DE102020200798A1

DE102020200798A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung mittels eines in seinem Leistungsprofil verstellbaren Bearbeitungslaserstrahls

Info

Publication number: DE102020200798A1
Application number: DE102020200798.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Popp
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2020-01-23
Filing date: 2020-01-23
Publication date: 2021-07-29

Abstract

Bei einem Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung mittels eines Bearbeitungslaserstrahls (3), bei dem aus einem Eingangslaserstrahl (5) ein erster Laserstrahl (8a), welcher zumindest in einen ersten Faserkern (9a) einer optischen Mehrfachkernfaser (9) eingekoppelt wird, und/oder ein zweiter Laserstrahl (8b), welcher zumindest in einen zweiten Faserkern (9b) der Mehrfachkernfaser (9) eingekoppelt wird, erzeugt werden, werden erfindungsgemäß der erste und der zweite Laserstrahl (8a, 8b) alleine oder gemeinsam als Bearbeitungslaserstrahl (3) aus der Mehrfachkernfaser (9) ausgekoppelt, wobei die Verteilung der Laserleistung zwischen dem ersten und dem zweiten Laserstrahl (8a, 8b) mit einer Modulationsfrequenz (f) zwischen 1 Hz bis 100 kHz geändert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung mittels eines Bearbeitungslaserstrahls, wobei aus einem Eingangslaserstrahl ein erster Laserstrahl, welcher zumindest in einen ersten Faserkern einer optischen Mehrfachkernfaser eingekoppelt wird, und ein zweiter Laserstrahl, welcher zumindest in einen zweiten Faserkern der Mehrfachkernfaser eingekoppelt wird, erzeugt werden, sowie auch eine zum Durchführen dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung.
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind beispielsweise aus der US 2015/0378184 A1 bekannt. In den in 11A bis 11K gezeigten Varianten werden die senkrecht und die parallel polarisierten Anteile zweier Eingangslaserstrahlen mittels eines doppelbrechenden Kristalls voneinander räumlich separiert und anschließend zu einem senkrecht polarisierten, ersten Teillaserstrahl und zu einem parallel polarisierten, zweiten Teillaserstrahl kombiniert. Diese beiden Teillaserstrahlen werden jeweils in einen inneren Faserkern und einen den inneren Kern ringförmig umgebenden, äußeren Faserkern (Ringkern) einer optischen Faser eingekoppelt und dann aus der Faser als ein Bearbeitungslaserstrahl ausgekoppelt.
Aus der WO 2011/124671 A1 ist es bekannt, bei der Materialbearbeitung mit Laserstrahlung die Strahlprofilcharakteristik zu beeinflussen. Dabei werden ein oder mehrere Eingangslaserstrahlen mittels einer Einkoppeloptik entweder in einen inneren Faserkern oder in einen den inneren Kern umgebenden Ringkern oder in sowohl den inneren Faserkern als auch in den Ringkern einer optischen Mehrfachkernfaser eingekoppelt, und am anderen Faser wird dann ein Bearbeitungslaserstrahl mit in Abhängigkeit der involvierten Faserkerne unterschiedlicher Strahlprofilcharakteristik ausgekoppelt. Die Einkoppeloptik ist beispielsweise als eine in den Strahlengang des Eingangslaserstrahls hinein bewegbare Keilplatte ausgeführt, die den Eingangslaserstrahl entweder in den inneren Kern oder in den Ringkern ablenkt. Dieses bekannte Verfahren wird vorteilhaft sowohl beim Laserschneiden als auch beim Laserschweißen eingesetzt, wie beispielsweise aus der WO 2014/060091 A1 oder der WO 2018/091417 A1 bekannt ist.
Werkstücke mit großer Dicke (> 6 mm) können mit einem Bearbeitungslaserstrahl, der hauptsächlich aus dem Ringkern der optischen Faser austritt, schneller und mit höherer Qualität geschnitten werden. Werkstücke mit geringerer Blechstärke werden dagegen mit einem Bearbeitungslaserstrahl geschnitten, der hauptsächlich aus dem inneren Faserkern der optischen Faser austritt und daher eine höhere Strahlqualität aufweist. Heute wird die Leistungsverteilung zwischen Kern- und Ringstrahlung für eine bestimmte Werkstückdicke fest vorgegeben. Durch die Leistungsaufteilung zwischen Kern- und Ringstrahlung kann abhängig von der Blechstärke ein deutlich höherer Vorschub bei verbesserter Qualität der Schnittkante erzielt werden. Beim Schneiden folierter Werkstücke kann die aus dem Ringkern austretende Laserstrahlung mit geringerer Strahlqualität genutzt werden, um die Folie abzudampfen.
Demgegenüber stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art variabler zu gestalten, so dass bei der Materialbearbeitung eine größere Vielfalt an Bearbeitungsvarianten möglich wird.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der erste und der zweite Laserstrahl einzeln oder gemeinsam als Bearbeitungslaserstrahl aus der Mehrfachkernfaser ausgekoppelt werden und dass das Verhältnis der Laserleistung zwischen dem ersten und dem zweiten Laserstrahl mit einer Modulationsfrequenz zwischen 1 Hz bis 100 kHz, vorzugsweise zwischen 100 Hz und 100 kHz, geändert wird.
Die Änderung des Verhältnisses der Laserleistung erfolgt dabei entweder durch eine Beeinflussung der Propagation des Eingangslaserstrahls oder durch eine Beeinflussung der Polarisation des Eingangslaserstrahls und anschließende Aufspaltung des Eingangslaserstrahls in Teilstrahlen unterschiedlicher Intensität.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die Laserleistung des Eingangslaserstrahls entweder vollständig (jeweils zu 100 %) schnell zwischen den verschiedenen Kernen der Mehrfachkernfaser hin und her zu schalten oder in einem bestimmten Verhältnis (z.B. mit Maximalwerten von 70 % zu 30 %) auf mindestens zwei Teillaserstrahlen aufzuteilen, die einzelnen Teillaserstrahlen in verschiedene Kerne der Mehrfachkernfaser einzukoppeln und gemeinsam als Bearbeitungslaserstrahl aus der Mehrfachkernfaser wieder auszukoppeln und die Laserleistung schnell zwischen den Maximalwerten zu modulieren. Vorzugsweise ist der erste (innere) Faserkern von dem zweiten (äußeren) Faserkern (Ringkern) ringförmig umgeben.
Durch schnelles Ändern der Leistungsverteilung zwischen den unterschiedlichen Faserkernen kann die auf das Werkstück auftreffende Leistungsverteilung optimal auf die Werkstückdicke abgestimmt werden. Dabei wird davon ausgegangen, dass aufgrund der trägen thermischen Prozesse im Werkstück die schnelle Leistungsverteilung im zeitlichen Mittel wirkt und so Leistungsverteilungen erreicht werden, die zu besonders vorteilhaften Schneid- und Schweißergebnissen führen. Bevorzugt wird die Modulationsfrequenz abhängig von der Bearbeitungsgeschwindigkeit und/oder der Werkstückdicke gewählt.
Zur Beeinflussung der Propagation des Eingangslaserstrahls wird der Eingangslaserstrahl vorzugsweise mittels eines mit der Modulationsfrequenz modulierten, akustooptischen Modulators abgelenkt und mit der Modulationsfrequenz zwischen einem nicht-abgelenkten, ersten Laserstrahl und einem abgelenkten, zweiten Laserstrahl geschaltet, wobei der nicht-abgelenkte Laserstrahl beispielsweise in den inneren Faserkern und der abgelenkte Laserstrahl in den äußeren Faserkern eingekoppelt wird.
Zur Beeinflussung der Polarisation wird der Eingangslaserstrahl vorzugsweise durch einen doppelbrechenden Kristall in einen ordentlichen und einen außerordentlichen (Teil-)Laserstrahl geteilt, deren Polarisationsrichtungen senkrecht zueinander stehen, wobei eine Aufteilung der Laserleistung mit beliebigen Werten zwischen 0% und 100% zwischen den beiden Teilstrahlen möglich und von der ursprünglichen Polarisationsrichtung des in den Kristall eintretenden Eingangslaserstrahls abhängig ist. Anschließend werden, beispielsweise mit Hilfe einer Fokussierlinse, der ordentliche Laserstrahl und der außerordentliche Laserstrahl in unterschiedliche Faserkerne eingekoppelt, z.B. der ordentliche Laserstrahl in den inneren Kern und der außerordentliche Laserstrahl in mindestens den Ringkern der optischen Faser. Auf diese Weise ist eine Modulation der Laserleistung in den unterschiedlichen Faserkernen zwischen zuvor festgelegten Maximalwerten (z.B. 70% zu 30%) möglich. Da die strahlführende optische Faser nicht polarisationserhaltend ist, geht die Polarisation der in die Faser eingekoppelten Laserstrahlen auf dem Weg zum Werkstück wieder verloren. Die Materialbearbeitung findet daher wie üblich mit einem statistisch polarisierten Strahl (engl. random polarized) statt.
Die räumliche Trennung des ordentlichen und des außerordentlichen Teilstrahls kann dabei durch die Länge des doppelbrechenden Kristalls festgelegt werden. Geeignet sind biaxiale Kristalle (LBO, BBO), bevorzugt aber uniaxiale Kristall wie Quarz, Saphir oder LiNbO₃. Die Länge des Kristalls liegt im mm- oder cm-Bereich.
Das Beeinflussen der Polarisation des Eingangslaserstrahls erfolgt besonders bevorzugt mittels eines ansteuerbaren Polarisationsmodulators. Der Polarisationsmodulator kann beispielsweise ein elektro-optischer Modulator (EOM), insbesondere eine Pockelszelle, ein Faraday-Rotator oder eine rotierbare Verzögerungsplatte sein. Der auf den Polarisationsmodulator auftreffende Eingangslaserstrahl kann linear oder elliptisch polarisiert sein. So lassen sich Laserstrahlen von Scheibenlasern mithilfe eines resonatorinternen Brewster-Fensters unkompliziert und effizient linear polarisieren, und auch linear polarisierte Laserstrahlen von Faserlasern oder nicht-polarisationsgekoppelten Diodenlasern sind bekannt.
Das Beeinflussen der Polarisation kann beispielsweise durch Drehen der Polarisationsrichtung oder -hauptachse eines linear oder elliptisch polarisierten Eingangslaserstrahls und/oder durch Wechseln zwischen linear, zirkular oder elliptisch polarisierter Polarisation erfolgen.
Vorzugsweise können die Grenzwerte für das Verhältnis, in dem die Leistung des Eingangslaserstrahls auf den ersten und den zweiten Laserstrahl aufgeteilt wird, durch die Amplitude der an einem als Polarisationsmodulator dienenden elektrooptischen Modulator angelegten Spannung festgelegt werden.
Ein schnelles Schalten (> 100 Hz) der Leistungsverteilung zwischen dem inneren Faserkern und dem Ringkern ermöglicht eine neue Herangehensweise an das Laserschneiden: Die im Ringkern geführte Laserleistung läuft dem Schneidprozess voraus (geringe Intensität bei senkrechtem Einfall), und die im inneren Kern geführte Leistung wirkt tief in den Schnittspalt (hohe Intensität bei steiler Schnittfront d.h. große Winkel). Die Modulation der Leistungsverteilung beeinflusst die Absorption der Laserleistung im Schnittspalt, so dass durch geänderte Modulationsbedingungen (z.B. Modulationsfrequenz) die Absorption gezielt beeinflusst und an die Prozessbedingungen (z.B. die Werkstückdicke, die Schneidgeschwindigkeit oder die Konturform [Ecken]) angepasst werden kann.
Die variable Leistungsverteilung zwischen dem inneren Faserkern und dem Ringkern zielt insbesondere auf die Verbesserung der Schnittqualität des Stickstoff-Schmelzschnitts ab. Durch das Umschalten bzw. die Modulation der Leistung auf dem Werkstück kann auf der Schnittkante eine minimale Rautiefe bei gleichzeitig höherem Vorschub erreicht werden. Vorteilhaft wird die Modulationsfrequenz mit zunehmendem Vorschub gesteigert. Auf diese Weise können nacharbeitsfreie Schnittkanten mit einer deutlich gesteigerten Produktivität erhalten werden.
Auch beim Laserschweißen kann das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft eingesetzt werden: Die Modulation der Laserleistung zwischen den Faserkernen und die einstellbare Leistungsverteilung führen zu einem verminderten Auftreten von Spritzern und Einschlüssen (Poren) in der Schweißnaht.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch eine Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung mittels eines Bearbeitungslaserstrahls, aufweisend

- eine optische Mehrfachkernfaser mit mindestens zwei, insbesondere unterschiedlichen Faserkernen, und
- einen doppelbrechenden Kristall, der aus einem polarisierten Eingangslaserstrahl einen ersten Laserstrahl, welcher zumindest in den ersten Faserkern einer optischen Mehrfachkernfaser eingekoppelt wird, und einen zweiten Laserstrahl, welcher zumindest in den zweiten Faserkern der Mehrfachkernfaser eingekoppelt wird, erzeugt, wobei der erste und der zweite Laserstrahl allein oder gemeinsam aus der Mehrfachkernfaser als Bearbeitungslaserstrahl ausgekoppelt werden,

Der Polarisationsmodulator kann ein elektrooptischer Modulator (EOM), insbesondere eine Pockelszelle, ein Faraday-Rotator oder eine rotierende Verzögerungsplatte, sein.
Alternativ betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung mittels eines Bearbeitungslaserstrahls, aufweisend

- eine optische Mehrfachkernfaser mit mindestens zwei, insbesondere unterschiedlichen Faserkernen und
- einem akustooptischen Modulator, der aus einem Eingangslaserstrahl einen ersten, nicht-abgelenkten Laserstrahl, welcher zumindest in den ersten Faserkern einer optischen Mehrfachkernfaser eingekoppelt wird, oder einen zweiten, abgelenkten Laserstrahl, welcher zumindest in den zweiten Faserkern der Mehrfachkernfaser eingekoppelt wird, erzeugt,

Vorzugsweise ist der erste (innere) Faserkern von dem zweiten (äußeren) Faserkern (Ringkern) ringförmig umgeben.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen entnehmbar. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:

1A, 1B schematisch zwei erfindungsgemäße Vorrichtungen zur Lasermaterialbearbeitung mit einem akustooptischen Modulator (1A) oder einem doppelbrechenden Kristall (1B) zum Ablenken oder Aufteilen eines Eingangslaserstrahls in zwei (Teil)-Laserstrahlen;
2 schematisch eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung mit einem doppelbrechenden Kristall zum Aufteilen eines linear polarisierten Eingangslaserstrahls in zwei Teilstrahlen.
3A, 3B schematisch den Strahlengang eines nicht phasenverschobenen Eingangslaserstrahls (2A) und eines um Π phasenverschobenen Eingangslaserstrahls (2B);
3C schematisch den Strahlengang eines linear polarisierten Eingangslaserstrahls, aus dem ein elliptisch polarisierter Laserstrahl erzeugt wird; und
3D schematisch den Strahlengang eines linear polarisierten Eingangslaserstrahls, aus dem ein zirkular polarisierter Laserstrahl erzeugt wird.

Die in 1A schematisch gezeigte Vorrichtung 1 dient zur Laserbearbeitung eines Werkstücks 2 mittels eines Bearbeitungslaserstrahls 3 und umfasst einen Laserstrahlerzeuger 4 zum Erzeugen eines Eingangslaserstrahls 5, einen akustooptischer Modulator 16, der den Eingangslaserstrahl 5 mittels eines moduliert ansteuerbaren Piezoaktuators 21 in seiner Propagation beeinflussen kann, sowie eine optische Faser 9 mit einem inneren Faserkern 9a und einem den inneren Faserkern 9a ringförmig umgebenden Ringkern 9b.
Bei einem akustooptischen Modulator erzeugt eine Schallwelle eine stehende Welle in einem Kristall. Diese Welle erzeugt im Kristall durch eine Brechungsindexmodulation ein Beugungsgitter, welches durch Beugung zur Ablenkung des im Kristall propagierenden Laserstrahls führt. Je nachdem, ob der Piezoaktuator 21 ein- oder ausgeschaltet ist, durchläuft der Eingangslaserstrahl 5 den akustooptischen Modulator 16 also ohne Richtungsänderung und tritt als nicht-abgelenkter Laserstrahl 8a aus dem akustooptischen Modulator 16 aus, oder der Eingangslaserstrahl 5 wird durch Beugung im akustooptischen Modulator 16 abgelenkt und tritt als abgelenkter Laserstrahl 8b aus dem akustooptischen Modulator 16 aus. Der nicht-abgelenkte Laserstrahl 8a wird beispielsweise nur in den ersten Faserkern 9a und der abgelenkte Laserstrahl 8b beispielsweise nur in den zweiten Faserkern 9b der Faser 9 eingekoppelt. Es wird dann entweder der nicht-abgelenkte Strahl 8a oder der abgelenkte Strahl 8b aus der optischen Faser 9 als ein Bearbeitungslaserstrahl 3 ausgekoppelt und mittels einer Fokussieroptik 10 auf das Werkstück 2 fokussiert. Durch eine modulierte Ansteuerung des Piezoaktuators 21 mit einer Modulationsfrequenz, die in einem Wertebereich von 1 Hz bis 100 kHz liegen kann, ist mit der Vorrichtung 1 ein schnelles Schalten der Laserleistung des Eingangslaserstrahls 5 zwischen dem ersten und dem zweiten Faserkern 9a, 9b der optischen Faser 9 möglich.
In einer alternativen Variante umfasst die Vorrichtung 1, wie in 1B gezeigt, einen Laserstrahlerzeuger 4 zum Erzeugen eines polarisierten Eingangslaserstrahls 5 mit Polarisationsrichtung bzw. elektrischem Feldvektor E, einen zum Beeinflussen der Polarisation des Eingangslaserstrahls 5 ansteuerbaren Polarisationsmodulator 6, einen doppelbrechenden Kristall 7, der den polarisierten Eingangslaserstrahl 5 in einen ordentlichen, ersten (Teil)Laserstrahl 8a und in einen außerordentlichen, zweiten (Teil)Laserstrahl 8b teilt, deren Polarisationsrichtungen bzw. elektrische Feldvektoren ${\vec{E}}_{P}, {\vec{E}}_{S}$
senkrecht zueinander stehen, sowie eine optische Faser 9 mit einem inneren Faserkern 9a und einem den inneren Faserkern 7a ringförmig umgebenden Ringkern 9b. Der erste Laserstrahl 8a wird beispielsweise nur in den ersten Faserkern 9a und der zweite Laserstrahl 8b beispielsweise nur in den zweiten Faserkern 9b eingekoppelt. Die beiden Teilstrahlen 8a, 8b werden dann aus der optischen Faser 9 gemeinsam als ein Bearbeitungslaserstrahl 3 ausgekoppelt und mittels einer Fokussieroptik 10 auf das Werkstück 2 fokussiert. Da die strahlführende optische Faser 9 nicht polarisationserhaltend ist, geht die Polarisation der in die optische Faser 9 eingekoppelten Teilstrahlen 8a, 8b auf dem Weg zum Werkstück 2 wieder verloren. Die Materialbearbeitung findet daher wie üblich mit einem statistisch polarisierten Bearbeitungslaserstrahl 3 statt. Der Polarisationsmodulator 6 wird von einem Pulsgenerator 11 mit einer Modulationsfrequenz, die in einem Wertebereich von 1 Hz bis 100 kHz liegen kann, angesteuert.
Die räumliche Trennung der beiden Teilstrahlen 8a, 8b kann dabei durch die Länge des doppelbrechenden Kristalls 7 festgelegt werden. Geeignet sind biaxiale Kristalle (LBO, BBO), bevorzugt aber uniaxiale Kristalle wie Quarz, Saphir oder LiNbO₃. Die Länge des doppelbrechenden Kristalls 7 liegt im mm- oder cm-Bereich.
Der Laserstrahlerzeuger 4 kann beispielsweise ein linear polarisierter Faserlaser, Diodenlaser oder aber ein linear polarisierter Scheibenlaser sein, bei dem mithilfe eines resonatorinternen Brewster-Fensters ein linear polarisierter Eingangsstrahl 5 ausgekoppelt wird.
Der Polarisationsmodulator 6 ist beispielsweise eine mit der Modulationsfrequenz rotierende λ/2-Platte, ein Faraday-Rotator oder ein elektrooptischer Modulator (EOM), insbesondere eine Pockelszelle.
In 2 ist eine Vorrichtung 1 gezeigt, bei der der Polarisationsmodulator durch eine mit der Frequenz f rotierende A/2-Platte 6' gebildet ist. Die λ/2-Platte 6' verzögert die elektrische Feldkomponente der Laserstrahlung, die parallel zu seiner optischen Achse polarisiert ist, um eine halbe Wellenlänge gegenüber dazu senkrecht polarisiertem Licht. Die λ/2-Platte dreht die Polarisationsrichtung des einfallenden, linear polarisierten Eingangslaserstrahls 5 um einen festen Winkel. Durch Rotation der λ/2-Platte 6' wird die Polarisationsrichtung des Eingangslaserstrahls 5 kontinuierlich rotiert, der dann am doppelbrechenden Kristall 7 in zwei mit der Frequenz f modulierte Teilstrahlen 8a, 8b aufgespaltet wird. Die Leistungsaufteilung erfolgt dabei stufenlos zwischen 0% und 100 %.
Alternativ kann als Polarisationsmodulator 6 auch ein ansteuerbarer Faraday-Rotator zur Änderung der Polarisationsrichtung des Eingangslaserstrahls 5 eingesetzt werden. Der Faraday-Rotator basiert auf dem Faraday-Effekt, bei dem ein äußeres Magnetfeld auf ein transparentes Medium einwirkt. Hat diese Medium eine von Null verschiedene Verdet-Konstante, so kommt es beim durchstrahlenden, polarisierten Laserstrahl zu einer Drehung des elektrischen Feldvektors $\vec{E} .$
Typische transparente Materialien mit hoher Verdet-Konstante sind mit Terbium dotierte Gläser oder Terbium-Gallium-Granat Kristalle.
In einer bevorzugten Variante, die in 3A-3D gezeigt ist, ist der Polarisationsmodulator 6 ein elektrooptischer Modulator. Bei einem elektrooptischen Modulator 6 kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung U der elektrische Feldvektor E des Eingangslaserstrahls 5, genauer die Phase zwischen den S- und der P-Komponenten des elektrischen Feldvektors $\vec{E}$
(zwischen den beiden orthogonalen Polarisationsrichtungen des Laserstrahls), geändert werden. Hierbei kommt es zu einer Drehung des (resultierenden) Feldvektors und/oder einer Änderung der Polarisationsart. Die Phasenänderung Δφ ist von der Amplitude der angelegten elektrischen Spannung U abhängig. Eine Pockelszelle wird durch Anlegen einer elektrischen Hochspannung doppelbrechend, und es kann über die Spannung gezielt der Brechungsindex der Pockels-Zelle und damit die Phase geändert werden. Durch Ändern der Polarisation des Eingangslaserstrahls 5 kann mit Hilfe der Pockelszelle 6 das Verhältnis, in dem die Leistung des Eingangslaserstrahls 5 auf die beiden Teillaserstrahlen 8a, 8b aufgeteilt wird, geändert werden.
Wird vom Pulsgenerator 11 keine Spannung an die Pockelszelle 6 angelegt (U=OV), so erfolgt durch die Pockelszelle 6 keine Phasenverschiebung zwischen den elektrischen Feldkomponenten (Δφ=0), d.h., die Polarisationsrichtung wird nicht gedreht oder die Polarisationsart wird nicht geändert. Der Eingangslaserstrahl 5 wird vom doppelbrechenden Kristall 7 als ordentlicher, erster Laserstrahl 8a durchgelassen (3A) und somit zu 100% in den inneren Faserkern 9a eingekoppelt.
Wird vom Pulsgenerator 11 eine bestimmte Spannung an die Pockelszelle 6 angelegt, so erfolgt durch die Pockelszelle 6 eine Phasenverschiebung von Π (Δφ=Π), d.h., der resultierende Vektor der Polarisationsrichtung des Eingangslaserstrahls 5 wird um 90° gedreht, und der Eingangslaserstrahl 5 ist nun in P-Richtung polarisiert (elektrischer Feldvektor ${\vec{E}}_{P}) .$
Der Eingangslaserstrahl 5 wird vom doppelbrechenden Kristall 7 als außerordentlicher, zweiter Laserstrahl 8b abgelenkt ( 3B) und somit zu 100% in den äußeren Faserkern 9b eingekoppelt.
Über die an die Pockelszelle 6 angelegte Spannung kann der resultierende Vektor der Polarisationsrichtung des linear polarisierten Eingangslaserstrahls 5 beliebig gedreht werden, der dann am doppelbrechenden Kristall 7 entsprechend seiner Polarisationsrichtung auf die beiden Teilstrahlen 8a, 8b geteilt wird. Über die Spannungsamplitude des Pulsgenerators 11 kann somit ein gewünschtes Verhältnis, in dem die Leistung des Eingangslaserstrahls 5 auf die beiden Teillaserstrahlen 8a, 8b aufgeteilt wird, eingestellt werden.
Mit dem als elektrooptischem Modulator ausgeführten Polarisationsmodulator 6 ist also nicht nur ein schnelles (moduliertes) Schalten der Laserleistung zwischen den unterschiedlichen Kernen einer optischen Faser 9 möglich, sondern darüber hinaus eine Variation der Leistungsaufteilung zwischen den Faserkernen.
Durch periodisches Schalten der an der Pockelszelle 6 angelegten Spannung U zwischen einem unteren und einem oberen Spannungswert (Grenzwerte) bzw. durch Modulieren der an der Pockelszelle 6 angelegten Spannung U kann der linear polarisierte Eingangslaserstrahl 5 periodisch zwischen dem inneren Faserkern 9a und dem Ringkern 9b geschaltet werden. Dies ermöglicht eine schnelle Schaltung der Strahlleistung stufenlos entweder von 0% bis 100% oder-je nach Amplitude der angelegten Spannung U - zwischen flexibel gewählten Maximalwerten der Leistungsverteilungen (z.B. zwischen 10% und 90%, 20% und 80%, 30% und 70%, 60% und 40%, 45% und 55% oder auch dazwischenliegenden Werten) mit Modulationsfrequenzen zwischen ca. 1Hz und ca. 100 kHz zwischen den Faserkernen 9a, 9b, je nach Amplitude der angelegten Spannung. Über das Tastverhältnis der an der Pockelszelle 6 angelegten Spannungsschaltpulse des Pulsgenerators 11 kann das zeitliche Verhältnis der beiden Teilstrahlen 8a, 8b eingestellt werden.
Bei einer von 0, Π und Π/2 verschiedenen Phasenverschiebung (Δφ≠0, Δφ≠Π, Δφ≠Π/2) entsteht ein elliptisch polarisierter Eingangslaserstrahl 5 (3C). Je nach Felddrehung in der Pockels-Zelle 6 wird die Leistung der im nachfolgenden doppelbrechenden Kristall 7 erzeugten Teilstrahlen 8a, 8b damit kontinuierlich variabel einstellbar. Durch die Drehung der Ellipse, aufgespannt durch die elektrischen Feldvektoren, kann in der optischen Faser 9 der Leistungsanteil zwischen innerem Kern 9a und Ringkern 9b stufenlos eingestellt werden.
Bei einer Phasenverschiebung von Π/2 (Δφ=Π/2) entsteht ein zirkular polarisierter Eingangslaserstrahl 5 (3D). Die Leistungsaufteilung auf die beiden Teilstrahlen 8a, 8b bzw. auf den inneren Kern 9a und den Ringkern 9b der optischen Faser 9 erfolgt im Verhältnis von 50% zu 50%.
Statt den ersten Teilstrahl 8a nur in den inneren Faserkern 9a und den zweiten Teilstrahl 9b nur in den Ringkern 9b einzukoppeln, können die beiden Teilstrahlen 8a, 8b auch anders auf die beiden Faserkerne 9a, 9b unterschiedlich aufgeteilt werden. So kann beispielsweise der erste Teilstrahl 8a nur in den inneren Faserkern 9a und der zweite Teilstrahl 9b in beide Faserkerne 9a, 9b eingekoppelt werden, oder umgekehrt. Oder die beiden Teilstrahlen 8a, 8b werden unterschiedlich jeweils in beide Faserkerne 9a, 9b eingekoppelt.
Statt einen inneren Faserkern 9a und einen Ringkern 9b kann die optische Faser 9 auch zwei oder mehrere parallele (gleiche oder unterschiedliche) Faserkerne aufweisen, in die beiden Teilstrahlen 8a, 8b jeweils unterschiedlich eingekoppelt werden.
Anstatt linear polarisiert kann der Eingangslaserstrahl 3 auch elliptisch polarisiert sein, wobei in diesem Fall dessen Polarisationshauptachse durch den Polarisationsmodulator 6 gedreht wird.
Ein schnelles Schalten (> 100 Hz) der Leistungsverteilung zwischen dem inneren Faserkern 9a und dem Ringkern 9b ermöglicht eine neue Herangehensweise an das Laserschneiden oder -schweißen: Die im Ringkern 9b geführte Laserleistung läuft dem Schneid- oder Schweißprozess voraus (geringe Intensität bei senkrechtem Einfall), und die im inneren Kern 9a geführte Leistung wirkt tief in den Schnittspalt bzw. das Keyhole (hohe Intensität bei steiler Schnittfront d.h. große Winkel). Die Modulation der Leistungsverteilung beeinflusst die Absorption der Laserleistung im Schnittspalt bzw. im Keyhole, so dass durch geänderte Modulationsbedingungen (z.B. Modulationsfrequenz) die Absorption der Laserleistung und die Dynamik der gebildeten Schmelze gezielt beeinflusst und an die Prozessbedingungen (z.B. die Werkstückdicke, die Bearbeitungsgeschwindigkeit oder die Konturform [Ecken]) angepasst werden können.
Beim Laserschweißen führt die Modulation der Leistungsverteilung zu einem verminderten Auftreten von Spritzern und Einschlüssen (Poren) in der Schweißnaht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2015/0378184 A1 [0002]
WO 2011/124671 A1 [0003]
WO 2014/060091 A1 [0003]
WO 2018/091417 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung mittels eines Bearbeitungslaserstrahls (3), wobei aus einem Eingangslaserstrahl (5) ein erster Laserstrahl (8a), welcher zumindest in einen ersten Faserkern (9a) einer optischen Mehrfachkernfaser (9) eingekoppelt wird, und/oder ein zweiter Laserstrahl (8b), welcher zumindest in einen zweiten Faserkern (9b) der Mehrfachkernfaser (9) eingekoppelt wird, erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Laserstrahl (8a, 8b) alleine oder gemeinsam als Bearbeitungslaserstrahl (3) aus der Mehrfachkernfaser (9) ausgekoppelt werden und dass das Verhältnis der Laserleistung zwischen dem ersten und dem zweiten Laserstrahl (8a, 8b) mit einer Modulationsfrequenz (f) zwischen 1 Hz bis 100 kHz, insbesondere zwischen 100 Hz und 100 kHz, geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangslaserstrahl mittels eines mit der Modulationsfrequenz (f) modulierten, akustooptischen Modulators (16) abgelenkt und mit der Modulationsfrequenz (f) zwischen einem nicht-abgelenkten, ersten Laserstrahl (8a) und einem abgelenkten, zweiten Laserstrahl (8b) geschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem polarisierten Eingangslaserstrahl (5) mittels eines doppelbrechenden Kristalls (7) der erste Laserstrahl (8a) und der zweite Laserstrahl (8b) mit der Modulationsfrequenz (f) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch Beeinflussen der Polarisation des Eingangslaserstrahls (5) das Verhältnis, in dem die Leistung des Eingangslaserstrahls (5) auf den ersten und den zweiten Laserstrahl (8a, 8b) aufgeteilt wird, geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Beeinflussen der Polarisation des Eingangslaserstrahls (5) mittels eines zum Ändern der Polarisation des Eingangslaserstrahls (5) ansteuerbaren Polarisationsmodulators (6; 6') erfolgt, der insbesondere als elektrooptischer Modulator, Faraday-Rotator oder rotierende A/2-Platte (6') ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Beeinflussen der Polarisation durch Drehen der Polarisationsrichtung oder -hauptachse eines linear oder elliptisch polarisierten Eingangslaserstrahls (5) und/oder durch Wechseln zwischen linear, zirkular oder elliptisch polarisierter Polarisation erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzwerte für das Verhältnis, in dem die Leistung des Eingangslaserstrahls (5) auf den ersten und den zweiten Laserstrahl (8a, 8b) aufgeteilt wird, durch die Amplitude der an einem als Polarisationsmodulator (6) dienenden elektrooptischen Modulator angelegten Spannung (U) festgelegt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Lasermaterialbearbeitung eines Werkstücks (2) die Modulationsfrequenz (f), mit der das Verhältnis der Laserleistung zwischen dem ersten und dem zweiten Laserstrahl (8a, 8b) eingestellt wird, geändert wird, insbesondere in Abhängigkeit von der Bearbeitungsgeschwindigkeit und/oder der Werkstückdicke geändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Faserkern (9a) von dem zweiten Faserkern (9b) ringförmig umgeben ist.
Vorrichtung (1) zur Lasermaterialbearbeitung mittels eines Bearbeitungslaserstrahls (3), aufweisend - eine optische Mehrfachkernfaser (9) mit mindestens zwei, insbesondere unterschiedlichen Faserkernen (9a, 9b), und - einen doppelbrechenden Kristall (7), der aus einem polarisierten Eingangslaserstrahl (5) einen ersten Laserstrahl (8a), welcher zumindest in den ersten Faserkern (9a) einer optischen Mehrfachkernfaser (9) eingekoppelt wird, und einen zweiten Laserstrahl (8b), welcher zumindest in den zweiten Faserkern (9b) der Mehrfachkernfaser (9) eingekoppelt wird, erzeugt, wobei der erste und der zweite Laserstrahl (8a, 8b) allein oder gemeinsam aus der Mehrfachkernfaser (9) als Bearbeitungslaserstrahl (3) ausgekoppelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Eingangslaserstrahls (5) vor dem doppelbrechenden Kristall (7) ein zum Ändern oder Einstellen der Polarisation des Eingangslaserstrahls (5) mit einer Modulationsfrequenz (f) zwischen 1 Hz bis 100 kHz, vorzugsweise zwischen 100 Hz und 100 kHz, ansteuerbarer Polarisationsmodulator (6; 6') angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisationsmodulator (6; 6') ein elektrooptischer Modulator, insbesondere eine Pockelszelle, ein Faraday-Rotator oder eine rotierende Verzögerungsplatte ist.
Vorrichtung (1) zur Lasermaterialbearbeitung mittels eines Bearbeitungslaserstrahls (3), aufweisend - eine optische Mehrfachkernfaser (9) mit mindestens zwei, insbesondere unterschiedlichen Faserkernen (9a, 9b), und - einen akustooptischen Modulator (16), der aus einem Eingangslaserstrahl (5) einen ersten, nicht-abgelenkten Laserstrahl (8a), welcher zumindest in den ersten Faserkern (9a) einer optischen Mehrfachkernfaser (9) eingekoppelt wird, oder einen zweiten, abgelenkten Laserstrahl (8b), welcher zumindest in den zweiten Faserkern (9b) der Mehrfachkernfaser (9) eingekoppelt wird, erzeugt, wobei der erste und der zweite Laserstrahl (8a, 8b) allein oder gemeinsam aus der Mehrfachkernfaser (9) als Bearbeitungslaserstrahl (3) ausgekoppelt werden, und wobei das Beugungsgitter des akustooptischen Modulators (16) mit einer Modulationsfrequenz (f) zwischen 1 Hz bis 100 kHz, vorzugsweise zwischen 100 Hz und 100 kHz, zwischen zwei Zuständen schaltbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Faserkern (9a) von dem zweiten Faserkern (9b) ringförmig umgeben ist.