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Die Erfindung betrifft eine optische Apparatur zum Laserschweißen eines Werkstücks, umfassend
- - eine Laserstrahlquelle zum Bereitstellen eines Laserstrahls,
- - eine Kollimationsoptik zum Kollimieren des bereitgestellten Laserstrahls der Laserstrahlquelle,
- - eine Strahlteiler-Einrichtung zum Aufteilen des kollimierten Laserstrahls auf mehrere Teilstrahlen, wobei die Strahlteiler-Einrichtung eine erste Einstellvorrichtung aufweist, mit der die Aufteilung des kollimierten Laserstrahls auf die mehreren Teilstrahlen variabel einstellbar ist, und
- - eine Fokussierungsoptik zum Fokussieren der Teilstrahlen auf das zu schweißende Werkstück.
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Mittels Laserschweißen (auch genannt Laserstrahlschweißen) können Werkstücke mit vergleichsweise hoher Schweißgeschwindigkeit (Vorschubgeschwindigkeit) und geringem thermischen Verzug gefertigt werden.
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Beim Laserschweißen sollte auch eine gute Qualität der Schweißnaht sichergestellt werden. Während des Schweißprozesses kann es zu einer unerwünschten Spritzerbildung an der Schweißnaht kommen; ebenso kann die erzeugte Schweißnaht eine unerwünschte Welligkeit („Humping“) oder unerwünschte Randkerben aufweisen, und insgesamt nicht die gewünschte mechanische Festigkeit erreichen. Dadurch wird in der Regel die Produktivität (Schweißgeschwindigkeit) beim Laserschweißen begrenzt.
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Aus der
DE 102 61 422 A1 ist es bekannt geworden, einen Laserstrahl für das Laserschweißen auf zwei Teilstrahlen aufzuteilen, wobei einer der Teilstrahlen dem anderen Teilstrahl bezüglich der Schweißrichtung vorauseilt. Dabei wird ein Laserstrahl kollimiert und mittels eines quer zur Strahlrichtung verschiebbaren Prismas aufgeteilt. Einer der Teilstrahlen passiert eine Spotvariationslinse, und beide Teilstrahlen passieren eine Fokussierlinse. Dadurch sollen Schweißungen mit verbesserter Qualität erreicht werden.
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Aus der
DE 10 2010 003 750 A1 ist es bekannt geworden, die Strahlprofilcharakteristik eines Laserstrahls mit einer Multiclad-Faser einzustellen. Dabei kann insbesondere ein ursprünglicher Laserstrahl mit einem ersten Anteil in eine Kernfaser und mit einem zweiten Anteil in eine die Kernfaser umgebende Ringfaser eingekoppelt werden.
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Multiclad-Fasern sind beispielsweise auch aus der
US 2002/0172485 A1 oder der
US 2006/0263024 A1 bekannt geworden.
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Die
WO 2016/205805 A1 beschreibt Systeme zum Laserschweißen, bei denen mehrere Laserfasern für mehrere Laserstrahlen eingesetzt werden können, und wobei diffraktive optische Elemente zur Strahlformung vorgeschlagen werden.
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Wird das Laserschweißen als Durchschweißung betrieben, so dass das Material des zu schweißenden Werkstücks bis zur Unterseite des Werkstücks, die der Einstrahlseite des Laserstrahls gegenüber liegt, aufschmilzt, so muss eine gute Qualität der Schweißnaht sowohl bezüglich der Oberseite als auch der Unterseite des Werkstücks erreicht werden, etwa bezüglich Spritzerbildung oder Welligkeit.
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Die nachveröffentlichte
DE 10 2018 219 280 A1 beschreibt ein Verfahren zum spritzerfreien Gießen, insbesondere mit einem Festkörperlaser, wobei insbesondere eine erste Strahlfläche einer zweiten Strahlfläche vorausläuft, die erste Strahlfläche bezüglich des Flächeninhalts größer und quer zur Vorschubrichtung länger ist als die zweite Strahlfläche, und eine zur ersten Strahlfläche gehörende Laserleistung größer ist als eine zur zweiten Strahlfläche gehörende Laserleistung. Die erste Strahlfläche kann auf zwei Teilstrahlflächen aufgeteilt sein.
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Aus der WO 2019 / 130 043 A1 beschreibt ein Verfahren zum stumpfen Verschweißen von zwei Metallblechen, wobei zwei kleinere Laserspots jeweils in einem der Metallbleche einem größeren Laserspot vorauslaufen, wobei stets festes oder flüssiges Material zwischen den zugehörigen Dampfkapillaren verbleibt.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gute Qualität von Schweißnähten bei höherer Vorschubgeschwindigkeit zu ermöglichen, insbesondere für ein Laserschweißen in Durchschweißung.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine optische Apparatur der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist,
dass die Laserstrahlquelle eine Multiclad-Faser mit einer Kernfaser und zumindest einer Ringfaser und eine zweite Einstellvorrichtung umfasst, wobei mit der zweiten Einstellvorrichtung ein Eingangslaserstrahl an einem ersten Faserende der Multiclad-Faser auf die Kernfaser und die zumindest eine Ringfaser variabel aufteilbar ist, und wobei ein zweites Faserende der Multiclad-Faser den Laserstrahl für die Kollimationsoptik bereitstellt,
und dass die Strahlteiler-Einrichtung dazu ausgebildet ist, den kollimierten Laserstrahl auf wenigstens zwei bezüglich einer vorgesehenen Schweißrichtung vorauslaufende Teilstrahlen und einen nachlaufenden Teilstrahl aufzuteilen, wobei die vorauslaufenden Teilstrahlen quer zur vorgesehenen Schweißrichtung aufgereiht sind,
und wobei mit der ersten Einstellvorrichtung eine Einstellung der Energieverteilung zwischen den wenigstens zwei vorauslaufenden Teilstrahlen einerseits und dem nachlaufenden Teilstrahl andererseits erfolgen kann.
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Gemäß der Erfindung kann das Laserschweißen mit (wenigstens) zwei vorauslaufenden (vorderen) Teilstrahlen und einem nachlaufenden (hinteren) Teilstrahl betrieben werden. Dabei kann die Energieverteilung zwischen den vorauslaufenden Teilstrahlen und dem nachlaufenden Teilstrahl mit der ersten Einstellvorrichtung gezielt eingestellt werden. Durch den Einsatz der Multiclad-Faser kann ein Strahlprofil am zu schweißenden Werkstück mit einer Kernzone (aus der Kernfaser) und wenigstens einer Ringzone (aus der wenigstens einen Ringfaser) für die jeweiligen Teilstrahlen erhalten werden. Mittels der zweiten Einstellvorrichtung kann die Energieverteilung zwischen der Kernzone und der Ringzone gezielt eingestellt werden. Durch diese Freiheitsgrade ist es möglich, den Laserschweißprozess zu optimieren, insbesondere für ein Laserschweißen in Durchschweißung des Werkstücks bzw. der zu verbindenden Werkstückteile.
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Im Rahmen der Erfindung wird lediglich ein Laser benötigt, der den Eingangslaserstrahl erzeugt, was baulich besonders einfach ist. Mit der optischen Apparatur können mittels der Strahlteiler-Einrichtung (wenigstens) drei Kopien des durch die Multiclad-Faser profilierten Laserstrahls erhalten werden.
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Im Rahmen der Erfindung kann mit den vorauslaufenden Teilstrahlen eine Einschweißung an der Oberseite des Werkstücks betrieben werden. Durch das an den vorderen Teilstrahlen mittels der Multiclad-Faser jeweils eingerichtete Strahlprofil kann dabei eine besonders gute Qualität an der Nahtoberseite erreicht werden. Insbesondere kann die Laserleistung der vorauslaufenden Teilstrahlen durch deren Aufreihung quer zur Vorschubrichtung (Schweißrichtung) und das Strahlprofil über eine vergleichsweise große Fläche bzw. Breite verteilt werden. Mit dem nachlaufenden Teilstrahl kann die Durchschweißung betrieben werden. Durch die Vorbereitung des Werkstücks mittels der vorauslaufenden Teilstrahlen kann dabei eine gute Nahtqualität auch an der Unterseite des Werkstücks erhalten werden.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann, verglichen mit einem Laserschweißen mit einem einfachen vorauslaufenden Teilstrahl und ohne Einrichtung des erfindungsgemäßen Strahlprofils, eine höhere Vorschubgeschwindigkeit erreicht werden, ohne dass ein relevantes Humping oder eine relevante Kerbenbildung (insbesondere an der Nahtoberseite, aber auch an der Unterseite) und ohne dass eine relevante Spritzerbildung (insbesondere an der Nahtunterseite, aber auch an der Oberseite) auftritt.
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Typischerweise ist die Multiclad-Faser als 2in1-Faser ausgebildet, also mit Kernfaser und genau einer Ringfaser. Weiterhin erfolgt die Aufteilung des kollimierten Laserstrahls typischerweise auf genau zwei vorauslaufende Teilstrahlen und einen nachlaufenden Teilstrahl.
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Die zweite Einstellvorrichtung kann beispielsweise den Eingangslaserstrahl relativ zum ersten Faserende quer zur Strahlausbreitungsrichtung verschieben, oder auch eine Fokussierung des Eingangsstrahls so verändern, dass sich die Weite des Eingangsstrahls am ersten Faserende verändert, vgl. hierzu die
DE 10 2010 003 750 A1 .
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Der Eingangslaserstrahl wird bevorzugt durch einen Festkörperlaser erzeugt.
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Bevorzugte Ausführungsformen
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Bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen optische Apparatur, die vorsieht, dass die Strahlteiler-Einrichtung für jeden Teilstrahl eine Ablenkungszone ausbildet, und dass mit der ersten Einstellvorrichtung die Strahlteiler-Einrichtung in wenigstens einer Einstellrichtung quer zu einer Strahlausbreitungsrichtung des kollimierten Laserstrahls verfahrbar ist, wobei die Energieverteilung zwischen den Teilstrahlen über den Überlapp des kollimierten Laserstrahls mit den jeweiligen Ablenkungszonen eingestellt werden kann. Solche Strahlteiler-Einrichtungen sind baulich einfach und auch einfach in der Handhabung. Die Ablenkungszonen lenken jeweils eine Teilfläche des Querschnitts des kollimierten Laserstrahls in eine andere Richtung ab als die übrigen Ablenkungszonen (entsprechend kann eine Ablenkungszone den kollimierten Laserstrahl unabgelenkt passieren lassen).
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Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass die Ablenkungszonen für die Teilstrahlen um ein gemeinsames Zentrum angeordnet sind,
insbesondere wobei eine Ablenkungszone für den nachlaufenden Teilstrahl ein Winkelintervall von 180° um das gemeinsame Zentrum einnimmt,
und zwei Ablenkungszonen für genau zwei vorauslaufende Teilstrahlen jeweils 90° um das gemeinsame Zentrum einnehmen, und die Einstellrichtung entlang einer Grenze der zwei Ablenkungszonen für die zwei vorauslaufenden Teilstrahlen verläuft. Mit dieser Bauform kann auf einfache Weise bezüglich der vorauslaufenden Teilstrahlen eine gleichmäßige Aufteilung auf zwei Teilstrahlen erfolgen, und gleichzeitig zwischen der Gesamtheit der vorauslaufenden Teilstrahlen einerseits und dem nachlaufenden Teilstrahl andererseits eine variable Energieaufteilung erfolgen. Der auf das gemeinsame Zentrum ausgerichtete kollimierte Laserstrahl erreicht eine Gleichverteilung der Energie auf die Gesamtheit der vorauslaufenden Teilstrahlen einerseits und den nachlaufenden Teilstrahl andererseits. Die Strahlteiler-Einrichtung kann relativ zum kollimierten Laserstrahl entlang der Einstrahlrichtung auf die Ablenkungszonen für die vorauslaufenden Teilstrahlen zu verfahren werden, um einen Energieanteil größer 50% für die vorauslaufenden Teilstrahlen zu erhalten, oder auf die Ablenkungszone für den nachlaufenden Teilstrahl zu verfahren werden, um einen Energieanteil größer 50% für den nachlaufenden Teilstrahl zu erhalten.
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Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Strahlteiler-Einrichtung mit einem refraktiven optischen Element ausgebildet ist, insbesondere wobei die Strahlteiler-Einrichtung eine Keilplatte ausbildet, die mehrere Ablenkungszonen aufweist, die gegenüber einer Strahlausbreitungsrichtung des kollimierten Laserstrahls eine Neigung ausbilden und die bezüglich der Strahlausbreitungsrichtung eine unterschiedliche Orientierung aufweisen. Eine solche Strahlteiler-Einrichtung ist einfach im Aufbau und intuitiv in der Handhabung. Man beachte, dass eine Ablenkungszone einer Keilplatte auch ohne Neigung zur Strahlausbreitungsrichtung ausgebildet sein kann, oder die Keilplatte einen Teil des Querschnitts des kollimierten Röntgenstrahls nicht abdeckt, um einen unabgelenkten Teilstrahl zu erzeugen.
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Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Strahlteiler-Einrichtung mit einem diffraktiven optischen Element ausgebildet,
insbesondere wobei die Strahlteiler-Einrichtung mehrere Beugungszonen aufweist, die Sägezahngitter ausbilden, wobei die Sägezahngitter eine unterschiedliche Orientierung bezüglich einer Strahlausbreitungsrichtung des kollimierten Laserstrahls aufweisen und/oder einen unterschiedlichen Aufbau aufweisen. Das diffraktive optische Element ist einfach herzustellen, und kann vergleichsweise kompakt ausgebildet werden. Das Sägezahngitter wird durch eine Oberfläche der Strahlteiler-Einrichtung als Höhenprofil (Dickenprofil) ausgebildet. Man beachte, dass eine Beugungszone auch ohne Sägezahngitter ausgebildet sein kann, oder die Strahlteiler-Einrichtung einen Teil des Querschnitts des kollimierten Röntgenstrahls nicht abdeckt, um einen unabgelenkten Teilstrahl zu erzeugen. Die Beugungszonen (Ablenkungszonen) lenken jeweils eine Teilfläche des Querschnitts des kollimierten Laserstrahls in eine andere Richtung ab als die übrigen Beugungszonen.
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Erfindungsgemäßes Verfahren zum Laserschweißen
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In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstücks,
wobei ein Werkstück mittels mehrerer Teilstrahlen entlang einer Schweißrichtung geschweißt wird,
das dadurch gekennzeichnet ist,
dass das Werkstück mit wenigstens zwei bezüglich der Schweißrichtung vorauslaufenden Teilstrahlen und einem nachlaufenden Teilstrahl geschweißt wird, wobei die vorauslaufenden Teilstrahlen jeweils ein Strahlprofil mit einer Kernzone und wenigstens einer Ringzone aufweisen, die um die Kernzone liegt, wobei die vorauslaufenden Teilstrahlen quer zur Schweißrichtung aufgereiht sind,
und wobei bei den vorauslaufenden Teilstrahlen eine integrierte Laserleistung in der jeweiligen Kernzone größer ist als eine integrierte Laserleistung in der jeweiligen wenigstens einen Ringzone,
und dass die vorauslaufenden Teilstrahlen am Werkstück eine Einschweißung erzeugen, und der nachlaufende Teilstrahl eine Durchschweißung.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, ein Werkstück bzw. dessen Werkstückteile mit einer hohen Nahtqualität sowohl an der Oberseite des Werkstücks als auch an der Unterseite des Werkstücks mit einer hohen Vorschubgeschwindigkeit (Schweißgeschwindigkeit) in Durchschweißung zu schweißen. Insbesondere kann die Welligkeit („Humping“) und die Kerbenbildung an der Schweißnaht niedrig gehalten werden (insbesondere an der Oberseite, aber auch an der Unterseite) und die Spritzerbildung gering gehalten werden (insbesondere an der Unterseite, aber auch an der Oberseite).
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Im Rahmen der Erfindung entfällt bei einem jeweiligen (vorauslaufenden) Teilstrahl auf die Kernzone eine größere integrierte Laserleistung als auf die wenigstens eine Ringzone. Der begrenzte Leistungseintrag in der Ringzone ist vorteilhaft für die Qualität der Schweißnaht an der Oberseite, insbesondere kann dadurch die Schweißbaddynamik gering werden. Mittels der Kernzone kann eine ausreichende Schweißtiefe, auch im Rahmen der Einschweißung am vorauslaufenden Teilstrahl, gewährleistet werden.
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Die Leistungsverteilung zwischen der Kernzone und der wenigstens einen (typischerweise genau einen) Ringzone kann spezifisch für eine gewünschte Anwendung gewählt werden. Beispielsweise liegt bei einem Teilstrahl die integrierte Laserleistung in einer jeweiligen Kernzone bei wenigstens 60%, bevorzugt wenigstens 65%, besonders bevorzugt wenigstens 70%, und in der jeweiligen wenigstens einen Ringzone bei maximal 40%, bevorzugt maximal 35%, besonders bevorzugt maximal 30%, jeweils bezogen auf die gesamte eingestrahlte Laserleistung des Teilstrahls.
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Typischerweise liegt zudem die Energieverteilung zwischen den vorauslaufenden Teilstrahlen (VT) und dem nachlaufenden Teilstrahl (NT) zwischen 40%VT/60%NT und 60%VT/40%NT.
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Ein zu schweißendes Werkstück (bzw. zwei zu verschweißende Teilwerkstücke des Werkstücks) haben typischerweise am Ort der Verschweißung eine Blechdicke von 1 mm bis 4 mm.
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Die Teilstrahlen mit Kernzone und die Ringzone weisen im Allgemeinen ein zweistufiges TopHat Strahlungsprofil auf. Dabei ist die Laserintensität innerhalb einer jeweiligen Ringzone im Wesentlichen homogen, beispielsweise in einem Bereich von +/- 20 %, bevorzugt +/- 10% um einen Mittelwert der Laserintensität in der Ringzone; ebenso ist die Laserintensität innerhalb einer jeweiligen Kernzone im Wesentlichen homogen, beispielsweise in einem Bereich von +/-40%, bevorzugt +/- 20% um einem Mittelwert der Laserintensität innerhalb der Kernzone (hierbei können die Übergänge zwischen Kernzone und Ringzone und zwischen Ringzone und Umgebung/ggf. weitere Ringzone außer Betracht bleiben, in denen die Laserintensität sich „sprunghaft“ verändert, die aber nur einen geringen Teil der bestrahlten Fläche, typischerweise jeweils weniger als 15%, bevorzugt weniger als 10%, im Vergleich zur benachbarten Kernzone oder Ringzone ausmachen).
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Typischerweise ist vorgesehen, dass mit einer ersten Einstellvorrichtung eine Einstellung einer Energieverteilung zwischen den vorauslaufenden Teilstrahlen einerseits und dem nachlaufenden Teilstrahl andererseits erfolgen kann, und dass mit einer zweiten Einstellvorrichtung eine Einstellung einer Energieverteilung zwischen den jeweiligen Ringzonen und den jeweiligen Kernzonen erfolgen kann.
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Dies kann dazu genutzt werden, während des Schweißfortschritts an einem jeweiligen Werkstück die Energieverteilungen zu verändern, um das Schweißen während verschiedener Stadien des Schweißprozesses zu optimieren, beispielsweise um das Schweißen während des Einstechens des Laserstrahls in das Werkstück unterschiedlich zum Schweißen während des Abfahrens der Schweißnaht zu betreiben. Ebenso kann der Schweißprozess während des Schweißens eines jeweiligen Werkstücks mit einem Regelkreis mit den Einstellvorrichtungen optimiert werden, wobei das Schweißen mit einem Sensor überwacht wird; beispielsweise kann auf eine bestimmte (mittlere) Schmelzbadgröße und/oder auf eine bestimmte (etwa minimale) Amplitude einer Schmelzbadoszillation und/oder eine bestimmte Frequenz einer Schmelzbadoszillation eingeregelt werden.
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Weiterhin können Werkstücke unterschiedlicher Werkstücktypen geschweißt werden, wobei je nach Werkstücktyp die erste Einstellvorrichtung und die zweite Einstellvorrichtung unterschiedlich eingestellt werden. Dafür ist es möglich, dass für einen zu schweißenden Werkstücktyp verschiedene Energieverteilungen zwischen den wenigstens zwei vorauslaufenden Teilstrahlen und dem nachlaufenden Teilstrahl sowie verschiedene Energieverteilungen zwischen den jeweiligen Ringzonen und den jeweiligen Kernzonen in Testschweißungen ausprobiert werden und jeweils die Qualität der erhaltenen Verschweißung beurteilt wird, insbesondere unter Einbeziehung von Spritzerbildung während des Schweißens und der Welligkeit und/oder Kerbenhäufigkeit der erhaltenen Schweißnaht und unter Berücksichtigung von Oberseite und Unterseite, und dass anhand der Testschweißungen ein Satz von optimalen Energieverteilungen für den Werkstücktyp bestimmt wird, insbesondere wobei dann eine Vielzahl von Werkstücken dieses Werkstücktyps mit dem Satz von optimalen Energieverteilungen geschweißt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere auf einer oben beschriebenen, erfindungsgemäßen optischen Apparatur ablaufen.
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Bevorzugte Verfahrensvarianten
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Bei einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserschweißen eines Werkstücks ist vorgesehen, dass auch der nachlaufende Teilstrahl ein Strahlprofil mit einer Kernzone und wenigstens einer Ringzone aufweist, die um die Kernzone liegt. Dies ermöglicht es, die vorauslaufenden Teilstrahlen und den nachlaufenden Teilstrahl auf einfache Weise aus demselben Eingangslaserstrahl zu erzeugen, der etwa einer Strahlformung mittels einer Multiclad-Faser unterzogen wird. Zudem kann durch dieses Strahlprofil auch die Qualität der Nahtunterseite günstig beeinflusst werden.
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Bevorzugt ist eine Weiterentwicklung dieser Variante, die vorsieht, dass ein Eingangslaserstrahl in ein erstes Faserende einer Multiclad-Faser mit einer Kernfaser und wenigstens einer Ringfaser eingespeist wird, wodurch an einem zweiten Faserende der Multiclad-Faser ein Laserstrahl zur Verfügung gestellt wird, aus dem mit einer Kollimationsoptik ein kollimierter Laserstrahl erzeugt wird,
dass mittels einer Strahlteiler-Einrichtung aus dem kollimierten Laserstrahl die wenigstens zwei vorauslaufenden Teilstrahlen und der nachlaufende Teilstrahl erzeugt werden,
und dass mittels einer Fokussierungsoptik die Teilstrahlen auf das Werkstück fokussiert werden. Dadurch kann das gewünschte Strahlprofil für die vorauslaufenden Teilstrahl und auch für den nachlaufenden Teilstrahl mit Kernzone und Ringzone auf einfache Weise aus nur einem Eingangsstrahl (und entsprechend mit nur einem Laser) erzeugt werden.
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Bei einer vorteilhaften Variante ist vorgesehen, dass am Werkstück die Ringzonen der vorauslaufenden Teilstrahlen jeweils mit der Ringzone des nachlaufenden Teilstrahls überlappen, nicht jedoch mit der Kernzone des nachlaufenden Teilstrahls. Entsprechend bilden die vorauslaufenden Teilstrahlen und der nachlaufende Teilstrahl insgesamt einen zusammenhängenden, von Laserstrahlung beleuchteten Bereich auf dem Werkstück aus. Dies reduziert Temperaturgradienten im Schmelzbad und reduziert somit die Schmelzbaddynamik.
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Bei einer bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass am Werkstück die Ringzonen der vorauslaufenden Teilstrahlen in der Richtung quer zur Schweißrichtung zwischen den Kernzonen überlappen. Zumindest die vorauslaufenden Teilstrahlen bilden dann einen zusammenhängenden, von Laserstrahlung beleuchteten Bereich auf dem Werkstück. Temperaturgradienten quer zur Vorschubrichtung, insbesondere im Schmelzbad, können dadurch reduziert werden, und die Schmelzbaddynamik insgesamt reduziert werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung dieser Variante ist vorgesehen, dass die Überlappung der Ringzonen der vorauslaufenden Teilstrahlen so eingerichtet ist, dass die Ringzone des jeweils einen vorauslaufenden Teilstrahls im Wesentlichen bis an die Kernzone des jeweils anderen vorauslaufenden Teilstrahls reicht, nicht jedoch mit der Kernzone des jeweils anderen vorauslaufenden Teilstrahls überlappt. Dies verringert Temperaturgradienten im Schmelzbad weiter, und vermeidet insbesondere lokal besonders hohe Leistungseinträge. Die Schmelzbaddynamik kann weiter reduziert werden.
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Bevorzugt ist weiter eine Variante, die vorsieht, dass am Werkstück für einen Durchmesser DK einer jeweiligen Kernzone und einen Durchmesser DR einer jeweiligen Ringzone gilt:
- 2*DK ≤ DR ≤ 5*DK,
- bevorzugt 2,5*DK ≤ DR ≤ 4,5*DK,
- besonders bevorzugt 3*DK ≤ DR ≤ 4*DK. Mit diesen Größenverhältnissen haben sich besonders gute Schweißnahtqualitäten ergeben. Die Laserenergie kann in den Ringzonen über eine ausreichende Fläche verteilt werden, und gleichzeitig können ausreichende Schweißtiefen erreicht werden, für die die Laserleistung in den Kernzonen von besonderer Bedeutung ist.
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Ebenso bevorzugt ist eine Variante, bei der am Werkstück für einen Durchmesser DK einer jeweiligen Kernzone und einen Durchmesser DR einer jeweiligen Ringzone gilt:
- 200µm ≤ DK ≤ 600µm und 600µm ≤ DR ≤ 1500µm,
- bevorzugt 225µm ≤ DK ≤ 500µm und 750µm ≤ DR ≤ 1500µm,
- ganz besonders bevorzugt
- 250µm ≤ DK ≤ 400µm und 900µm ≤ DR ≤ 1500µm. Mit diesen Größenverhältnissen haben sich wiederum besonders gute Schweißnahtqualitäten ergeben, insbesondere bei zu schweißenden Blechdicken von 1 mm bis 4 mm.
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In den Rahmen der Erfindung fällt auch die Verwendung einer erfindungsgemä-ßen, oben beschriebenen optischen Apparatur in einem erfindungsgemäßen, oben beschriebenen Verfahren. Dadurch ist eine Laserschweißung mit guter Schweißnahtqualität und hoher Produktivität (Vorschubgeschwindigkeit) möglich, wobei die Leistungsverteilung zwischen den vorauslaufenden Teilstrahlen und dem nachlaufenden Teilstrahl sowie zwischen der wenigstens einen Ringzone/Ringfaser und der Kernzone/Kernfaser flexibel angepasst werden kann, um den Laserschweißprozess zu optimieren.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln 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.
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Figurenliste
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- 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Apparatur;
- 2 zeigt in schematischer Schrägansicht eine Keilplatte ausgebildete Strahlteiler-Einrichtung für die Erfindung;
- 3 zeigt in schematischer Schrägansicht eine als diffraktives optisches Element ausgebildete Strahlteiler-Einrichtung für die Erfindung sowie ein Höhendiagramm des diffraktiven optischen Elements;
- 4 zeigt schematisch ein Fokusbild einer ersten Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserschweißen eines Werkstücks, wobei die beiden vorauslaufenden Teilstrahlen und der nachlaufende Teilstrahl nicht überlappen;
- 5 zeigt schematisch ein Fokusbild einer zweiten Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserschweißen eines Werkstücks, wobei die vorauslaufenden Teilstrahlen nicht untereinander, aber mit dem nachlaufenden Teilstrahl überlappen;
- 6 zeigt schematisch ein Fokusbild einer dritten Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserschweißen eines Werkstücks, wobei die vorauslaufenden Teilstrahlen nicht untereinander, aber mit dem nachlaufenden Teilstrahl überlappen;
- 7 zeigt ein Schemadiagramm der Energieverteilung im Strahlprofil eines vorauslaufenden Teilstrahls für die Erfindung;
- 8 zeigt ein Schemadiagramm des Verlaufs eines Brechungsindex einer Multiclad-Faser für die Erfindung entlang eines Querschnitts.
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Die 1 zeigt in einer Schemadarstellung beispielhaft eine erfindungsgemäße optischen Apparatur 1 zum Laserschweißen eines Werkstücks 2. Man beachte, dass der in der 1 linke Teil der optischen Apparatur 1 hier zum besseren Verständnis vergrößert gegenüber dem rechten Teil der Apparatur 1 dargestellt ist, und der Vergrößerungsübergang im Bereich der Multiclad-Faser 8 liegt (vgl. der gepunktete Konus).
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Die optische Apparatur 1 umfasst eine Laserstrahlquelle 3 zum Bereitstellen eines Laserstrahls 4, der ein besonderes Strahlprofil aufweist, hier mit einer Kernzone und einer diese umgebende Ringzone.
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Dafür umfasst die Laserstrahlquelle 3 hier einen Festkörperlaser 5, der einen hier kollimierten Eingangslaserstrahl 6 zur Verfügung stellt. Dieser Eingangslaserstrahl 6 wird in ein erstes (eingangsseitiges) Faserende 7 einer Multiclad-Faser 8 eingekoppelt. Die Multiclad-Faser 8 weist hier eine Kernfaser 9 und eine diese umgebende Ringfaser 10 auf; man beachte, dass in anderen Ausführungsformen noch eine oder mehrere weitere Ringfasern vorgesehen sein können, die die Ringfaser 10 umgeben. In den Eingangslaserstrahl 6 ragt hier ein Keil 11 aus einem für den Eingangslaserstrahl 6 transparenten, aber lichtbrechenden Material. Dadurch wird ein Teil 12 des Eingangslaserstrahls 6 abgelenkt. Der abgelenkte Teil 12 und ein unabgelenkter übriger Teil 13 des Eingangslaserstrahls 6 werden hier durch eine Fokussierlinse 14 auf das erste Faserende 7 fokussiert, wobei der abgelenkte Teil 12 in die Ringfaser 10 und der nichtabgelenkte, übrige Teil 13 in die Kernfaser 9 eingekoppelt wird.
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Über die Länge der Multiclad-Faser 8 (die in der schematischen Darstellung verkürzt dargestellt ist) verteilt sich die Laserleistung der eingekoppelten Teile 12, 13 des Eingangslaserstrahls 6 (abhängig von den Lasermoden und der Länge der Multiclad-Faser) im Wesentlichen gleichmäßig auf den gesamten Querschnitt von Kernfaser 9 und Ringfaser 10. Dadurch wird an einem zweiten (ausgangsseitigen) Faserende 15 der Multiclad-Faser 8 der Laserstrahl 4 mit einem so genannten zweistufigen Top-Hat-Strahlprofil zur Verfügung gestellt (vgl. hierzu auch weiter unten).
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Der am zweiten Faserende 15 von der Laserstrahlquelle 3 zur Verfügung gestellte, profilierte Laserstrahl 4 wird nun mit einer Kollimationsoptik 16 kollimiert (parallelisiert). Die Kollimationsoptik 16 ist hier mit einem Kollimationslinse 17 ausgebildet; in anderen Ausführungsformen kann beispielsweise auch eine Kombination von zwei gekreuzten Zylinderlinsenarrays eingesetzt werden. Der kollimierte Laserstrahl 18 wird dann von einer Strahlteiler-Einrichtung 19 auf wenigstens drei Teilstrahlen 20a, 20b aufgeteilt, nämlich zwei vorauslaufende Teilstrahlen und einen nachlaufenden Teilstrahl (in 1 sind nicht alle Teilstrahlen direkt ersichtlich, siehe dazu unten mehr). Die Strahlteiler-Einrichtung 19 ist hier als eine Keilplatte 21 ausgebildet, die mehrere Ablenkungszonen 22a, 22b aufweist, die unterschiedlich geneigt ausgebildet sind. Die Keilplatte 21 besteht aus für den Laserstrahl 18 transparentem, aber lichtbrechendem Material. Entsprechend werden die Teilstrahlen 20a, 20b in (geringfügig) unterschiedliche Richtungen abgelenkt. Die Teilstrahlen 20a, 20b werden dann von einer Fokussierungsoptik 23, die hier mit einer Fokussierlinse 24 ausgebildet ist, auf das Werkstück 2 fokussiert. Die Strahlflecken 25a, 25b der Teilstrahlen 25a, 25b sind durch die unterschiedliche Ablenkung der Teilstrahlen 20a, 20b an der Strahlteiler-Einrichtung 19 (geringfügig) gegeneinander verschoben. Die Strahlflecken 25a, 25b weisen jeweils das durch die Laserstrahlquelle 3 und insbesondere die dortige Multiclad-Faser 8 aufgeprägtes Strahlprofil auf (vgl. hierzu auch die Fokusbilder unten).
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Die Keilplatte 21 ist durch einen nicht näher dargestellten Mechanismus, bevorzugt motorisierten Mechanismus, entlang hier einer Einstellrichtung ER und einer senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden zweiten Richtung R2 verfahrbar; die Einstellrichtung ER und die zweite Richtung R2 verlaufen beide quer zur Ausbreitungsrichtung AR des kollimierten Laserstrahls 18 und zudem senkrecht zueinander. Dadurch können die Anteile (Energieanteile) der Teilstrahlen 20a, 20b, die aus dem kollimierten Laserstrahl 18 erhalten werden, verändert werden. Die Keilplatte 21 bzw. die Strahlteiler-Einrichtung 19 einschließlich des nicht dargestellten, weiteren Mechanismus wird entsprechend als erste Einstellvorrichtung 26 bezeichnet, mit der eine Leistungsverteilung zwischen den Teilstrahlen 20a, 20b, und dabei insbesondere zwischen den vorauslaufenden Teilstrahlen einerseits und den nachlaufenden Teilstrahlen andererseits, eingestellt werden kann.
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Der Keil 11 ist durch einen weiteren, nicht näher dargestellten Mechanismus, bevorzugt motorisierten Mechanismus, entlang einer ersten Richtung R1, die quer zur Ausbreitungsrichtung AR des Eingangslaserstrahls 6 verläuft, verfahrbar. Dadurch können die Anteile (Energieanteile) der Teile 12 und 13 des Eingangslaserstrahls 6 verändert werden. Der Keil 11 einschließlich des nicht dargestellten Mechanismus wird entsprechend als zweite Einstellvorrichtung 27 bezeichnet, mit der eine Leistungsverteilung zwischen der Kernfaser 9 (bzw. der Kernzone des Strahlprofils) und der Ringfaser 10 (bzw. der Ringzone des Strahlprofils) eingestellt werden kann.
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Die 2 zeigt schematisch eine beispielhafte Keilplatte 21, die im Rahmen der Erfindung als Strahlteiler-Einrichtung 19 für den kollimierten Laserstrahl 18 (vgl. die gestrichelt eingezeichnete Randlinie) eingesetzt werden kann.
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Die Keilplatte 21 weist hier drei Ablenkungszonen 31, 32, 33 auf, die um ein Zentrum 34 herum angeordnet sind; die Keilplatte 21 weist hier eine im Wesentlichen kreisscheibenförmige Gestalt auf. Die Unterseite der Keilplatte 21 ist hier eben und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung AR des kollimierten Laserstrahls 18 ausgebildet. An der Oberseite sind die Ablenkungszonen 31, 32, 33 jedoch mit einer unterschiedlichen Neigung bzw. Orientierung gegenüber der Ausbreitungsrichtung AR ausgebildet.
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Die Ablenkungszone 31 nimmt ein Winkelintervall von 180° um das Zentrum 34 ein. Die Ablenkungszone 31 ist mit der Oberseite senkrecht zur Ausbreitungsrichtung AR / z-Richtung ausgerichtet (also „ohne“ Neigung). Der Anteil des kollimierten Laserstrahls 18, der auf diese Ablenkungszone 31 trifft, wird aufgrund eines näherungsweise senkrechten Auftreffens durch die Oberseite der Keilplatte 21 nicht abgelenkt. Dieser Anteil bildet den nachlaufenden Teilstrahl aus. Man beachte, dass die Ablenkungszone 31 erfindungsgemäß auch ohne Material ausgebildet werden kann, also der zugehörige Anteil des kollimierten Laserstrahls 18 an der Keilplatte 21 vorbei läuft („Halbelement“, nicht näher dargestellt).
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Die Ablenkungszone 32 nimmt ein Winkelintervall von 90° um das Zentrum 34 ein. Die Oberseite der Ablenkungszone 32 ist gegenüber der Oberseite der Ablenkungszone 31 bzw. gegenüber der Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung AR (=z-Richtung) des kollimierten Laserstrahls 18 leicht geneigt, beispielsweise um -0,30° gegenüber der x-Richtung und -0,12° gegenüber der y-Richtung. Der Anteil des kollimierten Laserstrahls 18, der auf die Ablenkungszone 32 trifft, wird aufgrund dieser Neigung abgelenkt. Dieser Anteil bildet einen vorauslaufenden Teilstrahl aus.
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Die Ablenkungszone 33 nimmt ebenfalls ein Winkelintervall von 90° um das Zentrum 34 ein. Die Oberseite der Ablenkungszone 33 ist gegenüber der Oberseite der Ablenkungszone 31 bzw. gegenüber der Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung AR (=z-Richtung) des kollimierten Laserstrahls 18 ebenfalls leicht geneigt, jedoch spiegelsymmetrisch bzgl. der xz-Ebene im Vergleich zur Ablenkungszone 32. Die Ablenkungszone 33 ist beispielsweise um +0,30° gegenüber der x-Richtung und -0,12° gegenüber der y-Richtung geneigt. Der Anteil des kollimierten Laserstrahls 18, der auf die Ablenkungszone 33 trifft, wird aufgrund dieser Neigung abgelenkt. Dieser Anteil bildet einen weiteren vorauslaufenden Teilstrahl aus.
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In der gezeigten relativen Position der Keilplatte 21 gegenüber dem kollimierten Laserstrahl 18, in der der kollimierte Laserstrahl 18 auf das Zentrum 34 der Keilplatte 21 zentriert ist, werden die beiden vorauslaufenden Teilstrahlen jeweils einen Leistungsanteil von 25% und der nachlaufende Teilstrahl einen Leistungsanteil von 50% der gesamten Laserleistung erhalten.
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Zur Veränderung dieser Leistungsanteile kann die Keilplatte 21 aus der gezeigten zentrierten Lage zumindest entlang der Erstreckungsrichtung ER, die entlang der Grenze 35 der beiden Ablenkungszonen 32, 33 verläuft, verfahren werden. Die Erstreckungsrichtung ER verläuft parallel zur x-Richtung. Durch Verfahren der Keilplatte 21 (gegenüber dem Laserstrahl 18) in positive x-Richtung können der Leistungsanteil des nachlaufenden Teilstrahls erhöht und die Leistungsanteile der vorauslaufenden Teilstrahlen verringert werden, und umgekehrt.
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Bevorzugt kann die Keilplatte 21 weiterhin aus der gezeigten Lage (und unabhängig von der Verschiebung entlang der Erstreckungsrichtung ER) auch noch in die zweite Richtung R2, die entlang einer Grenze 36 zwischen der Ablenkungszone 31 und den Ablenkungszonen 32, 33 verläuft, verfahren werden. Die zweite Richtung R2 verläuft parallel zur y-Richtung. Durch Verfahren der Keilplatte 21 (gegenüber dem Laserstrahl 18) in positive y-Richtung können der Leistungsanteil des vorauslaufenden Teilstrahls der Ablenkungszone 32 erhöht und der Leistungsanteil des vorauslaufenden Teilstrahls der Ablenkungszone 33 verringert werden, und umgekehrt; dabei bleibt der Leistungsanteil des nachlaufenden Teilstrahls unverändert.
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Die unterschiedlichen Ablenkungswirkungen der Ablenkungszonen 31, 32, 33 der Keilplatte 21 beruhen auf Lichtbrechung, und entsprechend wird die Keilplatte 21 als ein refraktives optisches Element 37 angesehen.
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Alternativ ist es auch möglich, eine Strahlteiler-Einrichtung 19 mit einem diffraktiven optischen Element 40 auszubilden, vgl. die schematische, beispielhafte Darstellung in 3 hierzu. Das diffraktive, optische Element 40 ist aus einem für den Laserstrahl 18 transparentem, aber lichtbrechenden Material gefertigt; es verfügt wiederum über eine ebene Unterseite, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung AR liegt. Das diffraktive optische Element 40 bildet ebenfalls Ablenkungszonen 31, 32, 33 aus, die in unterschiedliche Richtungen gerichtete Teilstrahlen aus dem kollimierten Laserstrahl 18 erzeugen. Die unterschiedlichen Ablenkungswirkungen der Ablenkungszonen 31, 32, 33 beruhen aber im Wesentlichen auf einer Beugung des kollimierten Laserstrahls 18, weshalb die Ablenkungszonen 31, 32, 33 auch als Beugungszonen 41, 42, 43 bezeichnet werden.
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In der Beugungszone 41 wird in der gezeigten Ausführungsform der Laserstrahl 18 nicht abgelenkt, da dort das diffraktive optische Element 40 an seiner Oberseite eben (mit konstanter lokaler Höhe h, also ohne ein Sägezahngitter) ausgebildet ist. Man beachte, dass die Beugungszone 41 erfindungsgemäß auch ohne Material ausgebildet werden kann, also der zugehörige Anteil des kollimierten Laserstrahls 18 am diffraktiven optischen Element 40 vorbei läuft („Halbelement“, nicht näher dargestellt).
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In der Beugungszone 42 ist hingegen an der Oberseite ein Sägezahngitter mit einer lokal veränderlichen Höhe (bzw. lokale veränderlichen Dicke des diffraktiven optischen Elements 40 in Strahlausbreitungsrichtung AR) des diffraktiven optischen Elements 40 eingerichtet, vgl. das Höhenprofil unten, in welchem die lokale Höhe h (in z-Richtung) gegen den Ort entlang der Schnittrichtung a (vgl. die gestrichelte Schnittebene A) aufgetragen ist. Beim diffraktiven optischen Element 40 ist in der Beugungszone 42 mit Linien angedeutet, wo die lokale Höhe h jeweils gleich und maximal ist. Diese Linien sind gegenüber der y-Richtung leicht geneigt (hier um ca. +15°), wodurch eine entsprechende leichte Ablenkung des Laserstrahls 18 im Bereich der Beugungszone 42 erreicht wird. Die Linien verlaufen senkrecht zur eingezeichneten Schnittrichtung a, und das Sägezahnprofil fällt entlang dieser Schnittlinie immer wieder ab und steigt immer wieder abrupt an.
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Die Beugungszone 43 weist analog ebenfalls ein Sägezahnprofil auf. Dieses ist mit seinen Linien, die die jeweils gleiche und maximale, lokale Höhe indizieren, gegenüber der y-Richtung gegengleich zur Beugungszone 42 geneigt, hier mit ihren Linien um ca. -15° gegenüber der y-Richtung, wodurch dort eine entsprechende gegengleiche leichte Ablenkung des Laserstrahls 18 erzeugt wird.
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Im Übrigen ist die Funktionsweise der Strahlteiler-Einrichtung 19 von 3 analog zur Strahlteiler-Einrichtung von 2.
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In den 4 bis 6 sind schematisch beispielhafte Fokusbilder dargestellt, die im Rahmen der Erfindung angewandt werden können. Die Fokusbilder zeigen die Teilstrahlen 20a-20c, die während des Laserstrahlschweißens auf die Oberseite des Werkstücks gerichtet werden und mittels der Fokussierungsoptik auf das Werkstück bzw. dessen Oberfläche fokussiert werden, am Ort der Oberfläche, die der Zeichenebene entspricht.
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In den gezeigten Varianten werden jeweils bezüglich einer vorgegebenen relativen Schweißrichtung (Vorschubrichtung) SR zwei vorauslaufende Teilstrahlen 20b, 20c und ein nachlaufender Teilstrahl 20a eingesetzt. Die vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c sind dabei bezüglich einer Querrichtung QR in gerader Linie aufgereiht angeordnet; die Querrichtung QR verläuft senkrecht zur Schweißrichtung SR.
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Typischerweise werden alle Teilstrahlen 20a, 20b, 20c aus demselben Eingangslaserstrahl erzeugt, der durch Passieren einer Multiclad-Faser ein besonderes Strahlprofil erhalten hat; dieses Strahlprofil weisen dann entsprechend auch alle Teilstrahlen 20a, 20b, 20c auf. Das Strahlprofil umfasst hier jeweils eine Kernzone 50, innerhalb der eine im Wesentlichen konstante Leistungsdichte LDK („Intensität“) von Laserstrahlung vorliegt, und eine Ringzone 51, in der ebenfalls eine im Wesentlichen konstante Leistungsdichte LDR von Laserstrahlung vorliegt; in anderen Varianten können noch weitere Ringzonen vorgesehen sein.
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Die Teilstrahlen 20a, 20b, 20c durchlaufen nach der Strahlteiler-Anordnung grundsätzlich dieselben optischen Elemente (insbesondere die Fokussierungsoptik), so dass die Teilstrahlen 20a, 20b, 20c am Werkstück eine gleiche Größe aufweisen. Am Werkstück (bzw. an der Oberseite des Werkstücks) können die Durchmesser DK der Kernzone 50 und DR der Ringzone 51 gemessen werden. Meist liegt DK zwischen 200 µm und 600 µm, oft um 300 µm. Weiterhin liegt meist DR zwischen 600 µm und 1800 µm, oft um 700 µm.
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Mittels einer ersten Einstellvorrichtung (vgl. 1) kann für alle Teilstrahlen 20a-20c Laserleistung jeweils zwischen der Kernzone 50 und der Ringzone 51 umverteilt werden; die über die Fläche der Kernzone 50 integrierte Laserleistung ILK („integrierte Intensität“) ist dabei größer als die über die Fläche der Ringzone 51 integrierte Laserleistung ILR, meist gilt ILK:ILR≥60:40 oder sogar ILK:ILR≥70:30. Für das Verhältnis DR/DK gilt meist 2≤DR/DK≤5, meist mit 3≤DR/DK≤4.
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Mittels der zweiten Einstellvorrichtung (vgl. 1) kann Laserleistung zwischen der Gesamtheit der vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c einerseits und dem nachlaufenden Teilstrahl 20a andererseits umverteilt werden; die über die Fläche aller vorauslaufenden Teilstrahlen 20ba, 20c integrierte Laserleistung VT und die über die Fläche des nachlaufenden Teilstrahls 20a integrierte Laserleistung NT ist typischerweise näherungsweise gleich groß; meist gilt VT:NT≤60:40 und VT:NT≥40:60.
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Mit den vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c wird das Werkstück von der Oberseite aus aufgeschmolzen, wobei der durch die vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c erzeugte Schmelzbadbereich nicht bis zur Unterseite des Werkstücks reicht („Einschweißung“). Mit dem nachlaufenden Teilstrahl wird ein Schmelzbadbereich erzeugt, der bis zur Unterseite des Werkstücks reicht („Durchschweißung“). Durch die Kombination der vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c mit dem nachlaufenden Teilstrahl 20a kann eine qualitativ besonders hochwertige, insbesondere mechanisch hoch feste, wellenarme und kerbenarme Schweißnaht bei nur geringer Spritzerbildung während des Schweißprozesses an der Oberseite und der Unterseite des Werkstücks erhalten werden. Dabei kann der Schweißprozess über die Einstellung der Leistungsverteilung optimiert werden.
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Die 4 zeigt eine Variante, in der die beiden vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c nicht miteinander überlappen, und weiterhin auch die vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c nicht mit dem nachlaufenden Teilstrahl 20a überlappen. Man beachte aber, dass hier in Schweißrichtung SR die Ringzone 51 des nahlaufenden Teilstrahls 20a bezüglich der Schweißrichtung SR bis zwischen die Ringzonen 51 der vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c ausgreift.
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Bei dieser Variante wird die Addition von Laserleistung verschiedener Teilstrahlen vermieden. Dies kann helfen, die Schmelzbaddynamik gering zu halten, und insbesondere eine Spritzerbildung vor allem an der Oberseite des Werkstücks zu vermeiden. Diese Variante wird oft bei geringeren Werkstückdicken bevorzugt, beispielsweise zwischen 1 mm und 2,5 mm Werkstückdicke.
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Die 5 zeigt eine Variante, bei der die vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c wiederum nicht überlappen. Die vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c überlappen hier aber in den Überlappungszonen 52 mit dem nachlaufenden Teilstrahl 20a im Bereich der Ringzonen 51; die Zentren der Teilstrahlen 20a, 20b und 20a, 20c sind aber so weit voneinander beabstandet, dass jeweils zwischen der Überlappungszone 52 und den beiden Kernzonen 50 der Teilstrahlen 20a, 20b und 20a, 20c noch Restbereiche 55 von nicht überlappter Ringzone 51 verbleiben.
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In dieser Variante wird durch die Gesamtheit der Teilstrahlen eine zusammenhängende, von Laserstrahlung beleuchtete Fläche gebildet. Dies kann dazu beitragen, Temperaturgradienten im Schmelzbad zu reduzieren, und die Welligkeit der erhaltenen Schweißnaht oder auch Kerbenbildung zu reduzieren. Diese Variante wird oft bei mittleren Werkstückdicken bevorzugt, beispielsweise zwischen 2,5 mm und 3,2 mm Werkstückdicke.
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Die 6 zeigt eine Variante, bei der die vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c in Querrichtung QR im Bereich der Ringzonen 51 überlappen, nicht aber bezüglich der Kernzonen 50, vgl. die Überlappungszone 53. In der gezeigten Variante reicht die Überlappungszone 53 aber jeweils bis an die Kernzonen 50 berührend heran. Weiterhin überlappen die vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c mit dem nachlaufenden Teilstrahl 20a im Bereich der Ringzonen 51. Dadurch werden Überlappungszonen 52 der Teilstrahlen 20a, 20b und 20a, 20c erhalten, die jedoch hier nicht bis an die Kernzonen 51 heranreichen; zudem besteht in der Überlappungszone 54 hier ein Überlapp der Ringzonen 51 aller drei Teilstrahlen 20a, 20b, 20c.
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In dieser Variante kann durch Addition der Laserleistung von zwei Teilstrahlen über vergleichsweise großen Flächen und im Überlappungsbereich 54 sogar von drei Teilstrahlen eine lokal vergrößerte Leistungsdichte der Laserstrahlung erreicht werden. Dadurch kann eine größere Penetration in das Werkstück hinein erreicht werden, insbesondere im Überlappungsbereich der beiden vorauslaufenden Teilstrahlen. Dadurch wird ein Durchschweißen mit dem nachlaufenden Teilstrahl erleichtert und insbesondere auch bei höheren Schweißgeschwindigkeiten und/oder größerer Werkstückdicke zugänglich. Diese Variante wird oft bei größeren Werkstückdicken bevorzugt, beispielsweise zwischen 3,2 mm und 4 mm Werkstückdicke.
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Die 7 illustriert beispielhaft das Intensitätsprofil 60 eines vorauslaufenden Teilstrahls, der im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens auf einem Werkstück angewandt werden kann. Ein entsprechendes Intensitätsprofil ist in der Regel auch beim nachlaufenden Teilstrahl auf dem Werkstück gegeben. Aufgetragen nach oben ist die Intensität I (Laserleistung pro Fläche) als Funktion des Orts x, wobei die x-Achse durch das Zentrum des Laserstrahls (bei x=0) verläuft.
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Das Intensitätsprofil 60 ist hier ein zweistufiges TopHat Strahlungsprofil; es kann durch Nutzung einer Doppelclad-Faser erzeugt werden (siehe dazu 8).
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Das Intensitätsprofil 60 weist eine Kernzone 50 auf, innerhalb der eine hohe, im Wesentlichen konstante Intensität I1 von hier ca. 2,1 W/cm2 vorliegt; typischerweise schwankt die Intensität in der Kernzone 50 um maximal 40%, bevorzugt maximal 20%, um die mittlere Intensität der der Kernzone 50. Die Kernzone 50 wird umgeben von einer Ringzone 51, innerhalb der eine niedrigere, ebenfalls im Wesentlichen konstante Intensität I2 von hier ca. 0,4 W/cm2 vorliegt; typischerweise schwankt die Intensität in der Ringzone 51 um maximal 20% um die mittlere Intensität der Ringzone 51. In einem Übergangsbereich 61 von der Kernzone 50 zur Ringzone 51 fällt die Intensität stark ab; die dortige Intensität kann dabei auch bis unter I2 fallen. In einem weiteren Übergangsbereich 62 von der Ringzone 51 zur äußeren Umgebung fällt die Intensität ebenfalls stark ab, hier (in Ermangelung einer weiteren Kernzone) bis auf null. Die Übergangsbereiche 61, 62 machen typischerweise nur kleine Breiten B1, B2 im Vergleich zum Durchmesser DK der Kernzone 50 bzw. zur Breite BR der Ringzone 51 aus, beispielsweise mit B1≤0,3*\DK oder B1≤50,2*DK, bzw. mit B2≤0,3*BR oder B2≤0,2*BR.
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Die 8 illustriert in einem Schemadiagramm beispielhaft den Aufbau einer Multiclad-Faser 8 im Bereich von Kernfaser 9 und Ringfaser 10 („Doppelclad-Faser“ oder 2in1-Faser) für die Erfindung; man beachte, dass alternativ auch eine Multiclad-Faser mit noch mehr Ringfasern eingesetzt werden können. Nach rechts ist der Ort x im Querschnitt der Multiclad-Faser 8 aufgetragen, und nach oben die Brechzahl n (für die vom Laser verwendete Wellenlänge); bei x=0 befindet sich das Zentrum der Multiclad-Faser 8.
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Innerhalb der Kernfaser 9 und innerhalb der Ringfaser 10 ist ein Lichtleiter-Material mit einer hohen, hier einheitlichen Brechzahl nKR angeordnet. Zwischen der Kernfaser 9 und der Ringfaser 10 ist ein erster Mantel („cladding“) 70 aus einem ersten Mantelmaterial mit einer Brechzahl nM1 angeordnet. Dabei ist nM1 deutlich kleiner als nKR; hierdurch wird eine Totalreflektion der Laserstrahlung, die in die Kernfaser 9 und die Ringfaser 10 eingekoppelt ist, am ersten Mantel 70 erreicht. Um die Ringfaser 10 herum ist ein zweiter Mantel („cladding“) 71 aus einem zweiten Mantelmaterial mit einer Brechzahl nM2 angeordnet. Dabei ist nM2 wiederum deutlich kleiner als nKR, um auch am zweiten Mantel 71 eine Totalreflektion der Laserstrahlung zu bewirken. In der gezeigten Variante ist zudem nM1 etwas geringer als nM2.
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In der gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der (Außen-)Radius der Kernfaser 9 ca. 50 µm, und der Außenradius der Ringfaser 10 ca. 300 µm.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- optische Apparatur
- 2
- Werkstück
- 3
- Laserstrahlquelle
- 4
- Laserstrahl (bereitgestellt von der Laserstrahlquelle)
- 5
- Laser
- 6
- Eingangslaserstrahl (bereitgestellt vom Laser)
- 7
- erstes Faserende
- 8
- Multiclad-Faser
- 9
- Kernfaser
- 10
- Ringfaser
- 11
- Keil
- 12
- abgelenkter Teil (des Eingangslaserstrahls)
- 13
- unabgelenkter Teil (des Eingangslaserstrahls)
- 14
- Fokussierlinse
- 15
- zweites Faserende
- 16
- Kollimationsoptik
- 17
- Kollimationslinse
- 18
- kollimierter Laserstrahl
- 19
- Strahlteiler-Einrichtung
- 20a
- (nachlaufender) Teilstrahl
- 20b
- (vorauslaufender) Teilstrahl
- 20c
- (vorauslaufender) Teilstrahl
- 21
- Keilplatte
- 22a
- Ablenkungszone
- 22b
- Ablenkungszone
- 23
- Fokussierungsoptik
- 24
- Fokussierlinse
- 25a
- Strahlfleck
- 25b
- Strahlfleck
- 26
- erste Einstellvorrichtung
- 27
- zweite Einstellvorrichtung
- 31
- Ablenkungszone (nachlaufender Teilstrahl)
- 32
- Ablenkungszone (vorauslaufender Teilstrahl)
- 33
- Ablenkungszone (vorauslaufender Teilstrahl)
- 34
- Zentrum (Strahlteiler-Einrichtung)
- 35
- Grenze
- 36
- Grenze
- 37
- refraktives optisches Element
- 40
- diffraktives optisches Element
- 41
- Beugungszone (nachlaufender Teilstrahl)
- 42
- Beugungszone (vorauslaufender Teilstrahl)
- 43
- Beugungszone (vorauslaufender Teilstrahl)
- 50
- Kernzone
- 51
- Ringzone
- 52
- Überlappungszone (vorauslaufender/nachlaufender Teilstrahl)
- 53
- Überlappungszone (vorauslaufender/vorauslaufender Teilstrahl)
- 54
- Überlappungszone (drei Teilstrahlen)
- 55
- Restbereich (der Ringzone ohne Überlappung)
- 60
- Intensitätsprofil
- 61
- Übergangsbereich
- 62
- Übergangsbereich
- 70
- erster Mantel
- 71
- zweiter Mantel
- A
- Schnittebene
- a
- Schnittrichtung (im diffraktiven optischen Element)
- AR
- Ausbreitungsrichtung/Strahlausbreitungsrichtung
- DK
- Durchmesser Kernzone
- DR
- Durchmesser Ringzone
- ER
- Einstellrichtung
- h
- lokale Höhe
- I
- Intensität
- ILK
- integrierte Laserleistung Kernzone
- ILR
- integrierte Laserleistung Ringzone
- n
- Brechzahl (Brechungsindex)
- QR
- Querrichtung
- R1
- erste Richtung
- R2
- zweite Richtung
- SR
- Schweißrichtung
- x, y, z
- Ortskoordinaten
