DE102018205325A1 - Verfahren zum Laserschweißen von transparenten Werkstücken und zugehörige Laserbearbeitungsmaschine - Google Patents

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Laserschweißen zweier einander überlappender Werkstücke (2a, 2b) mittels eines gepulsten Laserstrahls (3), insbesondere UKP-Laserstrahls, der durch das eine Werkstück (2a) hindurch auf das andere Werkstück (2b) gerichtet und relativ zu den beiden Werkstücken (2a, 2b) in einer Vorschubrichtung (10) bewegt wird, um zwischen den beiden aneinander anliegenden Werkstücken (2a, 2b) eine Schweißnaht (12) zu erzeugen, wird erfindungsgemäß dem in der Vorschubrichtung (10) bewegten Laserstrahl (3) eine quer oder parallel zur Vorschubrichtung (10) gerichtete Hin- und Herablenkung (11) des Laserstrahls (3) überlagert.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen zweier einander überlappender Werkstücke mittels eines gepulsten Laserstrahls, insbesondere UKP-Laserstrahls, der durch das eine Werkstück hindurch auf das andere Werkstück gerichtet und relativ zu den beiden Werkstücken in einer Vorschubrichtung bewegt wird, um zwischen den beiden aneinander anliegenden Werkstücken eine Schweißnaht zu erzeugen, sowie auch eine zum Durchführen dieses Laserschweißverfahrens geeignete Laserbearbeitungsmaschine.
  • Ultrakurz gepulste (UKP)-Laserstrahlung mit Pulsdauern kleiner als 500 ps wird zunehmend für die Materialbearbeitung eingesetzt. Die Besonderheit der Materialbearbeitung mit UKP-Laserstrahlung liegt in der kurzen Wechselwirkungszeit der Laserstrahlung mit dem Werkstück. Bedingt durch diese Wechselwirkungszeit lassen sich im Festkörper extreme thermodynamische Ungleichgewichte erzeugen, die dann zu einzigartigen Abtrags- oder Formationsmechanismen führen. So können beispielsweise Metalle, Halbleiter, Dielektrika oder Verbundstoffe unter minimalem Wärmeeintrag hochpräzise abgetragen oder Formationsprozesse von Mikro- bzw. Nanostrukturen angeregt werden (z.B. Gottmann, J., Hermans, M., Ortmann, J., „Digital Photonic Production of Micro Structures in Glass by In-Volume Selective Laser-Induced Etching using a High Speed Micro Scanner“, Physics Procedia 39, 2012, 534-541).
  • Das Laserschweißen von lasertransparenten Gläsern oder auch anderen, für den Laserstrahl transparenten, teiltransparenten oder streuenden Materialien mittels ultrakurzer Laserpulse ermöglicht eine stabile Verbindung ohne zusätzlichen Materialeinsatz, ist aber durch laserinduzierte transiente sowie permanente Spannungen limitiert. Zur Steigerung des Anbindungsquerschnittes wird daher meist eine Mehrfachüberfahrt des Laserstrahls entlang der Fügelinie der Fügepartner, also entlang der Schweißnaht, genutzt. Prinzipiell kann die laserinduzierte Spannung auch mittels geeigneter Laser- und/oder Prozessparameter reduziert werden, wodurch sich allerdings andere Nachteile (Spaltüberbrückbarkeit) ergeben können.
  • Hintergrund ist das lokale Aufschmelzen des Materials mittels ultrakurzer Laserpulse. Fokussiert man ultrakurze Laserpulse in das Volumen von Glas, z.B. Quarzglas, führt die im Fokus vorliegende hohe Intensität zu nichtlinearen Absorptionsprozessen, wodurch, in Abhängigkeit der Laserparameter, verschiedene Materialmodifikationen induziert werden können. Wenn der zeitliche Pulsabstand kürzer als die typische Wärmediffusionszeit des Glases ist, erhöht sich die Temperatur im Fokusbereich von Puls zu Puls (sog. Wärmeakkumulation) und kann zum lokalen Aufschmelzen führen. Platziert man die Modifikation im Bereich der Grenzfläche zweier Gläser, generiert die abkühlende Schmelze eine stabile Verbindung beider Gläser. Aufgrund des lokalen Fügeprozesses sind die laserinduzierten Spannungen typischerweise gering, wodurch auch thermisch stark verschiedene Gläser gebondet werden können. Jedoch beeinflussen diese Spannungen die Festigkeit und können die Machbarkeit des Laserbondens limitieren. Neben der Größe der Modifikation, die von Prozessparametern, wie z.B. der mittleren Laserleistung sowie dem Pulsüberlapp, abhängt, hat auch die Geometrie der Schweißnaht einen entscheidenden Einfluss auf die laserinduzierten Spannungen. So kann eine linienförmige Schweißnaht eine bevorzugte Ebene vorgeben, entlang der Risse propagieren können, was somit für die Festigkeit von Nachteil ist und zu Materialversagen (Bruch) führen kann.
  • Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die in den miteinander zu verschweißenden Werkstücken laserinduzierten Spannungen zu reduzieren und eine ausreichend stabile Schweißnaht möglichst in einer einzigen Überfahrt zu erzeugen, sowie auch eine geeignete Laserbearbeitungsmaschine anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass dem in der Vorschubrichtung bewegten Laserstrahl eine Hin- und Herauslenkung des Laserstrahls überlagert wird. Die Hin- und Herauslenkung des Laserstrahls kann quer, insbesondere senkrecht, oder parallel zur Vorschubrichtung erfolgen. Die Hin- und Herauslenkung des Laserstrahls quer zur Vorschubrichtung umfasst dabei jede Ablenkung des Laserstrahls, die nicht parallel zur Vorschubrichtung verläuft. Die Hin-und Herauslenkung des Laserstrahls senkrecht zur Vorschubrichtung kann insbesondere auch in Strahlausbreitungsrichtung erfolgen. Durch eine Hin-und Herauslenkung des Laserstrahls quer zur Vorschubrichtung kann eine zickzack- oder schlangenlinienförmige Schweißnaht erzeugt werden. Der Laserfokus befindet sich dabei vorteilhaft nicht auf Höhe der Fügefläche, sondern im Volumen des unteren oder oberen Werkstücks knapp unter- bzw. oberhalb seiner Fügefläche. Auf diese Weise kann ein Schmelzvolumen entstehen, welche nicht die Fügeflächen der beiden Werkstücke einschließt.
  • Erfindungsgemäß ermöglichst es die dynamische Ablenkung des Laserstrahls quer oder parallel zur Vorschubrichtung während der Überfahrt des Laserstrahls, die während des Schweißprozesses laserinduzierten Spannungen zu reduzieren bzw. umzuverteilen, sodass eine höhere Festigkeit im Vergleich zum herkömmlichen Schweißen erreicht wird. Insbesondere bewirkt die durch die dynamische Ablenkung des Laserstrahls quer zur Vorschubrichtung erzeugte zickzack- oder schlangenlinienförmige Schweißnaht eine im Mittel geringere Spannung bzw. Spannungsdoppelbrechung als bei einer geradlinigen Schweißnaht, wobei Spannungsmaxima voneinander separiert auftreten. Mikroskopische Verschiebungen (Dehnungen) aufgrund der Volumenänderung des Werkstückmaterials können sich nicht entlang einer Vorzugsrichtung aufsummieren und somit keine Bruchlinie vorgeben. Insbesondere bei nicht-gradlinigen Schweißnähten kann die erforderliche Stabilität der Schweißverbindung in einer einzigen Überfahrt erzeugt werden.
  • Die Erfindung ermöglicht es, die Festigkeit laser-gebondeter Werkstücke unabhängig davon zu erhöhen, ob die Fügepartner nachträglich noch zur weiteren Qualitätsverbesserung behandelt werden oder nicht. Des Weiteren kann die effektive Größe der aufgeschmolzenen Fläche vergrößert werden, die wiederum die Stabilität der Fügeverbindung verbessern kann. Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass das Schmelzvolumen vergrößert und gleichzeitig dessen Geometrie flexibler als bisher kontrolliert werden kann. Dabei lassen sich die Vorteile dieser in einer einzigen Überfahrt in Volumen und Geometrie kontrollierten Schmelze sowohl im Hinblick auf die Festigkeit als auch den Durchsatz nutzen.
  • Vorzugsweise ist zumindest das eine Werkstück, insbesondere auch das andere Werkstück, aus Glas, insbesondere Quarzglas, aus Polymer, Glaskeramik, Kristallen oder Kombinationen davon und/oder mit opaken Materialien gebildet und weist eine Transparenz von mindestens 90% bei der Laserwellenlänge auf. Dabei bezieht sich dieser Wert auf lineare Absorptionsprozesse des Laserstrahls in unbehandeltem Material.
  • Prinzipiell kann die Relativbewegung des Laserstrahls in Vorschubrichtung und quer bzw. parallel zur Vorschubrichtung allein durch Bewegen der Werkstücke, allein durch Ablenken des Laserstrahls oder durch eine Kombination davon erreicht werden. Im letzteren Fall werden bevorzugt die beiden Werkstücke ausschließlich in Vorschubrichtung bewegt und gleichzeitig der Laserstrahl ausschließlich quer oder parallel zur jeweiligen Vorschubrichtung abgelenkt. Die Vorschubgeschwindigkeit und die Ablenkgeschwindigkeit werden vorteilhaft so gewählt, dass die Ablenkgeschwindigkeit zwischen dem 0,01-fachen und dem 100-fachen der Vorschubgeschwindigkeit beträgt. Grundsätzlich kann die Relativbewegung des Laserstrahls in Vorschubrichtung entlang jeder beliebigen Bahnkurve erfolgen.
  • In einer Verfahrensvariante werden die beiden Werkstücke mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit in der Vorschubrichtung bewegt und der Laserstrahl periodisch mit gleicher Amplitude quer oder parallel zur Vorschubrichtung hin- und her abgelenkt, um im ersteren Fall eine Schweißnaht in Form einer regelmäßigen Zickzacklinie oder einer Sinuskurve zu erzeugen.
  • Der Schweißprozess basiert dabei insbesondere auf einer durch nichtlineare Effekte induzierten Absorption des Laserstrahls, welche dazu führt, dass die Modifikationsschwelle des jeweiligen Materials überschritten wird, so dass es zu einer permanenten Modifikation des Materials kommt. Dabei werden die Parameter aller oder eines Teils der Laserpulse so gewählt, dass nichtlineare Absorptionsprozesse auftreten und daraus resultierend die Modifikationsschwelle überschritten wird. Insbesondere wird der Schweißprozess durch einen oder mehrere Pulse initiiert, dessen bzw. deren Parameter so gewählt sind, dass Prozesse auftreten, welche durch nichtlineare Absorption induziert werden und welche zu permanenten Materialmodifikationen führen.
  • Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch eine Laserbearbeitungsmaschine zum Laserschweißen zweier einander überlappender Werkstücke, von denen zumindest eines, insbesondere auch das andere, eine Transparenz von mindestens 90% bei der Laserwellenlänge aufweist, mit einem Laser, insbesondere UKP-Laser, zum Erzeugen eines gepulsten Laserstrahls, insbesondere in Form von UKP-Laserpulsen, mit einem Scanner zum Ablenken des Laserstrahls quer oder parallel zu einer Vorschubrichtung und mit einer Maschinensteuerung, die programmiert ist, den Scanner derart anzusteuern, dass einer Bewegung des Laserstrahls in der Vorschubrichtung eine quer oder parallel zur Vorschubrichtung gerichtete Hin- und Herablenkung des Laserstrahls überlagert wird.
  • Die Bewegung des Laserstrahls in Vorschubrichtung kann durch den Scanner und/oder durch eine Bewegungseinheit zum Bewegen der beiden einander überlappenden Werkstücke in einer Vorschubrichtung erfolgen.
  • Vorzugsweise ist der Scanner durch mindestens einen elektro-optischen, akusto-optischen, piezoverstellbaren oder auf mikro-elektromechanischer Systemtechnik basierenden Deflektor (Scannerspiegel) gebildet.
  • 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 schematisch eine Laserbearbeitungsmaschine zum Laserschweißen zweier lasertransparenter Werkstücke mittels eines Laserstrahls, wobei das obere Werkstück teilweise aufgebrochen dargestellt ist;
    • 2a, 2b zwei verschiedene erfindungsgemäße Schweißnähte an zwei lasergeschweißten Werkstücken, wobei das obere Werkstück teilweise aufgebrochen dargestellt ist; und
    • 3 die Polarisationskontrastintensität einer geradlinigen und einer zickzackförmigen Schweißnaht an zwei lasergeschweißten Werkstücken, jeweils in einer Draufsicht auf den Überlappstoß der beiden lasergeschweißten Werkstücke.
  • Die in 1 gezeigte Laserbearbeitungsmaschine 1 dient zum Laserschweißen zweier einander überlappender Werkstücke 2a, 2b mittels eines Laserstrahls 3, wobei zumindest das in 1 obere Werkstück 2a, insbesondere auch das andere, untere Werkstück 2b, eine Transparenz von mindestens 90% bei der Laserwellenlänge aufweist und beispielsweise aus Glas, insbesondere Quarzglas, aus Polymer, Glaskeramik, kristallin oder aus Kombinationen davon und/oder mit opaken Materialien gebildet ist.
  • Die Laserbearbeitungsmaschine 1 umfasst einen UKP-Laser 4 zum Erzeugen des Laserstrahls 3 in Form von UKP-Laserpulsen 5 mit Pulsdauern kleiner als 500 ps, insbesondere kleiner als 10 ps, eine in X-Y-Richtung bewegbare Bewegungseinheit (z.B. Werkstücktisch) 6 zum gemeinsamen Bewegen der beiden zu verschweißenden Werkstücke 2a, 2b, sowie einen Scanner 7 zum zweidimensionalen Ablenken des Laserstrahls 3 auf den beiden zu verschweißenden Werkstücken 2a, 2b.
  • Bei dem Scanner 7 handelt es sich beispielsweise um einen Microscanner mit Hoch-NA-Mikroskopobjektiv. Hierbei werden die vom UKP-Laser 4 emittierten UKP-Laserpulse 5 durch einen Galvanometerscanner 7 abgelenkt, dessen Strahlablenkung über ein Teleskop in den Bereich der Brennebene des Mikroskopobjektivs abgebildet wird. Der Laserstrahl 3 kann vom Scanner 7 in zwei transversalen Achsen abgelenkt werden, und der abgelenkte Laserstrahl 3 wird mittels eines nicht gezeigten Teleskops auf ein kurz vor dem zu bearbeitenden Werkstück befindliches Mikroskopobjektiv des Scanners 7 abgebildet. Alternativ kann die Strahlablenkung auch mittels elektro-optischer, akusto-optischer, piezoverstellbarer oder auch auf mikro-elektromechanischer Systemtechnik (MEMS) basierender Deflektoren erfolgen.
  • Beim Laserschweißen der beiden Werkstücke 2a, 2b wird der Laserstrahl 3 durch das in 1 obere Werkstück 2a hindurch auf das untere Werkstück 2b gerichtet und - durch Bewegen der Bewegungseinheit 6 - relativ zu den beiden Werkstücken 2a, 2b entlang einer hier gradlinigen Vorschubbahnkurve 8 bewegt, um die beiden Werkstücke 2a, 2b an ihren aneinander anliegenden Fügeflächen 9a, 9b lokal aufzuschmelzen und somit miteinander zu verbinden. Dem entlang der Vorschubbahnkurve 8 bewegten Laserstrahl 3 wird eine quer, hier rechtwinklig, zur jeweiligen Vorschubrichtung 10 gerichtete Hin- und Herablenkung (Doppelpfeil 11) des Laserstrahls 3 überlagert, um dadurch auf der Oberseite 8 eine bspw. zickzack- oder schlangenlinienförmige Schweißnaht 12 zu erzeugen. Der Laserfokus des fokussierten Laserstrahls 3 befindet sich dabei vorteilhaft nicht auf der Fügefläche, sondern im Volumen des zweiten Werkstücks 2b nahe seiner Fügefläche 9b. Die Schweißnaht 12 kann durch Überlagerung einer gleichförmigen Vorschubbewegung und einer periodischen Querablenkung des Laserstrahls 3 als regelmäßige Zickzacklinie (2a) oder als Sinuskurve (2b) ausgebildet sein.
  • Die zickzack- oder schlangenlinienförmige Schweißnaht 12 bewirkt im Mittel geringere Spannungen als eine geradlinige Schweißnaht, wobei Spannungsmaxima voneinander separiert auftreten. Mikroskopische Verschiebungen (Dehnungen) aufgrund der Volumenänderung des Werkstückmaterials können sich nicht entlang einer Vorzugsrichtung aufsummieren und somit keine Bruchlinie vorgeben. Die während der Überfahrt des Laserstrahls 3 laserinduzierten Spannungen werden reduziert bzw. umverteilt, sodass eine höhere Festigkeit im Vergleich zum herkömmlichen Laserschweißen erreicht wird.
  • Statt wie gezeigt quer, kann dem entlang der Vorschubbahnkurve 8 bewegten Laserstrahl 3 auch eine parallel zur jeweiligen Vorschubrichtung 10 gerichtete Hin-und Herablenkung des Laserstrahls 3 überlagert werden, um dadurch auf der Oberseite 8 eine longitudinale Schweißnaht (nicht gezeigt) zu erzeugen.
  • Vorzugsweise werden folgende Laserparameter gewählt:
    • Laserwellenlänge zwischen 200 und 5000 nm,
    • Repetitionsrate der Laserpulse zwischen 1 kHz und 500 GHz,
    • Laserpulsdauer zwischen 10 fs und 500 ps,
    • Fokussierung und Pulsenergie so, dass die Fluenz in der Fokuszone größer als 0.01 J/cm2 ist.
    • Die Modifikationsschwelle bei einer Pulsdauer von ca. 1 ps und einer Laserwellenlänge von ca. 1 µm liegt dabei bspw. bei Glas im Volumen bei ca. 1 bis 5 J/cm2, an der Oberfläche bei ca. 0,1-0,5 J/cm2.
  • Ein Maß für die laserinduzierten Spannungen (Spannungsdoppelbrechung) ist die Polarisationskontrastintensität, die in 3 exemplarisch für den Fall einer geradlinigen Schweißnaht (Kurve a) und der erfindungsgemäßen zickzack- oder schlangenlinienförmigen Schweißnaht (Kurve b) dargestellt ist. Die induzierte Spannung ist bei der geradlinigen Schweißnaht (a) über den gesamten modifizierten Bereich vergleichbar hoch und deutet auf eine einheitliche, zusammenhängende Spannungsverteilung hin. Die zickzack- oder schlangenlinienförmige Schweißnaht (b) zeigt im Mittel geringere Spannungsmaxima mit voneinander separiert auftretenden Intensitätsspitzen, wodurch die Festigkeit der lasergebondeten Verbindung erhöht ist.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Laserschweißen zweier einander überlappender Werkstücke (2a, 2b) mittels eines gepulsten Laserstrahls (3), insbesondere UKP-Laserstrahls, der durch das eine Werkstück (2a) hindurch auf das andere Werkstück (2b) gerichtet und relativ zu den beiden Werkstücken (2a, 2b) in einer Vorschubrichtung (10) bewegt wird, um zwischen den beiden aneinander anliegenden Werkstücken (2a, 2b) eine Schweißnaht (12) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass dem in der Vorschubrichtung (10) bewegten Laserstrahl (3) eine quer oder parallel zur Vorschubrichtung (10) gerichtete Hin- und Herablenkung (11) des Laserstrahls (3) überlagert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das eine Werkstück (2a), insbesondere auch das andere Werkstück (2b), aus Glas, insbesondere Quarzglas, aus Polymer, Glaskeramik, kristallin oder aus Kombinationen davon und/oder mit opaken Materialien gebildet ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Werkstück (2a), insbesondere auch das andere Werkstück (2b), eine Transparenz von mindestens 90% bei der Laserwellenlänge aufweist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Werkstücke (2a, 2b) ausschließlich in der Vorschubrichtung (10) bewegt werden und gleichzeitig der Laserstrahl (3) ausschließlich quer oder parallel zur Vorschubrichtung (10) hin und her abgelenkt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Werkstücke (2a, 2b) mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit (v) oder beschleunigt in der Vorschubrichtung (10) bewegt werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (3) periodisch mit gleicher Amplitude quer zur Vorschubrichtung (10) hin- und her abgelenkt wird, um eine Schweißnaht (12) insbesondere in Form einer regelmäßigen Zickzacklinie oder einer Sinuskurve zu erzeugen.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Pulse des gepulsten Laserstrahls (3) Parameter aufweisen, welche so gewählt sind, dass während des Schweißprozesses in einem oder beiden Werkstücken (2a, 2b) nichtlineare Absorptionsprozesse auftreten.
  8. Laserbearbeitungsmaschine (1) zum Laserschweißen zweier einander überlappender Werkstücke (2a, 2b), von denen zumindest eines, insbesondere auch das andere, eine Transparenz von mindestens 90% bei der Laserwellenlänge aufweist, mit einem Laser (4), insbesondere UKP-Laser, zum Erzeugen eines gepulsten Laserstrahls (3), insbesondere in Form von UKP-Laserpulsen (5), mit einem Scanner (7) zum Ablenken des Laserstrahls (3) quer oder parallel zu einer Vorschubrichtung (10) und mit einer Maschinensteuerung (14), die programmiert ist, den Scanner (7) derart anzusteuern, dass einer Bewegung des Laserstrahls (3) in der Vorschubrichtung (10) eine quer oder parallel zur Vorschubrichtung (10) gerichtete Hin- und Herablenkung (11) des Laserstrahls (3) überlagert wird.
  9. Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Bewegungseinheit (6) zum Bewegen der beiden einander überlappenden Werkstücke (2a, 2b) in der Vorschubrichtung (10), wobei die Maschinensteuerung (14) programmiert ist, die Bewegungseinheit (6) und den Scanner (7) derart anzusteuern, dass der Laserstrahl (3) in der Vorschubrichtung (10) bewegt wird und dieser Bewegung eine quer oder parallel zur Vorschubrichtung (10) gerichtete Hin- und Herablenkung (11) des Laserstrahls (3) überlagert wird.
  10. Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Scanner (7) durch mindestens einen elektro-optischen, akusto-optischen, piezoverstellbaren oder auf mikro-elektromechanischer Systemtechnik basierenden Deflektor gebildet ist.
DE102018205325.1A 2018-04-10 2018-04-10 Verfahren zum Laserschweißen von transparenten Werkstücken und zugehörige Laserbearbeitungsmaschine Pending DE102018205325A1 (de)

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