DE102019116803A1 - Method and device for machining a workpiece - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten mindestens eines Werkstücks (110, 120), wobei das Werkstück (110, 120) mit einem Bearbeitungsstrahl (2), bevorzugt einen gepulsten Laserstrahl, besonders bevorzugt einem Ultrakurzpulslaserstrahl, beaufschlagt wird, wobei der Bearbeitungsstrahl (2, 2', 2", 20, 22) zur Ausbildung einer Prozesszone (200) hochdynamisch zwischen mindestens zwei unterschiedlichen räumlichen Bereichen (220, 230) bewegt wird.The present invention relates to a method for processing at least one workpiece (110, 120), the workpiece (110, 120) being acted upon by a processing beam (2), preferably a pulsed laser beam, particularly preferably an ultrashort pulse laser beam, the processing beam (2 , 2 ', 2 ", 20, 22) is moved highly dynamically between at least two different spatial areas (220, 230) to form a process zone (200).
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten mindestens eines Werkstücks mit wärmeakkumulierenden Prozessen, insbesondere zum Verschweißen zweier Werkstücke mittels eines Bearbeitungsstrahls, wobei mindestens eines der Werkstücke transparent für den Bearbeitungsstrahl ist. Die Erfindung betrifft insbesondere auch das Verschweißen zweier transparenter Werkstücke wie beispielsweise Gläser, Keramiken oder anderer kristalliner oder polymerbasierter Materialien unter Verwendung eines gepulsten Laserstrahls.The present invention relates to a method for machining at least one workpiece with heat-accumulating processes, in particular for welding two workpieces by means of a machining beam, at least one of the workpieces being transparent to the machining beam. In particular, the invention also relates to the welding of two transparent workpieces such as glasses, ceramics or other crystalline or polymer-based materials using a pulsed laser beam.
Stand der TechnikState of the art
Zum Laserschweißen von Werkstücken aus transparenten Materialien und insbesondere zum Verschweißen von Werkstücken aus Glas oder Keramik ist es bekannt, gepulste Laser und insbesondere Ultrakurzpulslaser zu verwenden. Der gepulste Laserstrahl wird in, auf oder unterhalb eines Werkstück fokussiert, in welchem aufgrund der Absorption der Laserenergie das Material eines oder beider der Werkstücke einer Prozesszone aufgeschmolzen wird und entsprechend der Spalt zwischen den beiden Werkstücken durch die Schmelze überbrückt wird, so dass auf diese Weise nach dem erneuten Erstarren des Materials eine Schweißnaht zwischen den beiden Werkstücken ausgebildet wird, ohne dass ein weiterer Materialeinsatz notwendig wäre. Mit anderen Worten findet eine Verschweißung unter Verwendung der bereits in den Werkstücken vorhandenen Materialien statt.For laser welding workpieces made of transparent materials and in particular for welding workpieces made of glass or ceramics, it is known to use pulsed lasers and in particular ultrashort pulse lasers. The pulsed laser beam is focused in, on or below a workpiece in which the material of one or both of the workpieces of a process zone is melted due to the absorption of the laser energy and the gap between the two workpieces is bridged by the melt, so that in this way After the material has solidified again, a weld seam is formed between the two workpieces without any further use of material being necessary. In other words, welding takes place using the materials already present in the workpieces.
Aufgrund der Transparenz zumindest eines, beider oder aller Werkstücke für den Bearbeitungsstrahl kann eine Verschweißung auch in einem Bereich zwischen den aneinander anliegenden Werkstücken erreicht werden. Dabei wird der Bearbeitungsstrahl durch eines der transparenten Werkstücke hindurch zwischen den Werkstücken fokussiert, so dass ein Aufschmelzen des Materials an der zwischen den Werkstücken liegenden Grenzfläche erreicht werden kann.As a result of the transparency of at least one, both or all of the workpieces for the machining beam, welding can also be achieved in an area between the workpieces resting against one another. The processing beam is focused through one of the transparent workpieces between the workpieces so that the material can be melted at the interface between the workpieces.
Beim Verschweißen von transparenten Materialien miteinander kann es dabei aufgrund der in die Prozesszone eingebrachten Energie und den damit einhergehenden hohen Temperaturen innerhalb des Materials zu Spannungen und/oder zu Rissen kommen, welche die Qualität der gefügten Materialien zumindest im Bereich der Schweißnaht reduzieren können.When welding transparent materials together, the energy introduced into the process zone and the associated high temperatures within the material can lead to tensions and / or cracks, which can reduce the quality of the joined materials at least in the area of the weld seam.
Es ist daher bekannt, Laserschweißprozesse zum Fügen von transparenten Materialien iterativ zu optimieren, wobei unterschiedliche Bearbeitungsparameter wie beispielsweise die Pulsdauer und/oder die Pulsenergie des gepulsten Laserstrahls und/oder die relative Vorschubgeschwindigkeit zwischen Prozesszone beziehungsweise Bearbeitungsstrahl und den Werkstücken variiert werden können, um in einer nachfolgenden Qualitätskontrolle, beispielsweise mittels eines Mikroskops durch mikroskopische Untersuchungen an den Schweißnähten und den übrigen Bereichen der miteinander gefügten Werkstücke nach Abschluss des eigentlichen Schweißprozesses, das Qualitätsniveau zu ermitteln und dann die entsprechenden Prozessparameter durch deren Variation iterativ zu optimieren.It is therefore known to iteratively optimize laser welding processes for joining transparent materials, whereby different processing parameters such as the pulse duration and / or the pulse energy of the pulsed laser beam and / or the relative feed speed between the process zone or processing beam and the workpieces can be varied in order to achieve a subsequent quality control, for example by means of a microscope through microscopic examinations of the weld seams and the other areas of the joined workpieces after completion of the actual welding process to determine the quality level and then iteratively optimize the corresponding process parameters by varying them.
Der Bearbeitungsstrahl wird dabei durch entsprechende Optiken und eine damit einhergehende Strahlformung in das Material eines der Werkstücke, in beide Werkstücke und/oder in den Bereich einer Grenzfläche zwischen den beiden aneinander anliegenden Werkstücken fokussiert, wobei auch die Lage und Form des auf diese Weise ausgebildeten Fokus Teil des Optimierungsprozesses sein kann.The processing beam is focused by appropriate optics and the associated beam shaping in the material of one of the workpieces, in both workpieces and / or in the area of an interface between the two adjacent workpieces, with the position and shape of the focus formed in this way Can be part of the optimization process.
Eine Herausforderung bei der Optimierung ist es, durch den Laserstrahl induzierte Spannungen in den Fügepartnern zu reduzieren, welche eine stabile Verbindung der Fügepartner verhindern können.One challenge in optimization is to reduce the stresses induced by the laser beam in the joint partners, which can prevent a stable connection between the joint partners.
Andere Laserbearbeitungsprozesse, die auf Wärmeakkumulation basieren wie z.B. die Modifikation von Werkstückoberflächen oder Volumina sowie Laser-Lift-Off Verfahren sehen sich auch mit dem Problem der durch den Laserstrahl induzierten Spannungen im Werkstück konfrontiert.Other laser machining processes based on heat accumulation such as the modification of workpiece surfaces or volumes as well as laser lift-off processes are also confronted with the problem of the stresses induced in the workpiece by the laser beam.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Ausgehend von dem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Bearbeiten mindestens eines Werkstücks anzugeben, wobei das Verfahren und die Vorrichtung die Qualität des bearbeiteten Werkstücks beziehungsweise der bearbeiteten Werkstücke weiter verbessern soll.Based on the prior art, it is an object of the present invention to provide a method and a device for performing the method for machining at least one workpiece, the method and the device intended to further improve the quality of the machined workpiece or the machined workpieces.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der vorliegenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.This object is achieved by a method with the features of
Entsprechend wird ein Verfahren zum Bearbeiten mindestens eines Werkstücks vorgeschlagen, wobei das Werkstück mit einem Bearbeitungsstrahl, bevorzugt einem gepulsten Laserstrahl, besonders bevorzugt einem Ultrakurzpulslaserstrahl, beaufschlagt wird, wobei der Bearbeitungsstrahl zur Ausbildung einer Prozesszone hochdynamisch zwischen mindestens zwei unterschiedlichen räumlichen Bereichen bewegt wird.Accordingly, a method for processing at least one workpiece is proposed, the workpiece being acted upon by a processing beam, preferably a pulsed laser beam, particularly preferably an ultra-short pulse laser beam, the processing beam being highly dynamic to form a process zone is moved between at least two different spatial areas.
Durch die hochdynamische Bewegung des Bearbeitungsstrahls in mindestens zwei räumliche Bereiche der Prozesszone ist es möglich, die Energie des Bearbeitungsstrahls über eine größere Fläche beziehungsweise ein größeres Volumen des Materials des Werkstücks zu verteilen, um auf diese Weise das Auftreten von starken Temperaturspannungen in dem Material des Werkstücks zu reduzieren beziehungsweise diese zu verteilen und eine effizientere Bearbeitung des Materials zu erreichen.Due to the highly dynamic movement of the processing beam in at least two spatial areas of the process zone, it is possible to distribute the energy of the processing beam over a larger area or a larger volume of the material of the workpiece in order to prevent the occurrence of high temperature stresses in the material of the workpiece to reduce or distribute them and to achieve a more efficient processing of the material.
Der aus dem Stand der Technik bekannte rein lokale Eintrag von Wärmeenergie in einem einzigen Fokus in das Material des Werkstücks wird damit durch das vorgeschlagene Verfahren hochdynamisch auf ein größeres Volumen und/oder eine größere Oberfläche verteilt.The purely local entry of thermal energy in a single focus into the material of the workpiece, known from the prior art, is thus distributed in a highly dynamic manner to a larger volume and / or a larger surface using the proposed method.
Unter Prozesszone wird vorliegend ein begrenztes Materialvolumen in dem Werkstück beziehungsweise ein mindestens zwei Werkstücke überlappendes begrenztes Materialvolumen verstanden, in welches mittels der Laserpulse des Bearbeitungsstrahls Energie eingetragen wird. In dem die Prozesszone ausbildenden Materialvolumen findet damit ein Energieeintrag statt, der zu einer Wärmeakkumulation und damit zu einer Materialänderung in dem Materialvolumen führt. Die räumlichen Bereiche, in welche der Bearbeitungsstrahl bewegt wird, sind bevorzugt so weit voneinander entfernt, dass eine Überlappung der jeweiligen Foki nicht stattfindet und daher der herkömmliche rein lokale Eintrag von Wärmeenergie vermeiden wird. Gleichzeitig liegen die Foki aber dennoch so nah aneinander, dass der Energieeintrag durch den in die unterschiedlichen räumlichen Bereiche bewegten Bearbeitungsstrahl zu einer Energieakkumulation in der Prozesszone führt.In the present case, the term process zone is understood to mean a limited material volume in the workpiece or a limited material volume which overlaps at least two workpieces and into which energy is entered by means of the laser pulses of the processing beam. An energy input thus takes place in the material volume forming the process zone, which leads to heat accumulation and thus to a material change in the material volume. The spatial areas into which the processing beam is moved are preferably so far apart that the respective foci do not overlap and therefore the conventional, purely local input of thermal energy is avoided. At the same time, however, the foci are so close to one another that the energy input through the processing beam moving into the different spatial areas leads to an energy accumulation in the process zone.
Mit anderen Worten sind die einzelnen räumlichen Bereiche zwar voneinander beabstandet, aber soweit miteinander gekoppelt, dass eine Wärmeakkumulation erreicht wird.In other words, the individual spatial areas are spaced apart from one another, but coupled with one another to such an extent that heat accumulation is achieved.
Beispielsweise kann das Materialvolumen in der Prozesszone durch den akkumulierten Wärmeeintrag aufschmelzen und nach dem erneuten Erstarren eine permanente Materialänderung in dem Werkstück oder in den Werkstücken hervorrufen.For example, the material volume in the process zone can melt due to the accumulated heat input and, after renewed solidification, cause a permanent material change in the workpiece or in the workpieces.
Die Prozesszone kann entsprechend durch die Positionierung der räumlichen Bereiche, in welche der Bearbeitungsstrahl bewegt wird, definiert werden. Durch eine Relativbewegung von Laseroptik und Werkstück und/oder durch eine aktive Beeinflussung der Laseroptik kann sich die Prozesszone relativ zum Werkstück durch diese bewegen. Dies kann zur Ausbildung einer sich räumlich erstreckenden Materialmodifikation, beispielsweise zur Ausbildung einer Schweißnaht, verwendet werden.The process zone can be defined accordingly by the positioning of the spatial areas into which the processing beam is moved. The process zone can move relative to the workpiece through a relative movement of the laser optics and the workpiece and / or by actively influencing the laser optics. This can be used to form a spatially extending material modification, for example to form a weld seam.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren können unter anderem Wärmediffusionseffekte in dem Material des Werkstücks beziehungsweise der Werkstücke besser berücksichtigt werden. Mit anderen Worten kann die mittels des Bearbeitungsstrahls in die Prozesszone eingebrachte Energie und damit die Temperaturerhöhung teilweise in umliegende Volumina des Werkstücks diffundieren während die Beaufschlagung des Werkstücks mit dem Bearbeitungsstrahl gerade in einem anderen der räumlichen Bereiche der Prozesszone stattfindet, so dass der bezüglich des eigentlichen durch den Bearbeitungsstrahl eingebrachten Fokus entstehende Temperaturgradient in dem Material des Werkstücks abgeschwächt wird und damit das Auftreten von Temperaturspannungen reduziert werden kann.With the proposed method, inter alia, heat diffusion effects in the material of the workpiece or the workpieces can be better taken into account. In other words, the energy introduced into the process zone by means of the processing beam and thus the temperature increase can partially diffuse into the surrounding volumes of the workpiece while the workpiece is being exposed to the processing beam in another of the spatial areas of the process zone, so that the actual through the machining beam introduced focus resulting temperature gradient in the material of the workpiece is weakened and thus the occurrence of temperature stresses can be reduced.
Das Absorptionsverhalten innerhalb der Prozesszone beziehungsweise des aufgeschmolzenen Materialvolumens in der Prozesszone hängt dabei von der Intensitätsverteilung und natürlich von der insgesamt eingetragenen, mittleren Laserenergie ab. Die initiale Absorption der Laserenergie durch das Material in der Prozesszone findet dabei zunächst jeweils im Fokus des in den jeweiligen räumlichen Bereich bewegten Bearbeitungsstrahls statt.The absorption behavior within the process zone or the melted material volume in the process zone depends on the intensity distribution and of course on the overall average laser energy input. The initial absorption of the laser energy by the material in the process zone initially takes place in the focus of the processing beam moved into the respective spatial area.
Dabei liegt dem Verfahren die Erkenntnis zu Grunde, dass bei der Laserbearbeitung transparenter Materialien, beispielsweise dem Verschweißen von Werkstücken aus Glas mittels der Bearbeitungsstrahlen, beispielsweise gepulster Laserstrahlen, durch die erreichbaren hohen Intensitäten im jeweiligen Strahlfokus nichtlineare Absorptionseffekte im transparenten Material erreicht werden können. Werden entsprechende Repetitionsraten für den gepulsten Bearbeitungsstrahl verwendet, akkumuliert sich die mittels der jeweiligen Pulse in die separaten räumlichen Bereiche der Prozesszone eingetragene Energie, sodass es durch entsprechende Wärmeakkumulationseffekte zu einem lokalen Aufschmelzen des Materials kommt. Dadurch entsteht in der Nähe des geometrischen Fokus des in den jeweiligen räumlichen Bereich bewegten Bearbeitungsstrahls ein absorbierendes Plasma zunächst in der Größe des jeweiligen Fokusvolumens.The process is based on the knowledge that in the laser processing of transparent materials, for example the welding of workpieces made of glass by means of the processing beams, for example pulsed laser beams, non-linear absorption effects can be achieved in the transparent material due to the high intensities that can be achieved in the respective beam focus. If corresponding repetition rates are used for the pulsed processing beam, the energy introduced into the separate spatial areas of the process zone by means of the respective pulses accumulates, so that the material melts locally due to corresponding heat accumulation effects. As a result, in the vicinity of the geometric focus of the machining beam moved into the respective spatial area, an absorbing plasma initially of the size of the respective focus volume is created.
An der Plasmaoberfläche, welche die Prozesszone begrenzt und insbesondere in dem Bereich der Plasmaoberfläche, welche in Richtung der jeweils auf das Plasma auftreffenden Bearbeitungsstrahls orientiert ist und auf welche der Bearbeitungsstrahl auftrifft, tritt jedoch eine verstärkte Absorption auf. Damit kann das Plasmavolumen aufgrund der erhöhten Absorption des Bearbeitungsstrahls und dem sich dadurch ergebenden Energieeintrag in das Plasmavolumen an der Plasmaoberfläche weiter Energie absorbieren, so dass das Volumen des Plasmas weiter anwachsen kann, wobei sich dieses Anwachsen des Plasmavolumens hauptsächlich entlang des Bearbeitungsstrahls gerichtet und in Richtung auf die Strahlquelle zu erstreckt. Mit anderen Worten kann sich das Plasma in einer länglichen Form entlang des Bearbeitungsstrahls ausbreiten. Daraus kann eine langgezogene Blase, die durch das Plasma geformt ist, ausgebildet werden.However, increased absorption occurs on the plasma surface which delimits the process zone and in particular in the area of the plasma surface which is oriented in the direction of the respective processing beam impinging on the plasma and on which the processing beam strikes. The plasma volume can thus continue to generate energy due to the increased absorption of the machining beam and the resulting energy input into the plasma volume on the plasma surface absorb, so that the volume of the plasma can increase further, this increase in the plasma volume being directed mainly along the processing beam and extending in the direction of the beam source. In other words, the plasma can propagate in an elongated shape along the machining beam. From this, an elongated bubble formed by the plasma can be formed.
Auf diese Weise kann sich ein Absorptionsvolumen ausbilden, welches das ursprüngliche Fokusvolumen um ein Vielfaches übersteigen kann.In this way, an absorption volume can be formed which can exceed the original focus volume many times over.
Die nichtlineare Absorption des Bearbeitungsstrahls an dem Plasma kann von der hohen Elektronentemperatur in dem Plasma herrühren. Die Elektronen können Energie an die Atomrümpfe abgeben, was zu Gitterschwingungen und einer zusätzlichen Erwärmung des Materials durch Wärmeakkumulation führen kann.The nonlinear absorption of the machining beam by the plasma can result from the high electron temperature in the plasma. The electrons can release energy to the atomic cores, which can lead to lattice oscillations and additional heating of the material through heat accumulation.
Bevorzugt kann der Bearbeitungsstrahl unterschiedliche räumliche Bereiche der Prozesszone beaufschlagen. Auf diese Weise kann eine möglichst breite Beaufschlagung der Prozesszone erreicht werden, so dass in den einzelnen Foki der Bearbeitungsstrahlen die in den Materialien auftretenden Temperaturen lokal reduziert sein können, aber in der Prozesszone dennoch die notwendige Temperatur zum Aufschmelzen des jeweiligen Materials erzeugt wird.The processing beam can preferably act on different spatial areas of the process zone. In this way, the greatest possible exposure to the process zone can be achieved, so that the temperatures occurring in the materials can be locally reduced in the individual foci of the processing beams, but the temperature required for melting the respective material is still generated in the process zone.
Bevorzugt kann der Bearbeitungsstrahl jeweils sequentiell und/oder zufällig und/oder chaotisch unterschiedliche räumliche Bereiche der Prozesszone beaufschlagen. Mit anderen Worten bewegen sich die Foki des Bearbeitungsstrahls jeweils derart durch die Prozesszone, dass unterschiedliche räumliche Bereiche der Prozesszone im Zeitablauf von einem oder auch mehreren Bearbeitungsstrahlen beaufschlagt werden. Damit kann auch das Eintragen von zu hohen Energien an einem einzigen Ort vermieden werden, so dass die Akkumulierung von Spannungen reduziert werden kann.The processing beam can preferably impact different spatial areas of the process zone sequentially and / or randomly and / or chaotically. In other words, the foci of the processing beam move through the process zone in such a way that different spatial areas of the process zone are acted upon by one or more processing beams over time. In this way, too high energies can be avoided in a single location, so that the accumulation of voltages can be reduced.
Bevorzugt kann ein von einer Strahlquelle ausgehender Bearbeitungsstrahl mittels eines akusto-optischen Deflektors bewegt und/oder in mindestens zwei separate Bearbeitungsteilstrahlen aufgeteilt werden. Durch die Verwendung eines akusto-optischen Deflektors kann die Aufteilung und Ablenkung des Bearbeitungsstrahls mit einer hohen Dynamik und einer beliebigen Sequenz vorgenommen werden, so dass der Eintrag von zu hohen Energien an einem einzigen Ort vermieden werden kann, so dass die Akkumulierung von Spannungen reduziert werden kann. Preferably, a processing beam emanating from a beam source can be moved by means of an acousto-optical deflector and / or divided into at least two separate processing partial beams. By using an acousto-optic deflector, the processing beam can be divided and deflected with high dynamics and any sequence, so that excessive energies can be avoided in a single location, so that the accumulation of voltages is reduced can.
Besonders bevorzugt kann der akusto-optische Deflektor mit einer sequentiell und/oder zufällig und/oder chaotisch variierenden Schallwelle beaufschlagt werden. Damit kann entsprechend eine Beaufschlagung der unterschiedlichen räumlichen Bereiche in der Prozesszone so erreicht werden, dass der Eintrag von zu hohen Energien an einem einzigen Ort vermieden werden kann, so dass die Akkumulierung von Spannungen reduziert werden kann.Particularly preferably, the acousto-optic deflector can be acted upon by a sequentially and / or randomly and / or chaotically varying sound wave. In this way, the different spatial areas in the process zone can be acted upon in such a way that excessive energies can be avoided at a single location, so that the accumulation of voltages can be reduced.
Besonders bevorzugt können zwei um 90° gegeneinander gedrehte akusto-optische Deflektoren vorgesehen sein, mittels welchen eine Ablenkung des Bearbeitungsstrahls in einer auf den Bearbeitungsstrahl senkrechten Ebene durchgeführt wird. Damit können die Bearbeitungsstrahlen räumlich sehr flexibel in die Prozesszone eingebracht werden.Particularly preferably, two acousto-optical deflectors rotated by 90 ° relative to one another can be provided, by means of which the processing beam is deflected in a plane perpendicular to the processing beam. This allows the processing beams to be introduced into the process zone in a spatially very flexible manner.
Bevorzugt kann der Bearbeitungsstrahl jeweils mittels eines Strahlformers geformt werden, bevor er die unterschiedlichen räumlichen Bereiche beaufschlagt. Damit lässt sich eine vorteilhafte Strahlform erreichen, mittels derer die Akkumulation von Spannungen im Material der Werkstücke reduziert werden kannThe processing beam can preferably be shaped by means of a beam shaper before it acts on the different spatial areas. This enables an advantageous beam shape to be achieved by means of which the accumulation of stresses in the material of the workpieces can be reduced
Unter einer hochdynamischen Bewegung des Bearbeitungsstrahls wird hierin unter anderem eine solche verstanden, bei welcher der Bearbeitungsstrahl zwischen den jeweiligen räumlichen Bereichen der Prozesszone mit einer Frequenz von mindestens 100 kHz bewegt wird. Mit anderen Worten beaufschlagt der Bearbeitungsstrahl die unterschiedlichen räumlichen Bereiche der Prozesszone in der genannten Frequenz. Bevorzugt findet die Bewegung des Bearbeitungsstrahls mit einer Frequenz von 100 kHz bis zu 10 MHz statt.A highly dynamic movement of the processing beam is understood here, inter alia, as one in which the processing beam is moved between the respective spatial areas of the process zone at a frequency of at least 100 kHz. In other words, the processing beam acts on the different spatial areas of the process zone at the stated frequency. The movement of the machining beam preferably takes place at a frequency of 100 kHz up to 10 MHz.
Unter einer hochdynamischen Bewegung des Bearbeitungsstrahls wird hierin in einer alternativen Betrachtung unter anderem entsprechend eine solche verstanden, bei welcher die Bewegung von einem mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagten räumlichen Bereich der Prozesszone zu einem anderen mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagten räumlichen Bereich der Prozesszone höchstens 10µs dauert. Bevorzugt dauert die Bewegung des Bearbeitungsstrahls zwischen 10µs und 0,1µs von einem räumlichen Bereich zu einem anderen räumlichen Bereich der Prozesszone.In an alternative view, a highly dynamic movement of the processing beam is understood to mean, among other things, one in which the movement from one spatial area of the process zone exposed to the processing beam to another spatial area of the process zone exposed to the processing beam takes a maximum of 10 μs. The movement of the processing beam preferably lasts between 10 μs and 0.1 μs from one spatial area to another spatial area of the process zone.
Besonders vorteilhaft wird unter einer hochdynamischen Bewegung des Bearbeitungsstrahls hierin in einer weiteren alternativen Betrachtung unter anderem eine solche verstanden, bei welcher es die Bewegung von ein einem mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagten räumlichen Bereich der Prozesszone zu einem anderen mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagten räumlichen Bereich der Prozesszone ermöglicht, dass zunächst mindestens ein Laserpuls, bevorzugt ein vorgegebener Pulszug und/oder alle Laserpulse eines Bursts, in einem Bereich der Prozesszone in das Material das Werkstücks eingebracht wird/werden, dann der Bearbeitungsstrahl hochdynamisch in den nächsten räumlichen Bereich der Prozesszone bewegt wird und dann in diesem räumlichen Bereich der Prozesszone ein weiterer Laserpuls, bevorzugt ein vorgegebener weiterer Pulszug und/oder alle Laserpulse eines weiteren Bursts in das Material des Werkstücks eingebracht wird.In a further alternative consideration, a highly dynamic movement of the processing beam is particularly advantageously understood here to mean, inter alia, one in which the movement from one spatial area of the process zone acted upon by the machining beam to another spatial area of the process zone acted upon by the machining beam is made possible, that initially at least one laser pulse, preferably a predetermined pulse train and / or all laser pulses of a burst, in one area the process zone is / are introduced into the material of the workpiece, then the processing beam is moved highly dynamically into the next spatial area of the process zone and then another laser pulse, preferably a predetermined further pulse train and / or all laser pulses of a further burst in this spatial area of the process zone is introduced into the material of the workpiece.
Mit anderen Worten können durch die hochdynamische Bewegung des Bearbeitungsstrahls jeweils Laserpulse, bevorzugt die Laserpulse eines vorgegebenen Pulszugs und/oder alle Laserpulse von Bursts, nacheinander in die unterschiedlichen räumlichen Bereiche der Prozesszone definiert eingebracht werden.In other words, through the highly dynamic movement of the processing beam, laser pulses, preferably the laser pulses of a predetermined pulse train and / or all laser pulses from bursts, can be introduced one after the other in a defined manner into the different spatial areas of the process zone.
Damit wird die Bewegung des Bearbeitungsstrahls bevorzugt entsprechend solange unterbrochen, bis der Laserpuls, bevorzugt der vorgegebene Pulszug und/oder die Laserpulse eines Bursts in den räumlichen Bereich der Prozesszone eingebracht wurden und wird erst dann zu dem nächsten räumlichen Bereich der Prozesszone bewegt.The movement of the processing beam is thus preferably interrupted until the laser pulse, preferably the predetermined pulse train and / or the laser pulses of a burst have been introduced into the spatial area of the process zone and is only then moved to the next spatial area of the process zone.
In dieser alternativen Betrachtung ist die hochdynamische Bewegung des Bearbeitungsstrahls bevorzugt synchronisiert mit der Bereitstellung der Laserpulse und/oder Pulszüge und/oder Bursts, so dass die hochdynamische Bewegung des Bearbeitungsstrahls nur in den Pausen zwischen den Laserpulsen und/oder Pulszügen und/oder Bursts stattfindet.In this alternative consideration, the highly dynamic movement of the processing beam is preferably synchronized with the provision of the laser pulses and / or pulse trains and / or bursts, so that the highly dynamic movement of the processing beam only takes place in the pauses between the laser pulses and / or pulse trains and / or bursts.
Damit können entsprechend die bereits oben beschriebenen vorteilhaften Effekte erreicht werden, die zu einer Verbesserung der Qualität des bearbeiteten Werkstücks und/oder des Fügeprozesses zweier oder mehrerer Werkstücke miteinander führen.In this way, the advantageous effects already described above can be achieved, which lead to an improvement in the quality of the machined workpiece and / or the joining process of two or more workpieces with one another.
Die Frequenz der Bewegung der hochdynamischen Bearbeitung kann auch höher liegen und beispielsweise über 10 MHz liegen.The frequency of the movement of the highly dynamic processing can also be higher and, for example, above 10 MHz.
Die hochdynamische Bewegung des Bearbeitungsstrahls zwischen den unterschiedlichen räumlichen Bereichen zur Bearbeitung kann beispielsweise mittels eines akusto-optischen Deflektors (AOD), bevorzugt mittels zwei unter einem Winkel, bevorzugt senkrecht zueinander, und senkrecht zu der Strahlrichtung angeordnete AODs erreicht werden, so dass eine schnelle Bewegung des Bearbeitungsstrahls erreicht werden kann. Durch die Verwendung zweier unter einem Winkel oder bevorzugt senkrecht zueinander angeordneter AODs kann eine Ablenkung in der senkrecht zu dem Bearbeitungsstrahl stehenden (zweidimensionalen) Ebene erreicht werden, so dass die hochdynamische Bewegung des Bearbeitungsstrahls über die Oberfläche oder durch das Volumen des Werkstücks beziehungsweise der Werkstücke stattfinden kann. Bei der Verwendung nur eines AOD kann eine Bewegung entlang einer (eindimensionalen) Linie erreicht werden.The highly dynamic movement of the processing beam between the different spatial areas for processing can be achieved, for example, by means of an acousto-optical deflector (AOD), preferably by means of two AODs arranged at an angle, preferably perpendicular to one another, and perpendicular to the beam direction, so that rapid movement of the machining beam can be achieved. By using two AODs arranged at an angle or preferably perpendicular to one another, a deflection can be achieved in the (two-dimensional) plane perpendicular to the processing beam, so that the highly dynamic movement of the processing beam takes place over the surface or through the volume of the workpiece or workpieces can. If only one AOD is used, movement along a (one-dimensional) line can be achieved.
In einer alternativen Ausgestaltung kann mittels eines AODs eine Bewegung des Laserstrahls in einer Raumrichtung und mittels eines zweiten AODs eine Strahlformung oder Strahlteilung erreicht werden.In an alternative embodiment, a movement of the laser beam in one spatial direction can be achieved by means of an AOD and beam shaping or beam splitting can be achieved by means of a second AOD.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann mittels eines ersten AODs und eines zweiten AODs eine Strahlablenkung in zwei Raumrichtungen und ein oder zwei weiterer AODs eine Strahlteilung in einer beziehungsweise zwei Richtungen erreicht werden.In a further alternative embodiment, a first AOD and a second AOD can be used to achieve a beam deflection in two spatial directions and one or two further AODs to achieve a beam splitting in one or two directions.
Die Bewegung des Bearbeitungsstrahls und/oder dessen Formung kann auch mittels eines SLM (spatial light modulator) oder einer diffraktiven Optik erreicht werden.The movement of the processing beam and / or its shaping can also be achieved by means of an SLM (spatial light modulator) or diffractive optics.
Mittels der hochdynamischen Bewegung des Bearbeitungsstrahls können die einzelnen räumlichen Bereiche in einer vorgegebenen Reihenfolge mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagt werden. Mit anderen Worten kann ein vorgegebenes Muster an räumlichen Bereichen hochdynamisch mit dem Bearbeitungsstrahl abgefahren werden. Die räumlichen Bereiche können auch mit einem chaotischen oder zufälligen Muster hochdynamisch abgefahren werden.By means of the highly dynamic movement of the processing beam, the individual spatial areas can be exposed to the processing beam in a predetermined sequence. In other words, a predetermined pattern of spatial areas can be traversed with the machining beam in a highly dynamic manner. The spatial areas can also be scanned in a highly dynamic manner with a chaotic or random pattern.
Die einzelnen räumlichen Bereiche der Prozesszone können beispielsweise um 1 - 10 µm zueinander versetzt angeordnet sein. Mit anderen Worten kann nach jedem Laserpuls oder jedem Laserpulszug oder jedem Burst der Bearbeitungsstrahl innerhalb der Prozesszone um 1 - 10 µm zueinander versetzt werden, um dann eine Beaufschlagung mit dem nächsten Laserpuls oder dem nächsten Laserpulszug oder dem nächsten Burst durchzuführen.The individual spatial areas of the process zone can be arranged offset from one another by 1–10 µm, for example. In other words, after each laser pulse or each laser pulse train or each burst, the processing beam can be offset from one another by 1 - 10 µm within the process zone, in order to then apply the next laser pulse or the next laser pulse train or the next burst.
Die Bearbeitung der Werkstücke kann beispielsweise in Form eines Fügens, insbesondere eines Verschweißens, der Werkstücke miteinander stattfinden. Dabei wird durch das Einbringen des Bearbeitungsstrahls in die Prozesszone ein Aufschmelzen des Materials des oder der Werkstücke erreicht und nach dem erneuten Erstarren des Materials entsprechend eine Schweißnaht ausgebildet.The workpieces can be processed, for example, in the form of joining, in particular welding, the workpieces to one another. By introducing the machining beam into the process zone, the material of the work piece (s) is / are melted and a weld seam is formed accordingly after the material has solidified again.
Mittels des vorgeschlagenen Verfahrens können auch weitere Modifikationen auf der Oberfläche der in das Material des Werkstücks oder der Werkstücke eingebracht werden.The proposed method can also be used to introduce further modifications to the surface of the material of the workpiece or of the workpieces.
Bevorzugt wird ein Verfahren zum Verschweißen mindestens zweier Werkstücke vorgeschlagen, wobei mindestens eines der Werkstücke transparent für einen Bearbeitungsstrahl, bevorzugt für einen gepulsten Laserstrahl, besonders bevorzugt für einen Ultrakurzpulslaserstrahl, ist, wobei in den Werkstücken in einer mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagten Prozesszone eine Schweißnaht ausgebildet wird.A method for welding at least two workpieces is preferably proposed, with at least one of the workpieces transparent for a machining beam, preferably for a pulsed laser beam, particularly preferably for an ultra-short pulse laser beam, a weld seam being formed in the workpieces in a process zone acted upon by the machining beam.
Dadurch, dass der Bearbeitungsstrahl jeweils unterschiedliche räumliche Bereiche der Prozesszone beaufschlagt ist es möglich, innerhalb der Prozesszone eine Verteilung der Intensität der eingebrachten Laserenergie so bereitzustellen, dass die durch den Bearbeitungsstrahl induzierten Spannungen im Material der Werkstücke reduziert oder zumindest soweit umverteilt werden können, dass eine Verbesserung der Qualität der gefügten Werkstücke erreicht werden kann und eine große Prozesszone sich bilden kann.Because the processing beam acts on different spatial areas of the process zone, it is possible to provide a distribution of the intensity of the introduced laser energy within the process zone in such a way that the stresses induced by the processing beam in the material of the workpieces can be reduced or at least redistributed to such an extent that a Improvement in the quality of the joined workpieces can be achieved and a large process zone can form.
In der Prozesszone können auf diese Weise entsprechend mehrere Absorptionsbereiche mittels des Bearbeitungsstrahls adressiert werden, so das eine gezieltere Initiierung beziehungsweise Führung der durch den Bearbeitungsstrahl induzierten Temperatur und damit der jeweils aufgeschmolzen Bereiche erreicht werden kann.In this way, several absorption areas can be addressed in the process zone by means of the processing beam, so that a more targeted initiation or guidance of the temperature induced by the processing beam and thus the respective melted areas can be achieved.
In den herkömmlichen Fügeverfahren wird eine Schweißnaht linear und durchgehend eingebracht, so dass sich entlang dieser durch laserinduzierte Schmelzbereiche eingebrachten Modifikation auch die temperaturinduzierten Spannungen in den Materialien der Fügepartner akkumulieren. Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren kann durch das Beaufschlagen unterschiedlicher räumlicher Bereiche der Prozesszone durch den in die unterschiedlichen räumlichen Bereiche bewegten Bearbeitungsstrahl das Akkumulieren der temperaturinduzierten Spannungen reduziert werden, da der Temperatureintrag nicht durchgehend stattfindet, sondern durch die Beaufschlagung der unterschiedlichen räumlichen Bereiche unterbrochen wird.In conventional joining methods, a weld seam is made linearly and continuously, so that along this modification introduced by laser-induced melting areas, the temperature-induced stresses also accumulate in the materials of the joint partners. According to the proposed method, the accumulation of the temperature-induced stresses can be reduced by the exposure of different spatial areas of the process zone by the machining beam moved into the different spatial areas, since the temperature input does not take place continuously, but is interrupted by the application of the different spatial areas.
Mit anderen Worten wird die für das Aufschmelzen des Materials in der Prozesszone notwendige Temperatur nicht ausgehend von einem einzigen Fokus aus in das Material eingebracht, sondern an räumlich voneinander getrennten beziehungsweise zueinander beabstandeten räumlichen Bereichen innerhalb der Prozesszone, welche dennoch soweit thermisch miteinander gekoppelt sind, dass eine Wärmeakkumulation in dem Material stattfinden kann.In other words, the temperature required for melting the material in the process zone is not introduced into the material starting from a single focus, but rather in spatial areas within the process zone which are spatially separated from one another and which are nevertheless thermally coupled to one another to the extent that heat can accumulate in the material.
Damit können durch die hochdynamische Ablenkung des Bearbeitungstrahls, welcher jeweils unterschiedliche räumliche Bereiche der Prozesszone beaufschlagt und entsprechend zu räumlich voneinander separierten Absorptionsgebieten innerhalb der Prozesszone führt, welche sich aber dennoch thermisch beeinflussen, die in dem Material der Werkstücke auftretenden akkumulierten Spannungen reduziert werden beziehungsweise diese räumlich so verteilt werden, dass ihr Einfluss auf die Stabilität der Fügung reduziert ist. Damit kann das Auftreten von durch den Bearbeitungsstrahl induzierten Spannungen in den Fügepartnern reduziert werden und damit eine erhöhte Festigkeit der Fügung erreicht werden.The highly dynamic deflection of the processing beam, which acts on different spatial areas of the process zone and accordingly leads to spatially separated absorption areas within the process zone, which nevertheless influence each other thermally, the accumulated stresses occurring in the material of the workpieces can be reduced or these spatially be distributed in such a way that their influence on the stability of the joint is reduced. In this way, the occurrence of stresses induced by the machining beam in the joining partners can be reduced and an increased strength of the joint can be achieved.
Weiterhin kann auch mit gegenüber den herkömmlichen Verfahren erhöhten Energien geschweißt werden, da sich die Spannungen im Material nicht so sehr akkumulieren. Auf diese Weise kann auch der Durchsatz erhöht werden.Furthermore, it is also possible to weld with higher energies compared to conventional methods, since the stresses in the material do not accumulate so much. In this way the throughput can also be increased.
Mittels der Beaufschlagung jeweils unterschiedlicher räumlicher Bereiche der Prozesszone mittels des hochdynamischen Bearbeitungsstrahls kann entsprechend die laserinduzierte Wärme, welche in das Material eingetragen wird, individuell und an die Materialien der Fügepartner sowie an die übrigen Prozessparameter wie beispielsweise die Geometrie der herzustellenden Schweißnaht angepasst werden.By applying the highly dynamic processing beam to different spatial areas of the process zone, the laser-induced heat that is introduced into the material can be individually adapted to the materials of the joining partners and to the other process parameters such as the geometry of the weld seam to be produced.
Bevorzugt kann die von dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagte Prozesszone und die Werkstücke zur Ausbildung der Schweißnaht relativ zueinander bewegt werden. Durch das Aufbringen einer relativen Bewegung der Prozesszone bezüglich des Werkstücks während des Schweißprozesses ergibt sich nach dem Erstarren des vorher aufgeschmolzenen Materials entsprechend eine sich in der Bewegungsrichtung erstreckende Schweißnaht.The process zone acted upon by the machining beam and the workpieces can preferably be moved relative to one another to form the weld seam. Applying a relative movement of the process zone with respect to the workpiece during the welding process results in a weld seam extending in the direction of movement after the previously melted material has solidified.
Bevorzugt wird der Bearbeitungsstrahl in mindestens zwei separate Bearbeitungsteilstrahlen aufgeteilt und mindestens zwei Bearbeitungsteilstrahlen beaufschlagen dann jeweils unterschiedliche räumliche Bereiche der Prozesszone.The processing beam is preferably divided into at least two separate processing partial beams and at least two processing partial beams then each act on different spatial areas of the process zone.
Die Bearbeitungsteilstrahlen können, wie oben zu dem (einzelnen) Bearbeitungsstrahl beschrieben, ebenfalls jeweils hochdynamisch in unterschiedliche räumliche Bereiche der Prozesszone bewegt werden.The processing partial beams can, as described above for the (individual) processing beam, also be moved highly dynamically into different spatial areas of the process zone.
Die Beaufschlagung der unterschiedlichen räumlichen Bereiche der Prozesszone kann dann entsprechend hochdynamisch stattfinden.The application of the different spatial areas of the process zone can then take place in a correspondingly highly dynamic manner.
Mit anderen Worten kann eine hochdynamische Bewegung der mindestens zwei Bearbeitungsteilstrahlen stattfinden, so dass jeweils mindestens zwei unterschiedliche räumliche Bereiche der Prozesszone gleichzeitig mit den Bearbeitungsteilstrahlen beaufschlagt werden und dann, beispielsweise nach dem Beaufschlagen der beiden räumlichen Bereiche mit einem Laserpuls oder einem Laserpulszug oder einem Burst, die Bearbeitungsteilstrahlen hochdynamisch bewegt werden und entsprechend mindestens zwei weitere räumliche Bereiche der Prozesszone mit den Bearbeitungsteilstrahlen beaufschlagt werden.In other words, a highly dynamic movement of the at least two processing partial beams can take place, so that in each case at least two different spatial areas of the process zone are exposed to the processing partial beams at the same time and then, for example after the two spatial areas have been subjected to a laser pulse or a laser pulse train or a burst, the machining partial beams are moved in a highly dynamic manner and correspondingly at least two further spatial areas of the process zone are exposed to the partial processing beams.
Die oben genannte Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den sich darauf beziehenden Unteransprüchen, der vorliegenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.The above-mentioned object is also achieved by a device with the features of the independent device claim. Advantageous further developments emerge from the related subclaims, the present description and the attached figures.
Entsprechend wird eine Vorrichtung zur Bearbeitung mindestens eines Werkstücks vorgeschlagen, wobei eine Strahlquelle zur Bereitstellung eines Bearbeitungsstrahls, bevorzugt eines gepulsten Laserstrahls, besonders bevorzugt eines Ultrakurzpulslaserstrahls, und ein optisches System zur Beaufschlagung mindestens eines Werkstücks mit dem Bearbeitungsstrahl vorgesehen sind, wobei das optische System dazu ausgebildet und eingerichtet ist, den Bearbeitungsstrahl zur Ausbildung einer Prozesszone hochdynamisch zwischen mindestens zwei unterschiedlichen räumlichen Bereichen des mindestens einen Werkstücks zu bewegen.Accordingly, a device for machining at least one workpiece is proposed, a beam source for providing a machining beam, preferably a pulsed laser beam, particularly preferably an ultrashort pulse laser beam, and an optical system for applying the machining beam to at least one workpiece, the optical system being designed for this purpose and is set up to move the machining beam in a highly dynamic manner between at least two different spatial areas of the at least one workpiece to form a process zone.
Mittels der vorgeschlagenen Vorrichtung können die oben zum Verfahren genannten vorteilhaften Wirkungen erreicht werden.The advantageous effects mentioned above for the method can be achieved by means of the proposed device.
Die oben bezüglich des Verfahrens beschriebenen Ausgestaltungen können auch in der Vorrichtung in ihrer jeweiligen vorrichtungsmäßigen Ausprägung mit aufgenommen werden, um die zum Verfahren beschriebenen Vorteile zu erreiche und um die Vorrichtung weiterzubilden.The configurations described above with regard to the method can also be included in the device in their respective device-like form in order to achieve the advantages described for the method and to further develop the device.
FigurenlisteFigure list
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks in einem ersten Ausführungsbeispiel; -
2 eine schematische Darstellung der Beaufschlagung unterschiedlicher räumlicher Bereiche einer Prozesszone mittels Laserpulsen; -
3 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Verschweißen von zwei Werkstücken in einem weiteren Ausführungsbeispiel; und -
4 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Verschweißen von zwei Werkstücken in einem weiteren Ausführungsbeispiel.
-
1 a schematic representation of a section of a device for machining a workpiece in a first embodiment; -
2 a schematic representation of the application of different spatial areas of a process zone by means of laser pulses; -
3 a schematic representation of a section of a device for performing a method for welding two workpieces in a further embodiment; and -
4th a schematic representation of a section of a device for performing a method for welding two workpieces in a further embodiment.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter AusführungsbeispieleDetailed description of preferred exemplary embodiments
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.Preferred exemplary embodiments are described below with reference to the figures. Identical, similar or identically acting elements are provided with identical reference numerals in the different figures, and a repeated description of these elements is partially dispensed with in order to avoid redundancies.
In
Bevorzugt ist die Bearbeitung zum Verschweißen mindestens zweier Werkstücke
Ein Bearbeitungsstrahl
Die Parameter der Strahlquelle und der nachgelagerten Optik können dabei beispielsweise wie folgt gewählt sein:
- - Wellenlänge zwischen 200 nm und 5000 nm
- - Repetitionsrate zwischen 100 Hz und 50 MHz (optional Bursts wobei die Repetitionsrate der Pulse im Burst zwischen 1 MHz und 50GHz liegen kann)
- - Laserpulsdauer zwischen 10 fs und 50 ps
- - Fokussierung so, dass Fluenz in den jeweiligen räumlichen Bereichen >0.01 J/cm2 (Modifikationsschwelle im Volumen typischerweise zwischen 1-5 J/cmz)
- - Relativer Vorschub des/der Werkstücke zum Bearbeitungsstrahl zwischen 0.01 und 1000 mm/s
- - Wavelength between 200 nm and 5000 nm
- - Repetition rate between 100 Hz and 50 MHz (optional bursts where the repetition rate of the pulses in the burst can be between 1 MHz and 50 GHz)
- - Laser pulse duration between 10 fs and 50 ps
- - Focusing so that fluence in the respective spatial areas> 0.01 J / cm2 (modification threshold in the volume typically between 1-5 J / cm2)
- - Relative advance of the work piece (s) to the machining beam between 0.01 and 1000 mm / s
Der von der entsprechend nicht gezeigten Strahlquelle beispielsweise in Form des genannten gepulsten Lasers ausgehende Bearbeitungsstrahl
Das erste optische Element
Unter einem akusto-optischen Deflektor, welcher in dem in
Ein akusto-optischer Deflektor kann beispielsweise in Form eines transparenten Kristallquaders vorgesehen sein, beispielsweise in Form eines Quarzglases oder eines anderen Kristalls, in welchen mittels eines Akustokopplers, beispielsweise mittels eines Piezokristalls, Körperschall eingetragen wird. Durch die in dem durchsichtigen Quader durch den Körperschall ausgebildeten Dichteschwankungen wird entsprechend ein optisches Gitter ausgebildet, an welchem eine Beugung des einfallenden Lichtes stattfindet.An acousto-optic deflector can be provided, for example, in the form of a transparent crystal cuboid, for example in the form of quartz glass or another crystal, into which structure-borne sound is entered by means of an acoustic coupler, for example by means of a piezo crystal. Due to the density fluctuations formed in the transparent cuboid by the structure-borne sound, an optical grating is formed correspondingly, on which diffraction of the incident light takes place.
Mit anderen Worten kann in dem akusto-optischen Deflektor
Damit ist die tatsächliche Ablenkung des einfallenden Lichts beziehungsweise die Beugung des einfallenden Lichtes des von der Strahlquelle ausgehenden Bearbeitungsstrahls abhängig von der Frequenz der in den akusto-optischen Deflektor
Über die Amplitude der in den akusto-optischen Deflektor
Mit anderen Worten kann in dem akusto-optischen Deflektor
Gemäß dem Ausführungsbeispiel in
Ein durch eine erste Einstellung des akusto-optischen Deflektors
Die beiden abgelenkten Bearbeitungsstrahlen
Die Bewegung der abgelenkten Bearbeitungsstrahlen
Unter einer hochdynamischen Bewegung des Bearbeitungsstrahls, beispielsweise mittels eines oder mehrerer AODs
Die Bewegung von einem mit dem abgelenkten Bearbeitungsstrahl
Der in der
Die mittels des aus den einzelnen AODs 320, 3220 zusammengesetzten akusto-optischen Deflektors
Das zweite optische Element
Bevorzugt ist in einer solchen Anordnung zweier akusto-optischer Delektoren eine Halbwellenplatte zwischen den beiden akusto-optischen Deflektoren vorgesehen.In such an arrangement of two acousto-optic detectors, a half-wave plate is preferably provided between the two acousto-optic deflectors.
Da in dem akusto-optischen Deflektor
Mit anderen Worten ist durch die Blende
Mittels eines im Strahlengang nach dem zweiten optischen Element
Durch die Anwendung des akusto-optischen Deflektors
In
In der
In den Pausen
Bevorzugt sind die Bursts
Mit anderen Worten können durch die hochdynamische Bewegung des Bearbeitungsstrahls jeweils Laserpulse, bevorzugt die Laserpulse eines vorgegebenen Pulszugs und/oder alle Laserpulse von Bursts, nacheinander in die unterschiedlichen räumlichen Bereiche
Damit wird die Bewegung des Bearbeitungsstrahls bevorzugt entsprechend solange unterbrochen, bis der Laserpuls, bevorzugt der vorgegebene Pulszug und/oder die Laserpulse eines Bursts in den räumlichen Bereich
In
Bei den Werkstücken
Die eigentliche Verschweißung ist hier schematisch in Form einer Schweißnaht
Hierin wird unter einem transparenten Werkstück ein solches verstanden, welches für den Bearbeitungsstrahl
Die Lage einer zwischen den Werkstücken
In
Beispielsweise kann hierfür ein gepulster Laserstrahl mit Wellenlängen von 1030nm oder 1064nm oder 515nm oder 532nm mit Pulsen im Femtosekundenbereich oder Pikosekundenbereich und mit Frequenzen der Repetitionsrate von 100kHz bis zu mehreren MHz verwendet werden. Der Laser zur Erzeugung des gepulsten Laserstrahls kann auch im Burstmodus betrieben werden.For example, a pulsed laser beam with wavelengths of 1030 nm or 1064 nm or 515 nm or 532 nm with pulses in the femtosecond range or picosecond range and with frequencies of the repetition rate of 100 kHz up to several MHz can be used. The laser for generating the pulsed laser beam can also be operated in burst mode.
Der von der hier nicht gezeigten Strahlquelle beispielsweise in Form des genannten Lasers ausgehende Bearbeitungsstrahl
Unter einem akusto-optischen Deflektor, welcher in dem Ausführungsbeispiel beim Bezugszeichen
Ein akusto-optischer Deflektor kann beispielsweise in Form eines transparenten Kristallquaders vorgesehen sein, beispielsweise in Form eines Quarzglases oder eines anderen Kristalls, in welchen mittels eines Akustokopplers, beispielsweise mittels eines Piezokristalls, Körperschall eingetragen wird. Durch die in dem durchsichtigen Quader durch den Körperschall ausgebildeten Dichteschwankungen wird entsprechend ein optisches Gitter ausgebildet, an welchem eine Beugung des einfallenden Lichtes stattfindet.An acousto-optic deflector can be provided, for example, in the form of a transparent crystal cuboid, for example in the form of quartz glass or another crystal, into which structure-borne sound is entered by means of an acoustic coupler, for example by means of a piezo crystal. Due to the density fluctuations formed in the transparent cuboid by the structure-borne sound, an optical grating is formed correspondingly, on which diffraction of the incident light takes place.
Mit anderen Worten kann in dem akusto-optischen Deflektor
Damit ist die tatsächliche Ablenkung des einfallenden Lichts beziehungsweise die Beugung des einfallenden Lichtes des von der Strahlquelle ausgehenden Bearbeitungsstrahls abhängig von der Frequenz der in den akusto-optischen Deflektor
Über die Amplitude der in den akusto-optischen Deflektor
Mit anderen Worten kann in dem akusto-optischen Deflektor
Gemäß dem Ausführungsbeispiel in
Die mittels des akusto-optischen Deflektors
Das zweite optische Element
Anstelle des in der
Bevorzugt ist in einer solchen Anordnung zweier akusto-optischer Delektoren eine Halbwellenplatte zwischen den beiden akusto-optischen Deflektoren vorgesehen.In such an arrangement of two acousto-optic detectors, a half-wave plate is preferably provided between the two acousto-optic deflectors.
Da in dem akusto-optischen Deflektor
Mittels eines im Strahlengang nach dem zweiten optischen Element
Die Bearbeitungsteilstrahlen
Der Strahlformer
Mittels des Strahlformers
Mittels des Strahlformers
Nach dem Strahlformer
Die einzelnen optischen Elemente
Die sich bildende Prozesszone
Der von dem ersten Bearbeitungsteilstrahl
Die Vorrichtung 3 umfasst entsprechend das optische System
Bei der Verwendung eines gepulsten Bearbeitungsstrahls
Dabei liegt dem Verfahren die Erkenntnis zu Grunde, dass beim Verschweißen von Werkstücken
Um ein Verbinden der Werkstücke
In der Prozesszone
Die Positionierung der einzelnen räumlichen Bereiche
Durch eine entsprechende Abfolge von in den akusto-optischen Deflektor
Damit kann über die Steuerung der in den akusto-optischen Deflektor
Mit anderen Worten kann das Volumen der Prozesszone
Die Abfolge der in den akusto-optischen Deflektor
Mit anderen Worten fungiert der akusto-optische Deflektor
Durch eine entsprechende Ausbildung des akusto-optischen Deflektors
Die hohe Dynamik des akusto-optischen Deflektors
Dabei kann eine sequentiell oder chaotisch oder zufällig oder in anderer Art und Weise gestaltete Steuerung des akusto-optischen Deflektors
Die auf die Werkstücke
Da die mit dem akusto-optischen Deflektor
Dadurch, dass der ursprünglich von der Strahlquelle stammende Bearbeitungsstrahl
Mit anderen Worten wird die Prozesszone
Der Abstand der unterschiedlichen räumlichen Bereiche
In
In der gezeigten Ausführungsform sind die Werkstücke
Die beiden Werkstücke
Aufgrund der Beschaffenheit ihres Werkstoffs, nämlich Glas, sind die beiden Werkstücke
Eine solche Verschweißung innerhalb eines durch mindestens zwei Werkstücke ausgebildeten Werkstückvolumens ist bei für einen Bearbeitungsstrahl opaken Werkstoffen nicht möglich.Such a welding within a workpiece volume formed by at least two workpieces is not possible in the case of materials that are opaque to a machining beam.
Das untere Werkstück
Der Aufbau des optischen Systems
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.As far as applicable, all the individual features that are shown in the exemplary embodiments can be combined with one another and / or exchanged without departing from the scope of the invention.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Vorrichtung zum Durchführen einer Verschweißung von WerkstückenDevice for welding workpieces
- 100100
- GrenzflächeInterface
- 110110
- (oberes) Werkstück(upper) workpiece
- 112112
- obere Oberfläche des oberen Werkstücksupper surface of the upper workpiece
- 114114
- untere Oberfläche des oberen Werkstückslower surface of the upper workpiece
- 120120
- (unteres) Werkstück(lower) workpiece
- 122122
- obere Oberfläche des unteren Werkstücksupper surface of the lower workpiece
- 124124
- untere Oberfläche des unteren Werkstückslower surface of the lower workpiece
- 22
- BearbeitungsstrahlMachining beam
- 2'2 '
- abgelenkter Bearbeitungsstrahldeflected machining beam
- 2"2 "
- abgelenkter Bearbeitungsstrahldeflected machining beam
- 2020th
- BearbeitungsteilstrahlMachining partial beam
- 2222nd
- BearbeitungsteilstrahlMachining partial beam
- 200200
- ProzesszoneProcess zone
- 210210
- SchweißnahtWeld
- 220220
- räumlicher Bereich der Prozesszonespatial area of the process zone
- 230230
- räumlicher Bereich der Prozesszonespatial area of the process zone
- 240240
- räumlicher Bereich der Prozesszonespatial area of the process zone
- 250250
- LaserpulseLaser pulses
- 252252
- BurstBurst
- 3030th
- erstes optisches Element (Linse)first optical element (lens)
- 3232
- akusto-optischer Deflektoracousto-optic deflector
- 3434
- zweites optisches Element (Linse)second optical element (lens)
- 3636
- Blendecover
- 3838
- drittes optisches Element (Linse)third optical element (lens)
- 4040
- StrahlformerBeam shaper
- 4242
- weiteres optisches Element (Linse)further optical element (lens)
- 400400
- optisches Systemoptical system
- XX
- VerschiebungsrichtungDirection of movement
- TPTP
- PauseBreak
- TBTB
- BurstBurst
Claims (15)
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- 2020-06-19 WO PCT/EP2020/067163 patent/WO2020254615A1/en active Application Filing
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