Werkstück
x: Koordinate in Vorschubrichtung
y: Koordinate quer zur Vorschubrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016204578 B3 [0004]
DE 102014117157 B4 [0004]
DE 102014015094 A1 [0005, 0007]

Claims

Verfahren zum Laserschweißen mit stabilem Schmelzbad, wobei unter Verwendung eines Laserstrahls (16), der mittels eines wenigstens eine Oszillationseinrichtung (6) umfassenden Bearbeitungskopfes (17) auf an einem Fügestoß zu verschweißende Werkstücke (11) geführt wird, ein Brennfleck (15) auf wenigstens einem der Werkstücke (11) erzeugt und der Brennfleck (15) unter einer durch Oszillationsparameter definierten, räumlich oszillierenden Bewegung mit Oszillationsbewegungskomponenten sowohl parallel als auch senkrecht zu einer Vorschubrichtung (x) des Bearbeitungskopfes (17) relativ zu den Werkstücken (11) entlang des Fügestoßes bewegt wird, gekennzeichnet dadurch, dass: - die Oszillationsparameter sowohl eine Oszillationsamplitude (A) als auch eine Oszillationsgeschwindigkeit umfassen; - der Brennfleck (15) mit periodisch variierender Oszillationsgeschwindigkeit bewegt wird, deren Periode der Periode einer Änderung der Oszillationsamplitude (A) entspricht, wobei die Brennfleckgeschwindigkeit (v₂) auf der Werkstückoberfläche, die sich aus der Überlagerung der Oszillationsgeschwindigkeit und einer Vorschubgeschwindigkeit (v₁) in Vorschubrichtung (x) des Bearbeitungskopfes (17) relativ zu den Werkstücken (11) ergibt, konstant gehalten wird; - der Brennfleck (15) auf der Werkstückoberfläche entlang einer vorgegebenen, kreuzungsfreien Brennfleck-Bewegungskurve (1) bewegt wird, wobei von dem Brennfleck (15) auf der Werkstückoberfläche eine zusammenhängende Spur (2) mit einer durch den Brennfleckquerschnitt (d) definierten Spurbreite beschrieben wird, deren Spurabschnitte im Wesentlichen zueinander überlappungsfrei sind; und - die Brennfleckgeschwindigkeit (v₂) wenigstens das Zweifache der Vorschubgeschwindigkeit (v₁) beträgt.
Verfahren zum Laserschweißen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennfleck (15) mäandrierend auf der Werkstückoberfläche bewegt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch den Brennfleck bewirkter Energieeintrag durch Anpassung der Laserleistung des Laserstrahls (16) oder durch Änderung der Fokuslage relativ zur Werkstückoberfläche variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der durch den Brennfleck bewirkte Energieeintrag in Abhängigkeit der Komponente der oszillierenden Bewegung senkrecht zur Vorschubrichtung (x) verändert wird.
Laserbearbeitungsvorrichtung zum Laserschweißen von Werkstücken (11) mittels eines Laserstrahls (16), aufweisend eine Laserstrahlerzeugungseinheit (14), einen Bearbeitungskopf (17), der eine Kollimationseinrichtung (5), eine Oszillationseinrichtung (6) mit einer ersten (7) und einer zweiten Scannervorrichtung (8) zum Führen des Laserstrahls (16), eine in Strahlausbreitungsrichtung hinter der Oszillationseinrichtung (6) angeordnete Strahlaufweitungseinheit (9) mit zumindest zum Teil beweglichen optischen Elementen und eine Fokussierungseinheit (10) zum Fokussieren des Laserstrahls (16) auf die Oberfläche der Werkstücke (11) umfasst, eine Vorschubeinrichtung (12) sowie eine mit der Vorschubeinrichtung (12) und der Oszillationseinrichtung (6) verbundene Steuer- und Regeleinrichtung (13), wobei die Rotationsachsen (7.3, 8.3) der ersten Scannervorrichtung (7) und der zweiten Scannervorrichtung (8) aufeinander senkrecht stehen, dadurch gekennzeichnet, dass - die Oszillationseinrichtung (6) eine kleinere Apertur aufweist als die Fokussierungseinheit (10) an ihrem Objektivausgang, wobei der Durchmesser des Laserstrahls (16) innerhalb der Oszillationseinrichtung (6) kleiner ist als am Objektivausgang der Fokussierungseinheit (10); und - die Steuer- und Regeleinrichtung (13) eingerichtet ist, eine während des Laserschweißens stets konstante Brennfleckgeschwindigkeit (v₂) des Brennflecks (15) auf der Werkstückoberfläche mittels Regelung einer Oszillationsgeschwindigkeit der Oszillationsbewegung des Brennflecks (15) im Bezugssystem des Bearbeitungskopfes (17) durch Ansteuerung der ersten Scannervorrichtung (7) und der zweiten Scannervorrichtung (8) entsprechend einer Brennfleck-Bewegungskurve (1) der Oszillationsbewegung des Brennflecks (15) einzustellen.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlerzeugungseinheit (14) ein Multimode-Laser ist und die Kollimationseinrichtung (5) im Wellenlängenbereich des vom Multimode-Laser emittierten Laserlichts einen Absorptionsgrad von weniger als 0,1 % aufweist;
Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse (7.3) der ersten Scannervorrichtung (7) im Wesentlichen parallel zur Einfallsebene des Laserstrahls (16) und die Rotationsachse (8.3) der zweiten Scannervorrichtung (8) im Wesentlichen senkrecht zur Einfallsebene des Laserstrahls (16) angeordnet sind.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkel des Laserstrahls (16) auf die erste Scannervorrichtung (7) maximal 35° beträgt.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen Eingangsstrahlachse und Ausgangsstrahlachse der Oszillationseinrichtung (6) gebildeter Winkel im Wesentlichen 90° beträgt.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlaufweitungseinheit (9) eine in Strahlausbreitungsrichtung verschiebbare Linse mit negativer Brennweite und eine feststehende Linse mit positiver Brennweite umfasst.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubeinrichtung (12) eine Linearachse umfasst.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubeinrichtung (12) eine zwischen Strahlaufweitungseinheit (9) und Fokussierungseinheit (10) oder in Strahlausbreitungsrichtung hinter der Fokussierungseinheit (10) angeordnete Strahlverschiebungseinheit aufweist.
Verwendung der Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12 zum Fügen von zwei Werkstücken (11) aus unterschiedlichen Werkstoffen und/oder mit unterschiedlichen Werkstückstärken an einem Überlappstoß.