DE102021115036A1

DE102021115036A1 - Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks und dazugehöriges Laserbearbeitungssystem

Info

Publication number: DE102021115036A1
Application number: DE102021115036.1A
Authority: DE
Inventors: Tom Walde; Rüdiger Moser; Maurizio Kempf; Christoph Kehret
Original assignee: Precitec GmbH and Co KG
Current assignee: Precitec GmbH and Co KG
Priority date: 2021-06-10
Filing date: 2021-06-10
Publication date: 2022-12-15
Also published as: CN115464257A; US20220395925A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks, das Verfahren umfassend die Schritte: Einstrahlen eines Laserstrahls auf zumindest ein Werkstück, wobei der Laserstrahl einen Kernstrahl und einen Ringstrahl umfasst, die koaxial zueinander verlaufen, wobei der Laserstrahl entlang eines vorgegebenen Bearbeitungspfads über das Werkstück bewegt wird, und Anpassen einer Laserleistung des Kernstrahls und/oder einer Laserleistung des Ringstrahls abhängig von einer Position des Laserstrahls auf dem Werkstück. Ferner ist ein dazugehöriges Laserbearbeitungssystem offenbart.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Laserbearbeitung von Werkstücken und ein Laserbearbeitungssystem zur Laserbearbeitung von Werkstücken.
Hintergrund und Stand der Technik
In einem Laserbearbeitungssystem, auch als Laserbearbeitungsanlage oder Anlage bezeichnet, wird zum Bearbeiten von Werkstücken der von einer Laserstrahlquelle oder einem Ende einer Laserleitfaser austretende Laserstrahl mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussieroptik auf die Werkstücke eingestrahlt und fokussiert. Das Laserbearbeitungssystem kann einen Laserbearbeitungskopf umfassen, in dem die Strahlführungs- und Fokussieroptik integriert sind. Für gewöhnlich wird der Laserstrahl entlang eines Bearbeitungspfads über die Oberfläche der Werkstücke bewegt. Beim Einstrahlen des Laserstrahls erhitzt sich das Material der Werkstücke durch die eingestrahlte Laserleistung so stark, dass es schmilzt und verdampft. Das Bearbeiten kann ein Fügen oder Trennen von Werkstücken umfassen, beispielsweise ein Laserschneiden oder Laserschweißen.
Beim Bearbeiten, insbesondere beim Laserschweißen, von Materialien wie Aluminium bzw. Aluminium-Legierungen, insbesondere Legierungen der 6er und 7er Reihe, oder hochfesten Stählen kommt es verstärkt zur Ausbildung von sogenannten Heißrissen. Außerdem kann die verstärkte Bildung von Spritzern beim Laserschweißen ein Problem darstellen, welches insbesondere bei Kupfer und Kupfer-Legierungen auftritt. Beide Probleme können auch kombiniert auftreten, insbesondere dann, wenn unterschiedliche Materialien gefügt werden. Die Probleme treten vor allem beim Verschweißen von Werkstücken aus Materialien mit sehr unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten auf, also beispielsweise wenn Aluminium und Kupfer verschweißt werden. Um diese Probleme zu verhindern, wurden verschiedene Lösungsansätze entwickelt.
WO 2018/011456 A1 beschreibt die Verwendung von Laserstrahlen mit einem Kernstrahl und einem dazu konzentrisch verlaufenden Ringstrahl zur Lasermaterialbearbeitung.
Das Laserschweißen von Werkstücken kann durch ein der Bewegung des Laserstrahls entlang des Bearbeitungspfads überlagertes „Wobbeln“ erfolgen, wodurch die Qualität der dabei entstehenden Schweißnaht erhöht werden kann.
Die genannten Lösungsansätze führen zwar zu einer Verbesserung der Problematik, können diese jedoch, insbesondere bei hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten und anspruchsvollen Materialkombinationen, nicht gänzlich beseitigen.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Verfahren zur Laserbearbeitung anzugeben, um Bearbeitungsfehler, insbesondere Heißrisse und Spritzer, zu verhindern und eine Bearbeitungsqualität zu erhöhen. Es ist insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Laserbearbeitung anzugeben, womit die Bearbeitungsqualität beim Bearbeiten von Werkstücken mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit erhöht werden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die Laserbearbeitung, insbesondere das Laserschweißen, mit gleichbleibender Bearbeitungsqualität bei höheren Geschwindigkeiten und anspruchsvolleren Materialkombinationen zu ermöglichen.
Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Laserbearbeitungssystem anzugeben, das zum Durchführen des Verfahrens eingerichtet ist.
Die Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks angegeben. Das Verfahren umfasst die Schritte: Einstrahlen eines Laserstrahls auf zumindest ein Werkstück, wobei der Laserstrahl einen Kernstrahl und einen Ringstrahl umfasst, die koaxial zueinander verlaufen, wobei der Laserstrahl entlang eines vorgegebenen Bearbeitungspfads über das Werkstück geführt oder bewegt wird, und Anpassen bzw. Modulieren einer Laserleistung des Kernstrahls und/oder einer Laserleistung des Ringstrahls abhängig von oder als Funktion einer (aktuellen) Position des Laserstrahls auf dem Werkstück.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Laserbearbeitungssystem angegeben, das eingerichtet ist, um das zuvor beschriebene Verfahren durchzuführen. Das Laserbearbeitungssystem zur Laserbearbeitung eines Werkstücks umfasst: einen Laserbearbeitungskopf zum Einstrahlen eines Laserstrahls mit einem Kernstrahl und einem zu dem Kernstrahl koaxial verlaufenden Ringstrahl auf zumindest ein Werkstück, und eine Steuereinheit. Die Steuereinheit ist eingerichtet, um das Verfahren zur Laserbearbeitung gemäß einer der hier beschriebenen Ausführungsformen durchzuführen.
Durch Einstrahlen des Laserstrahls auf das zumindest eine Werkstück wird ein Laserbearbeitungsprozess an dem zumindest einen Werkstück durchgeführt, indem das Material des Werkstücks durch die eingestrahlte Laserleistung in einem Wechselwirkungsbereich so stark erhitzt wird, dass es schmilzt oder sogar verdampft. Der Laserbearbeitungsprozess, auch als Laserstrahlbearbeitungsprozess bezeichnet, kann einen Laserschweißprozess und/oder einen Laserschneidprozess umfassen. Beispielsweise kann beim Laserschweißen zwischen zwei zu verschweißenden Werkstücken eine Schweißnaht gebildet werden. Beim Laserschneiden kann an einem Werkstück eine Schnittkante zum Trennen des Werkstücks gebildet werden.
Aus dem Wechselwirkungsbereich wird für gewöhnlich eine Prozessstrahlung emittiert, die Plasmastrahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich und Temperaturstrahlung im infraroten Wellenlängenbereich umfasst. Die Prozessstrahlung umfasst in der Regel auch einen beim Einstrahlen des Laserstrahls auf das zumindest eine Werkstück reflektierten Anteil des Laserstrahls, der auch als Rückreflex bezeichnet werden kann.
Durch Anpassen der Laserleistung des Kernstrahls und/oder Anpassen der Laserleistung des Ringstrahls abhängig von der Position des Laserstrahls auf dem Werkstück können Eigenschaften des Werkstücks an dieser Position bei der Durchführung des Laserbearbeitungsprozesses, insbesondere durch Regeln, berücksichtigt werden. Insbesondere kann die Laserleistung des Kernstrahls und/oder die Laserleistung des Ringstrahls basierend auf Eigenschaften des Werkstücks an dieser Position, wie etwa der Wärmeleitfähigkeit, dem Material und/oder der Dicke des Werkstücks, angepasst werden. Vorzugsweise sind die Laserleistung des Kernstrahls und/oder die Laserleistung des Ringstrahls unabhängig voneinander einstellbar bzw. anpassbar. Dadurch kann eine Bearbeitungsqualität des Laserbearbeitungsprozesses, insbesondere beim Laserschweißen von Werkstücken aus unterschiedlichem Material, mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit und/oder unterschiedlicher Dicke, verbessert werden. Beispielsweise können beim Laserschweißen von Werkstücken aus Aluminiumlegierungen der 6er oder 7er Serien oder hochfesten Stählen Heißrisse verhindert werden. Beim Laserschweißen von Werkstücken aus Kupfer oder Kupferlegierungen können Spritzer verhindert oder vermindert werden. Bei gleichbleibender Bearbeitungsqualität kann auch eine Bearbeitungsgeschwindigkeit erhöht werden.
Die genannten Aspekte können eines oder mehrere der folgenden optionalen Merkmale umfassen.
Das Bewegen oder Führen des Laserstrahls entlang des Bearbeitungspfads über das Werkstück kann durch Ablenken des Laserstrahls bezüglich des Werkstücks mittels zumindest einer Ablenkvorrichtung des Laserbearbeitungskopfes erfolgen. Der Laserbearbeitungskopf, durch den der Laserstrahl auf das Werkstück eingestrahlt wird, und das Werkstück können demnach während des Einstrahlens des Laserstrahls auf das Werkstück stationär zueinander angeordnet sein. Somit wird der Laserstrahl vorzugsweise allein durch die Ablenkvorrichtung entlang des Bearbeitungspfads abgelenkt. Die Ablenkvorrichtung kann auch als Scanvorrichtung, Scannereinheit, Scanneroptik oder Scanner bezeichnet werden. Das Laserbearbeitungssystem kann auch als Scannersystem bezeichnet werden.
Alternativ oder zusätzlich zum Ablenken des Laserstrahls bezüglich des Werkstücks kann auch der Laserbearbeitungskopf relativ zum Werkstück und/oder das Werkstück relativ zum Laserbearbeitungskopf bewegt werden. Beispielsweise kann der Laserbearbeitungskopf mittels eines Roboters des Laserbearbeitungssystems bewegt werden, an dem der Laserbearbeitungskopf befestigt ist. Das Werkstück kann mittels eines Achssystems oder eines Werkstücktisches bewegt werden.
Beispielsweise kann die Ablenkvorrichtung den Laserstrahl auslenken, wobei sich gleichzeitig oder synchron der Roboter bewegt. Dadurch kann eine Bearbeitungszeit oder Taktzeit eingespart werden. Hierbei kann die Steuereinheit des Laserbearbeitungssystems den Roboter bzw. den Werkstücktisch und die Ablenkvorrichtung steuern, um die Bewegungen des Roboters und der Ablenkvorrichtung zu koordinieren.
Die Ablenkvorrichtung kann eingerichtet sein, um den Laserstrahl um einen ersten Ablenkwinkel entlang zumindest einer ersten Achse abzulenken. Vorzugsweise ist die Ablenkvorrichtung zusätzlich eingerichtet, um den Laserstrahl um einen zweiten Ablenkwinkel entlang einer zweiten Achse abzulenken, wobei die erste und die zweite Achse zueinander in einem Winkel, beispielsweise 90 Grad, angeordnet sind. Der erste und zweite maximale Ablenkwinkel können konstruktionstechnisch vorgegeben sein. Ein Bereich auf dem zumindest einen Werkstück bzw. der Oberfläche davon, innerhalb dessen die Ablenkvorrichtung den Laserstrahl bezüglich des Werkstücks maximal ablenken kann, kann durch den maximalen ersten und den maximalen zweiten Ablenkwinkel der ersten Ablenkvorrichtung und einem Abstand des Laserbearbeitungskopfes vom Werkstück vorgegeben sein und als Scanfeld oder Bearbeitungsfeld der Ablenkvorrichtung bzw. des Laserbearbeitungskopfes bezeichnet werden. Die Position des Laserstrahls im Scanfeld kann auch als Scannerposition bezeichnet werden.
Die Ablenkvorrichtung kann als Großfeldscanner ausgebildet sein. In diesem Fall kann der maximale erste Ablenkwinkel und/oder der maximale zweite Ablenkwinkel der Ablenkvorrichtung jeweils gleich oder größer als 10 Grad sein, insbesondere 10 bis 20 Grad. Für den Fall, dass die Ablenkvorrichtung als Ablenkelemente Spiegel aufweist, entsprechen diese maximalen Ablenkwinkel maximalen Spiegelwinkeln von mindestens 5 Grad, insbesondere von 10 Grad, da der Laserstrahl um das Doppelte des Spiegelwinkels abgelenkt wird. Eine Länge und/oder eine Breite des Scanfelds kann gleich oder größer als 50 mm sein. Das Scanfeld kann beispielsweise eine Größe von mehr als 50 mm x 50 mm, insbesondere gleich wie oder größer als ca. 100 mm x 200 mm oder 250 mm x 150 mm, auf dem Werkstück aufweisen.
Die Ablenkvorrichtung kann alternativ als Kleinfeldscanner ausgebildet sein. In diesem Fall kann ein maximaler erster Ablenkwinkel und/oder ein maximaler zweiter Ablenkwinkel der Ablenkvorrichtung jeweils kleiner als 10 Grad sein, und kann vorzugweise kleiner 3 Grad, insbesondere ca. 2 Grad, sein. Eine Länge und/oder eine Breite des Scanfelds auf dem Werkstück kann kleiner als 30 mm, vorzugsweise kleiner 15 mm, beispielsweise ca. 10 mm sein.
Gemäß Ausführungsformen weist das Scanfeld eine Ellipsenform auf. In diesem Fall kann die Länge des Scanfelds die Länge der Hauptachse der Ellipse und die Breite des Scanfelds die Länge der Nebenachse der Ellipse angeben.
Um die Ablenkung des Laserstrahls zu bewirken, kann die Ablenkvorrichtung einen ersten beweglichen Spiegel und einen zweiten beweglichen Spiegel aufweisen. Der erste bewegliche Spiegel kann um eine erste Rotationsachse drehbar sein und der zweite bewegliche Spiegel kann um eine zweite Rotationsachse drehbar sein, wobei die erste Rotationsachse und die zweite Rotationsachse in einem Winkel, z.B. in einem Winkel zwischen 45° und 135°, insbesondere von ca. 75° oder von 90°, zueinanderstehen. Dazu kann der Spiegel bzw. können der erste und zweite Spiegel als Galvanometer-Spiegel, kurz Galvo-Spiegel, ausgebildet sein. Alternativ kann die Ablenkvorrichtung einen beweglichen Spiegel aufweisen, der um zumindest zwei Achsen drehbar oder schwenkbar ist. Dementsprechend kann die Ablenkvorrichtung als Galvanometer- oder Galvo-Scanner bezeichnet werden. Die Ablenkvorrichtung kann alternativ MEMS-basierte, piezoelektrische und/oder induktive Antriebe aufweisen. Alternativ kann die Ablenkvorrichtung als Prismenscanner oder Linsenscanner ausgebildet sein.
Der Laserstrahl kann als ein Ring-Mode-Laserstrahl bezeichnet werden. Der Kernstrahl kann einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls aufweisen. Der Ringstrahl kann einen im Wesentlichen ringförmigen Querschnitt in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls aufweisen. Der Ringstrahl kann in radialer Richtung vom Kernstrahl beabstandet sein oder daran angrenzen.
Das Laserbearbeitungssystem kann eine Laserquelle zum Erzeugen des Laserstrahls bzw. zum gemeinsamen Erzeugen des Kernstrahls und des Ringstrahls und eine Lichtleitfaser zum Übertragen dieser Strahlen an den Laserbearbeitungskopf umfassen. Alternativ kann die Laserquelle auch eine erste Laserquelle zum Erzeugen des Kernstrahls und eine zweite Laserquelle zum Erzeugen des Ringstrahls umfassen. Der Kernstrahl und der Ringstrahl werden in diesem Fall also in getrennten Laserquellen erzeugt, wobei der Kernstrahl und der Ringstrahl anschließend in eine gemeinsame Lichtleitfaser eingekoppelt werden können, um zusammen einen (gemeinsamen) Laserstrahl zu bilden und an den Laserbearbeitungskopf übertragen zu werden. In diesem Fall stammen die Laserleistung des Kernstrahls und die Laserleistung des Ringstrahls also aus separaten Laserquellen. Die erste und die zweite Laserquelle können in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen bzw. bei unterschiedlichen Wellenlängen emittieren. Entsprechend können der Kernstrahl und der Ringstrahl verschiedene Wellenlängen aufweisen.
Die Laserleistung des Laserstrahls kann die Summe der Laserleistung des Kernstrahls und der Laserleistung des Ringstrahls sein. Eine Laserleistung kann die Strahlungsintensität des entsprechenden Strahls bezeichnen und in W/m² angegeben sein.
Die Position des Laserstrahls auf dem Werkstück kann einem Auftreffort des Laserstrahls auf dem Werkstück beim Einstrahlen des Laserstrahls auf das Werkstück entsprechen und kann einem Mittelpunkt des Laserstrahls, insbesondere einem Mittelpunkt des Kernstrahls, entsprechen. Die Position des Laserstrahls auf dem Werkstück kann eine aktuelle Position des Laserstrahls auf dem Werkstück während des Einstrahlens des Laserstrahls auf das Werkstück sein.
Der vorgegebene Bearbeitungspfad kann einem Verlauf einer gewünschten Schweißnaht oder Schneidkante auf bzw. an dem zumindest einen Werkstück entsprechen. Beim Laserschweißen kann der Bearbeitungspfad auch als Schweißbahn bezeichnet werden. Die Position des Laserstrahls auf dem Werkstück kann einer Position auf dem Bearbeitungspfad entsprechen oder kann einer Position auf dem Bearbeitungspfad zugeordnet werden. Der Bearbeitungspfad kann linienförmig ausgebildet sein und kann einen Startpunkt und einen Endpunkt aufweisen. Der Startpunkt und der Endpunkt können gemäß Ausführungsformen zusammenfallen, also im Fall eines geschlossenen Bearbeitungspfads. Gemäß Ausführungsformen wird der Laserstrahl vom Startpunkt zum Endpunkt entlang des Bearbeitungspfads bewegt. Zwischen dem Startpunkt und dem Endpunkt kann der Laserstrahl auch zumindest einmal ausgeschaltet werden. Die Bewegung entlang des Bearbeitungspfads kann mit einer vorgegebenen Bearbeitungsgeschwindigkeit erfolgen. Ein Bearbeitungsgeschwindigkeitsvektor kann definiert sein als ein zweidimensionaler Vektor parallel zur Oberfläche des zumindest einen Werkstücks, der an jeder Position tangential zum Bearbeitungspfad verläuft und dessen Betrag der Bearbeitungsgeschwindigkeit an dieser Position entspricht. Die Bearbeitungsgeschwindigkeit kann entlang des Bearbeitungspfads konstant oder veränderlich sein.
Vorzugsweise wird die Laserleistung des Kernstrahls und/oder die Laserleistung des Ringstrahls beim Bewegen des Laserstrahls entlang des Bearbeitungspfads angepasst. Demnach kann die Laserleistung des Kernstrahls und/oder die Laserleistung des Ringstrahls in Abhängigkeit von einer Position des Laserstrahls auf dem Bearbeitungspfad angepasst werden.
Das Anpassen der Laserleistung des Kernstrahls und/oder der Laserleistung des Ringstrahls kann entlang des Bearbeitungspfads wiederholt und/oder periodisch erfolgen. Beispielsweise kann das Anpassen mindestens zwei Mal und/oder an mindestens zwei Positionen des Bearbeitungspfads, insbesondere mindestens drei Mal und/oder an mindestens drei Positionen des Bearbeitungspfads, erfolgen. Das Anpassen der Laserleistung des Kernstrahls und/oder der Laserleistung des Ringstrahls kann zwischen zwei Positionen des Bearbeitungspfads kontinuierlich bzw. stetig oder stufenweise erfolgen.
Vorzugsweise umfasst der Bearbeitungspfad einen ersten Bereich umfassend und/oder angrenzend an den Startpunkt des Bearbeitungspfads und einen zweiten Bereich umfassend und/oder angrenzend an den Endpunkt des Bearbeitungspfads und das Einstellen der Laserleistung des Kernstrahls und/oder der Laserleistung des Ringstrahls erfolgt in einem dritten Bereich des Bearbeitungspfads zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich.
Während der Bewegung des Laserstrahls entlang des Bearbeitungspfads kann der Laserstrahl vorzugweise entlang eines vorgegebenen Wobbelmusters auf dem zumindest einen Werkstück bewegt werden. Die Bewegung des Laserstrahls entlang des Bearbeitungspfads kann demnach mit einer Bewegung des Laserstrahls entlang des vorgegebenen Wobbelmusters überlagert werden. Die Bewegung des Laserstrahls entlang des Wobbelmusters kann auch als Wobbelbewegung bezeichnet werden.
Die Bewegung des Laserstrahls entlang des Wobbelmusters kann durch Ablenken des Laserstrahls entlang des Wobbelmusters durch dieselbe Ablenkvorrichtung erfolgen, die den Laserstrahl entlang des Bearbeitungspfads bewegt. Die Bewegung entlang des Bearbeitungspfads und die Bewegung entlang des Wobbelmusters können alternativ auch durch zwei verschiedene Ablenkvorrichtungen des Laserbearbeitungskopfes erfolgen. Beispielsweise kann die Bewegung entlang des Bearbeitungspfads mittels eines Großfeldscanners als erste Ablenkvorrichtung und die Bewegung entlang des Wobbelmusters durch einen Kleinfeldscanner als zweite Ablenkvorrichtung erfolgen. Auch kann die Bewegung entlang des Wobbelmusters durch den Kleinfeldscanner und die Bewegung entlang des Bearbeitungspfads durch die zuvor beschriebene Relativbewegung des Laserbearbeitungskopfes und des zumindest einen Werkstücks zueinander erfolgen.
Das Wobbelmuster, auch Wobbelfigur genannt, entspricht einem gedachten Bewegungs- oder Auslenkungspfad des Laserstrahls auf dem Werkstück ohne Bewegung des Laserstrahls entlang des Bearbeitungspfads. Die Wobbelfigur kann als stationäre Figur in einem bewegten Koordinatensystem betrachtet werden, das sich mit der vorgegebenen Bearbeitungsgeschwindigkeit entlang des Bearbeitungspfads über das Werkstück bewegt.
Ein Mittelpunkt des Wobbelmusters kann mit dem Zentrum bzw. Ursprung des bewegten Koordinatensystems zusammenfallen. Das Wobbelmuster kann eine geschlossene Form aufweisen. Mit anderen Worten, können ein Startpunkt und ein Endpunkt des Wobbelmusters in dem bewegten Koordinatensystem zusammenfallen. Das Wobbelmuster kann beispielsweise die Form einer Linie, einer liegenden Acht, eine Erdnussform oder eine Kreisform aufweisen.
Der Laserstrahl kann wiederholt entlang des Wobbelmusters bewegt werden. Demnach kann die Wobbelbewegung als eine oszillierende, bzw. wiederholte oder gleichförmige Auslenkung oder Bewegung des Laserstrahls relativ zur Bewegung entlang des Bearbeitungspfads betrachtet werden. Dadurch ergibt sich in dem bewegten Koordinatensystem und/oder einem Koordinatensystem, welches fest bezüglich des zumindest einen Werkstücks ist, eine periodische bzw. oszillierende Bewegung der Position des Laserstrahls in zumindest einer der Koordinatenachsen über die Zeit.
Die Position des Laserstrahls auf dem Werkstück kann einer Position des Laserstrahls in dem Wobbelmuster entsprechen oder zugeordnet werden. Die Laserleistung des Kernstrahls und/oder die Laserleistung des Ringstrahls kann beim Bewegen des Laserstrahls entlang des Wobbelmusters angepasst werden. Gemäß Ausführungsformen kann die Laserleistung des Kernstrahls und/oder die Laserleistung des Ringstrahls entsprechend einer Position des Laserstrahls im Wobbelmuster angepasst werden.
Das Wobbelmuster kann eine erste Position im Vorlauf auf dem Bearbeitungspfads und/oder eine zweite Position im Nachlauf auf dem Bearbeitungspfad umfassen. Die erste Position kann einem Schnittpunkt des Wobbelmusters mit dem Bearbeitungspfad entsprechen, wenn man dem Bearbeitungspfad ausgehend vom Ursprung des bewegten Koordinatensystems in Bearbeitungsrichtung folgt. Die zweite Position kann einem Schnittpunkt des Wobbelmusters mit dem Bearbeitungspfad entsprechen, wenn man dem Bearbeitungspfad ausgehend vom Ursprung des bewegten Koordinatensystems entgegen Bearbeitungsrichtung folgt. Die erste Position im Vorlauf kann in einem ersten, nicht bearbeiteten Bereich des Werkstücks liegen, d.h. der Laserstrahl wurde vorher noch nicht auf die erste Position eingestrahlt. Die zweite Position im Nachlauf kann in einem zweiten, bereits bearbeiteten Bereich des Werkstücks liegen, d.h. der Laserstrahl wurde vorher bereits auf die zweite Position eingestrahlt und das Material wurde bereits aufgeschmolzen und ist möglicherweise schon wieder abgekühlt. Beispielsweise kann beim Laserschweißen im zweiten Bereich des Werkstücks bereits die Schweißnaht ausgebildet sein. Durch das Aufschmelzen und Abkühlen hat sich das Material des Werkstücks an der zweiten Position im Nachlauf verändert. In der Regel ist die Wärmeleitfähigkeit des veränderten Materials an der zweiten Position im Nachlauf geringer als die Wärmeleitfähigkeit des Materials an der ersten Position im Vorlauf. Die Laserleistung des Kernstrahls an der ersten Position kann dementsprechend größer als die Laserleistung des Kernstrahls an der zweiten Position im Nachlauf eingestellt oder angepasst werden. Alternativ oder zusätzlich die Laserleistung des Ringstrahls an der ersten Position kann größer als die Laserleistung des Ringstrahls an der zweiten Position im Nachlauf eingestellt oder angepasst werden.
Das Wobbelmuster kann auch zumindest eine laterale Position seitlich zum Bearbeitungspfad, d.h. neben dem Bearbeitungspfad bzw. außerhalb des Bearbeitungspfads, umfassen. Die Laserleistung des Kernstrahls kann an der lateralen Position kleiner als die Laserleistung des Kernstrahls an der ersten Position im Vorlauf und/oder an der zweiten Position im Nachlauf eingestellt oder angepasst werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Laserleistung des Ringstrahls an der lateralen Position kleiner als die Laserleistung des Ringstrahls an der ersten Position im Vorlauf und/oder an der zweiten Position im Nachlauf eingestellt oder angepasst werden. Die zumindest eine laterale Position auf dem Wobbelmuster kann einem Schnittpunkt des Wobbelmusters mit einer Linie entsprechen, die senkrecht zum Bearbeitungspfad durch den Ursprung des bewegten Koordinatensystems verläuft.
Die Laserleistung des Kernstrahls und/oder die Laserleistung des Ringstrahls kann basierend auf Eigenschaften des Werkstücks an der Position des Laserstrahls eingestellt werden. Beispielsweise kann die Laserleistung basierend auf einer Wärmeleitfähigkeit, einer Dicke und/oder einem Material des Werkstücks an der Position des Laserstrahls angepasst werden, und/oder die Laserleistung kann basierend darauf angepasst werden, ob das Werkstück an der Position des Laserstrahls vor dem Einstrahlen des Laserstrahls an dieser Position bereits bearbeitet oder noch unbearbeitet war.
Die Laserleistung des Kernstrahls und/oder die Laserleistung des Ringstrahls können beispielsweise proportional zu der Dicke und/oder der Wärmeleitfähigkeit des Werkstücks an der Position eingestellt werden. Mit anderen Worten kann die Laserleistung des Kernstrahls und/oder die Laserleistung des Ringstrahls mit zunehmender Dicke und/oder zunehmender Wärmeleitfähigkeit des Werkstücks größer eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Differenz zwischen der relativen Laserleistung des Ringstrahls und der relativen Laserleistung des Kernstrahls umgekehrt proportional zu der Dicke und/oder der Wärmeleitfähigkeit des Werkstücks eingestellt werden. Mit anderen Worten kann die Differenz zwischen der relativen Laserleistung des Ringstrahls und der relativen Laserleistung des Kernstrahls mit zunehmender Dicke und/oder zunehmender Wärmeleitfähigkeit des Werkstücks kleiner eingestellt werden. Die relative Laserleistung des Kernstrahls bzw. des Ringstrahls kann als (aktuell) eingestellte Laserleistung bezogen auf die maximale bzw. maximal mögliche Laserleistung definiert sein und beispielsweise in Prozent von der maximalen Laserleistung angegeben werden.
Die Wärmeleitfähigkeit an der Position kann eine spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials des Werkstücks an der Position des Laserstrahls oder eine absolute Wärmeleitfähigkeit des Werkstücks an der Position des Laserstrahls sein. Die absolute Wärmeleitfähigkeit kann beispielsweise vom Material des Werkstücks an der Position, insbesondere dessen spezifischen Wärmeleitfähigkeit und der Geometrie des Werkstücks an der Position, beispielsweise der Dicke, abhängen. Die Dicke des Werkstücks kann entlang einer Achse angegeben oder definiert sein, die parallel zu einer Ausbreitungs- oder Einstrahlrichtung des Laserstrahls auf das Werkstück verläuft. Alternativ kann die Dicke des Werkstücks entlang einer Senkrechten zur Werkstückoberfläche an diesem Punkt angegeben oder definiert sein.
Wenn der vorgegebene Bearbeitungspfad entlang einer Stoßkante von zwei zu bearbeitenden Werkstücken, insbesondere zwei zu verschweißenden Werkstücken, verläuft, kann die Laserleistung des Kernstrahls und/oder die Laserleistung des Ringstrahls proportional zu einer Dicke von zumindest einem der Werkstücke entlang des Bearbeitungspfads eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Differenz zwischen der Laserleistung des Ringstrahls und der Laserleistung des Kernstrahls proportional zu einer Dicke zumindest eines der Werkstücke entlang des Bearbeitungspfads eingestellt werden.
Die Laserleistung des Kernstrahls und die Laserleistung des Ringstrahls können unabhängig voneinander einstellbar oder anpassbar sein. Die Laserleistung des Kernstrahls und die Laserleistung des Ringstrahls werden vorzugsweise unabhängig voneinander, insbesondere zeitlich unabhängig voneinander, angepasst oder eingestellt. Die Laserleistung des Kernstrahls und/oder die Laserleistung des Ringstrahls können insbesondere während des Einstrahlens des Laserstrahls auf das zumindest eine Werkstück angepasst oder eingestellt werden. Dadurch müssen die Laserleistung des Kernstrahls und die Laserleistung des Ringstrahls nicht vorab fest eingestellt werden. Dies ermöglicht auch eine Steuerung der Regelung der Laserleistung des Kernstrahls und der Laserleistung des Ringstrahls während der Durchführung des Laserbearbeitungsprozesses.
Gemäß Ausführungsformen kann ein Quotient aus der Laserleistung des Kernstrahls und der Laserleistung des Ringstrahls während der Bewegung des Laserstrahls entlang des Bearbeitungspfads und/oder entlang des Wobbelmusters konstant sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine Summe aus der Laserleistung des Kernstrahls und der Laserleistung des Ringstrahls während der Bewegung des Laserstrahls entlang des Bearbeitungspfads und/oder entlang des Wobbelmusters konstant sein.
Der Laserbearbeitungskopf umfasst vorzugweise eine Kollimationsoptik zum Einstellen der Fokuslage des Laserstrahls. Die Kollimationsoptik kann entlang einer optischen Achse der Kollimationsoptik und/oder entlang einer Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls verstellbar sein, um die Fokuslage des Laserstrahls einzustellen. Die Steuereinheit kann die Kollimationsoptik zum Einstellen der Fokuslage des Laserstrahls steuern oder beispielsweise auf Basis eines Abstandsignals regeln. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, basierend auf Abstandsmessungen, insbesondere kontinuierlichen Abstandsmessungen, eine Fokuslage (vorzugsweise in Echtzeit) zu regeln.
Der Laserbearbeitungskopf umfasst ferner vorzugsweise eine Fokussieroptik zur Fokussierung des Laserstrahls. Die Fokussieroptik kann insbesondere eingerichtet sein, um den Laserstrahl auf das Werkstück, insbesondere auf eine Oberfläche des zumindest einen Werkstücks, zu fokussieren. Die Fokussieroptik kann ein F-Theta-Objektiv umfassen oder als solches ausgebildet sein. Das F-Theta-Objektiv kann telezentrisch ausgebildet sein.
Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, um das Laserbearbeitungssystem oder Elemente davon, insbesondere den Laserbearbeitungskopf, die Ablenkvorrichtung, die Fokussieroptik, die Kollimationsoptik und die Laserquelle zu steuern, um das Verfahren zur Laserbearbeitung und den Laserbearbeitungsprozess durchzuführen. Die Steuereinheit kann insbesondere eingerichtet sein, um durch Steuern der zumindest einen Laserquelle die Laserleistung des Kernstrahls und/oder die Laserleistung des Ringstrahls anzupassen oder einzustellen. Die Steuereinheit kann ferner eingerichtet sein, um durch Steuern der zumindest einen Ablenkvorrichtung und ggf. des Roboters, des Achsensystems und des Werkzeugtisches den Laserstrahl entlang des Bearbeitungspfads und/oder entlang des Wobbelmusters bzw. innerhalb des Scanfelds zu bewegen.
Die Ansteuerung der Laserquelle zum Anpassen der Laserleistung des Kernstrahls und des Ringstrahls, die Ansteuerung der ersten Laserquelle zum Anpassen der Laserleistung des Kernstrahls bzw. die Ansteuerung der zweiten Laserquelle zum Anpassen der Laserleistung des Ringstrahls kann jeweils über eine analoge Schnittstelle, beispielsweise durch Einstellen von Strom und/oder Spannung, oder über eine digitale Schnittstelle erfolgen.
Das Laserbearbeitungssystem, insbesondere die Steuereinheit des Laserbearbeitungssystems, kann zum Durchführen des Verfahrens zur Laserbearbeitung, insbesondere zum Durchführen des Laserbearbeitungsprozesses und zum Anpassen der Laserleistung des Ringstrahls und/oder der Laserleistung des Kernstrahls, programmiert werden. Die Anpassung der Laserleistung des Kernstrahls und/oder des Ringstrahls kann auch als Leistungsmodulation des Kernstrahls bzw. des Ringstrahls bezeichnet werden. Die Programmierung der Leistungsmodulation kann über eine graphische Benutzeroberfläche erfolgen.
Insbesondere können der Bearbeitungspfad und/oder das Wobbelmuster in der Steuereinheit hinterlegt sein oder die Steuereinheit kann mit dem Bearbeitungspfad und/oder dem Wobbelmuster programmiert werden. Die Programmierung des Bearbeitungspfads und/oder die Programmierung des Wobbelmusters können über eine graphische Benutzeroberfläche des Laserbearbeitungssystems bzw. der Steuereinheit erfolgen.
Auch kann die Laserleistung des Kernstrahls und/oder die Laserleistung des Ringstrahls in Abhängigkeit von oder als Funktion einer Position des Laserstrahls auf dem zumindest einen Werkstück, der Position des Laserstrahls auf dem Bearbeitungspfad und/oder der Position des Laserstrahls auf dem Wobbelmuster in der Steuereinheit hinterlegt sein, bzw. die Steuereinheit kann damit programmiert sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Laserleistung des Kernstrahls und/oder die Laserleistung des Ringstrahls in Abhängigkeit von oder als Funktion von Eigenschaften des Werkstücks entlang des Bearbeitungspfads und/oder des Wobbelmusters in der Steuereinheit hinterlegt sein, bzw. die Steuereinheit kann damit programmiert sein. Beispielsweise kann ein trainiertes neuronales Netz, eine analytische Funktion oder eine Tabelle in der Steuereinheit hinterlegt sein.
Das zumindest eine Werkstück kann ein metallisches Werkstück sein. Das zumindest eine Werkstück kann aus Kupfer, Aluminium, Stahl oder einer Legierung mit diesen Materialien bestehen oder diese umfassen. Das zumindest eine Werkstück kann insbesondere aus einem hochfesten Stahl bestehen. Alternativ kann das Werkstück aus einer Aluminium-Legierung der 6er oder 7er Serie bestehen.
Gemäß Ausführungsformen können beim Laserschweißen zumindest zwei Werkstücke im Parallelstoß oder Überlappstoß angeordnet sein und die zumindest zwei Werkstücke können durch Ausbilden einer I-Naht oder Kehlnaht miteinander verschweißt werden. Gemäß anderen Ausführungsformen können beim Laserschweißen zumindest zwei Werkstücke im Stumpfstoß angeordnet sein und die zumindest zwei Werkstücke können durch Ausbilden einer I-Naht miteinander verbunden werden. Die vorliegende Offenbarung ist hierauf aber nicht beschränkt.
Beim Laserschweißen kann das zumindest eine Werkstück ein erstes Werkstück und ein zweites Werkstück aufweisen. Das erste Werkstück kann beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen und das zweite Werkstück kann aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen. Das erste Werkstück und das zweite Werkstück können im Stumpfstoß angeordnet sein und der Bearbeitungspfad kann an einer Stoßkante des ersten Werkstücks und des zweiten Werkstücks angeordnet sein. Vorzugsweise kann die Bewegung entlang des Bearbeitungspfads mit einer Bewegung entlang des Wobbelmusters überlagert sein. Eine erste laterale Position des Wobbelmusters kann sich auf dem ersten Werkstück befinden und eine zweite laterale Position kann sich auf dem zweiten Werkstück befinden. Die Laserleistung des Kernstrahls kann an der ersten lateralen Position kleiner eingestellt sein als an der zweiten Position, und/oder die Laserleistung des Ringstrahls kann an der ersten lateralen Position kleiner eingestellt sein als an der zweiten Position.
Beim Laserschweißen kann das zumindest eine Werkstück ein erstes Werkstück und ein zweites Werkstück aufweisen. Das erste Werkstück kann eine erste Dicke aufweisen und das zweite Werkstück kann eine zweite Dicke aufweisen, wobei die erste Dicke kleiner ist als die zweite Dicke. Das erste Werkstück und das zweite Werkstück können im Stumpfstoß angeordnet sein und der Bearbeitungspfad kann an einer Stoßkante des ersten Werkstücks und des zweiten Werkstücks angeordnet sein. Vorzugsweise kann die Bewegung entlang des Bearbeitungspfads mit einer Bewegung entlang des Wobbelmusters überlagert sein. Eine erste laterale Position des Wobbelmusters kann sich auf dem ersten Werkstück befinden und eine zweite laterale Position kann sich auf dem zweiten Werkstück befinden. Die Laserleistung des Kernstrahls kann an der ersten lateralen Position kleiner eingestellt sein als an der zweiten Position und/oder die Laserleistung des Ringstrahls kann an der ersten lateralen Position kleiner eingestellt sein als an der zweiten Position.
Das Verfahren zur Laserbearbeitung kann ferner Erfassen von Überwachungsparametern zum Überwachen des Laserbearbeitungsprozesses umfassen. Die Laserleistung des Kernstrahls und/oder die Laserleistung des Ringstrahls kann in Abhängigkeit von den erfassten Überwachungsparametern angepasst werden. Die Überwachungsparameter können beispielsweise Intensitäten von Prozessstrahlung in verschiedenen Wellenlängenbereichen, o.ä. umfassen. Dazu kann das Laserbearbeitungssystem ein Photodioden-Überwachungssystem aufweisen. Das Photodioden-Überwachungssystem kann beispielsweise mittels Photodioden die Prozessstrahlung des Laserbearbeitungsprozesses in verschiedenen Wellenlängenbereichen bzw. bei verschiedenen Wellenlängen erfassen und auswerten. Ferner kann das Laserbearbeitungssystem ein Kamera-Überwachungssystem aufweisen. Beispielsweise kann das Kamera-Überwachungssystem während des Laserbearbeitungsprozesses Fotos von einer Werkstückoberfläche mit dem Wechselwirkungsbereich des Laserbearbeitungsprozesses aufnehmen und auswerten. Mithilfe des Kamera-Überwachungssystems kann die Position des Laserstrahls auf dem zumindest einen Werkstück erfasst und überwacht werden. Ferner kann das Laserbearbeitungssystem ein OCT („Optical Coherence Tomography“, optische Kohärenztomographie)-Überwachungssystem aufweisen. Mittels des OCT-Systems kann beispielsweise ein Abstand des Laserbearbeitungskopfes zu dem zumindest einen Werkstück erfasst und überwacht werden. Mithilfe dieser Überwachungssysteme kann eine Qualität des Laserbearbeitungsprozesses überwacht werden.
Das Verfahren kann ferner das Sammeln und Abspeichern der während des Laserbearbeitungsprozesses eingestellten Laserleistungen des Laserstrahls und/oder des Kernstrahls und/oder des Ringstrahls, und/oder der vom Laserstrahl auf dem Werkstück eingenommenen Positionen, und/oder von Einstellungen der Ablenkvorrichtung(en) und/oder der Ergebnisse einer Qualitätsüberwachung durch das zuvor beschriebene Überwachungssystem durch eine zentrale Einheit, beispielsweise die Steuereinheit, umfassen. Das Verfahren kann ferner das Korrelieren der während des Laserbearbeitungsprozesses eingestellten Laserleistungen des Laserstrahls und/oder des Kernstrahls und/oder des Ringstrahls, und/oder der vom Laserstrahl auf dem Werkstück eingenommenen Positionen, und/oder von Einstellungen der Ablenkvorrichtung(en) mit den Ergebnissen der Qualitätsüberwachung mit Hilfe neuronaler Netze umfassen.
Figurenliste
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren im Detail beschrieben.

1 zeigt eine schematische Ansicht eines Laserbearbeitungssystems gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Laserbearbeitung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
3 zeigt eine Draufsicht auf Werkstücke zum Veranschaulichen eines Verfahrens zur Laserbearbeitung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung
4A zeigt eine schematische perspektive Ansicht und 4B zeigt eine Draufsicht auf Werkstücke zum Veranschaulichen eines Verfahrens gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
5 zeigt eine Draufsicht auf ein Werkstück zum Veranschaulichen eines Bearbeitungspfads und eines Wobbelmusters eines Verfahrens zur Laserbearbeitung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
6A-6D zeigen Draufsichten auf ein Werkstück zum Veranschaulichen eines Verfahrens zur Laserbearbeitung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Elemente und eine doppelte Beschreibung dieser Elemente ist weggelassen.
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Laserbearbeitungssystems gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Das Laserbearbeitungssystem 10 umfasst einen Laserbearbeitungskopf 12 zum Einstrahlen und Richten eines Laserstrahls 14 auf zumindest ein Werkstück 16a, 16b. Wie mit Bezug auf die nachfolgenden Figuren im Detail erläutert ist, umfasst der Laserstrahl 14 zumindest nach dem Austritt aus dem Laserbearbeitungskopf 12 und beim Auftreffen auf das zumindest eine Werkstück 16a, 16b einen Kernstrahl 14a und einen zu dem Kernstrahl koaxial verlaufenden Ringstrahl 14b, die auf das Werkstück 16a, 16b gerichtet werden.
Durch Einstrahlen des Laserstrahls 14 auf das zumindest eine Werkstück 16a, 16b wird ein Laserbearbeitungsprozess an dem zumindest einen Werkstück 16a, 16b durchgeführt, indem das Material des Werkstücks durch die eingestrahlte Laserleistung in einem Wechselwirkungsbereich so stark erhitzt wird, dass es schmilzt oder sogar verdampft. Der Laserbearbeitungsprozess kann einen Laserschweißprozess und/oder Laserschneidprozess umfassen. Aus dem Wechselwirkungsbereich wird für gewöhnlich eine Prozessstrahlung (nicht gezeigt) emittiert, die Plasmastrahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich und Temperaturstrahlung im infraroten Wellenlängenbereich umfasst. Die Prozessstrahlung umfasst in der Regel auch einen beim Einstrahlen des Laserstrahls 14 auf das zumindest eine Werkstück 16a, 16b reflektierten Anteil des Laserstrahls 14, der auch als Rückreflex bezeichnet werden kann.
Das zumindest eine Werkstück 16a, 16b ist gemäß Ausführungsformen ein metallisches Werkstück. Das zumindest eine Werkstück 16a, 16b kann beispielsweise aus Kupfer, Aluminium, Stahl oder einer Legierung mit diesen Materialien bestehen oder diese umfassen. Das zumindest eine Werkstück 16a, 16b kann beispielsweise einen hochfesten Stahl oder eine Aluminium-Legierung der 6er oder 7er Serie umfassen.
Der Auftreffort 36 des Laserstrahls 14 auf dem Werkstück 16a, 16b kann auch als Position des Laserstrahls 14 auf dem Werkstück 16a, 16b bezeichnet werden und kann einem Mittelpunkt des Laserstrahls 14, insbesondere einem Mittelpunkt des Kernstrahls 14a entsprechen. Die Position des Laserstrahls 14 kann in einem zweidimensionalen, kartesischen x-y-Koordinatensystem angegebenen werden, das parallel zu einer Oberfläche des zumindest einen Werkstücks 16a, 16b ist und bezüglich des zumindest einen Werkstücks 16a, 16b ruhend oder stationär ist.
Beim Einstrahlen des Laserstrahls 14 wird der Laserstrahl 14 entlang eines für diesen Laserschweißprozess vorgegebenen Bearbeitungspfads 18 bewegt. Der Bearbeitungspfad 18 ist auf dem zumindest einen Werkstück 16a, 16b angeordnet oder bezüglich des zumindest einen Werkstücks 16a, 16b definiert. Beispielsweise ist der Bearbeitungspfad 18 in dem x-y-Koordinatensystem definiert. Gemäß Ausführungsformen ist der Bearbeitungspfad 18 auf zwei oder an einer Grenze oder Stoßkante zwischen zwei Werkstücken 16a, 16b angeordnet.
Wie beispielhaft in 1 gezeigt, ist das Laserbearbeitungssystem 10 eingerichtet, um ein Laserschweißen oder einen Laserschweißprozess zum Verschweißen von zwei Werkstücken 16a, 16b durchzuführen. Die vorliegende Offenbarung ist aber nicht hierauf beschränkt. Das Laserbearbeitungssystem 10 kann auch ein Laserschneidsystem sein, um einen Laserschneidprozess an mindestens einem Werkstück durchzuführen. Die zwei Werkstücke 16a, 16b sind als Bleche ausgebildet und im Überlappstoß angeordnet und das Einstrahlen des Laserstrahls 14 erfolgt auf das oben liegende Werkstück 16a, das auch als Oberblech bezeichnet werden kann. Der vorgegebene Bearbeitungspfad 18 gibt in dieser Ausführungsform den Verlauf einer gewünschten, durch das abgekühlte Material der Werkstücke 16a, 16b gebildeten Schweißnaht zum Verbinden der Werkstücke 16a, 16b an. Beim in 1 gezeigten Beispiel soll eine I-Naht an den Werkstücken 16a, 16b ausgebildet werden.
Um die Position des Laserstrahls 14 auf dem zumindest einen Werkstück 16a, 16b zu verändern, und um insbesondere den Laserstrahl 14 entlang des Bearbeitungspfades 18 zu führen, umfasst das Laserbearbeitungssystem 10 eine Ablenkvorrichtung 20 zum Ablenken oder Auslenken des Laserstrahls 14 bezüglich des oder relativ zu dem zumindest einen Werkstück 16a, 16b. Die Ablenkvorrichtung 20 ist beispielsweise eingerichtet, um den Laserstrahl 14 entlang der Achsen des x-y-Koordinatensystems zu bewegen bzw. abzulenken. Die Ablenkvorrichtung 20 kann auch als Scannereinheit oder Scanner bezeichnet werden. Mithilfe der Ablenkvorrichtung 20 kann der vorgegebene Bearbeitungspfad 18 durch den Laserstrahl 14 abgefahren werden.
Der Laserbearbeitungskopf 12, durch den der Laserstrahl 14 auf die Werkstücke 16a, 16b eingestrahlt wird, und die Werkstücke 16a, 16b können demnach während des Einstrahlens des Laserstrahls 14 stationär zueinander angeordnet sein. In diesem Fall wird der Laserstrahl 14 allein durch die Ablenkvorrichtung 20 entlang des Bearbeitungspfads 18 abgelenkt. Alternativ oder zusätzlich zum Ablenken des Laserstrahls 14 bezüglich der Werkstücke 16a, 16b kann auch der Laserbearbeitungskopf 12 relativ zum Werkstück 16a, 16b und/oder das Werkstück 16a, 16b relativ zum Laserbearbeitungskopf 12 bewegt werden, um die Bewegung des Laserstrahls 14 entlang des Bearbeitungspfads 18 zu bewirken. Beispielsweise kann der Laserbearbeitungskopf 12 mittels eines Roboters (nicht gezeigt) des Laserbearbeitungssystems 10 bewegt werden, an dem der Laserbearbeitungskopf 12 befestigt ist. Die Werkstücke 16a, 16b können mittels eines Achssystems oder eines Werkstücktisches (nicht gezeigt) bewegt werden.
Um die Ablenkung des Laserstrahls 14 zu bewirken, umfasst die Ablenkvorrichtung 20 einen ersten beweglichen Spiegel 22a und einen zweiten beweglichen Spiegel 22b. Der erste bewegliche Spiegel 22a kann um eine erste Rotationsachse drehbar sein und der zweite bewegliche Spiegel 22b kann um eine zweite Rotationsachse drehbar sein, wobei die erste Rotationsachse und die zweite Rotationsachse in einem Winkel, z.B. in einem Winkel zwischen 45° und 135°, insbesondere von ca. 75° oder von 90°, zueinanderstehen. Dazu kann zumindest einer der ersten und zweiten Spiegel 22a, 22b als Galvanometer-Spiegel, kurz Galvo-Spiegel, ausgebildet sein. Alternativ kann die Ablenkvorrichtung 20 einen beweglichen Spiegel aufweisen, der um zumindest zwei Achsen drehbar oder schwenkbar ist. Dementsprechend kann die Ablenkvorrichtung als Galvanometer- oder Galvo-Scanner bezeichnet werden.
Die Ablenkvorrichtung 20 weist einen maximalen ersten Ablenkwinkel, um den der Laserstrahl 14 entlang einer ersten Achse, beispielsweise der x-Achse, abgelenkt werden kann, und einen maximalen zweiten Ablenkwinkel auf, um den der Laserstrahl 14 entlang einer zweiten Achse, beispielsweise der y-Achse, abgelenkt werden kann. Der erste und der zweite maximale Ablenkwinkel können konstruktionstechnisch vorgegeben sein. Alternativ kann ein als Fokussieroptik 30 eingesetztes F-Theta-Objektiv die maximalen Ablenkwinkel begrenzen. Ein Bereich auf dem zumindest einen Werkstück 16a, 16b bzw. der Oberfläche davon, innerhalb dessen die Ablenkvorrichtung 20 den Laserstrahl bezüglich des Werkstücks 16a, 16b maximal ablenken kann, kann durch den maximalen ersten und den maximalen zweiten Ablenkwinkel der Ablenkvorrichtung 20 und einem Abstand des Laserbearbeitungskopfes 12 vom Werkstück 16a, 16b vorgegeben sein und als Scanfeld der Ablenkvorrichtung 20 bezeichnet werden.
Gemäß Ausführungsformen ist die Ablenkvorrichtung 20 als Großfeldscanner ausgebildet. In diesem Fall kann der maximale erste Ablenkwinkel und/oder der maximale zweite Ablenkwinkel der Ablenkvorrichtung 20 jeweils gleich oder größer als 10 Grad sein, insbesondere 10 bis 20 Grad. Für die in 1 gezeigte Ausführungsform, entsprechen diese maximalen Ablenkwinkel maximalen Spiegelwinkeln von mindestens 5 Grad, insbesondere von 10 Grad, da der Laserstrahl 14 aufgrund des Reflexionsgesetztes um das Doppelte des Spiegelwinkels abgelenkt wird. Die Ablenkvorrichtung 20 kann alternativ als Kleinfeldscanner ausgebildet sein. In diesem Fall kann ein maximaler erster Ablenkwinkel und/oder ein maximaler zweiter Ablenkwinkel der Ablenkvorrichtung jeweils kleiner als 10 Grad sein, und können vorzugweise kleiner 3 Grad, insbesondere ca. 2 Grad, sein. In diesem Fall wird vorzugsweise, wie vorstehend beschrieben, zur Bewegung des Laserstrahls 14 entlang des Bearbeitungspfads 18 sowohl der Laserstrahl 14 durch die Ablenkvorrichtung 20 abgelenkt als auch der Laserbearbeitungskopf 12 und die Werkstücke 16a, 16b relativ zueinander bewegt.
Gemäß nicht gezeigter, alternativer Ausführungsformen kann die Ablenkvorrichtung 20 eine erste Ablenkvorrichtung, die als Großfeldscanner ausgebildet ist, und eine zweite Ablenkvorrichtung umfassen, die als Kleinfeldscanner ausgebildet ist. Die erste Ablenkvorrichtung kann wie vorstehend beschrieben vorzugsweise zur Bewegung entlang des Bearbeitungspfads 18 verwendet werden und die zweite Ablenkvorrichtung kann für eine nachfolgend im Detail beschriebene Wobbelbewegung des Laserstrahls 14 verwendet werden.
Das Laserschweißsystem 10 kann an eine Laserquelle 24 zum Erzeugen des Laserstrahls 14, auch als Bearbeitungslaserstrahl bezeichnet, aufweisen. Die Laserquelle 24 kann als Diodenlaser, Festkörperlaser oder Faserlaser ausgebildet sein, die vorliegende Offenbarung ist hierauf aber nicht beschränkt. Das Laserschweißsystem 10 kann ferner eine Lichtleitfaser 26 aufweisen, um den Laserstrahl 14 mit dem Kernstrahl 14a und dem Ringstrahl 14b von der Laserquelle 24 zum Laserschweißkopf 12 zu übertragen und in den Laserbearbeitungskopf 12 einzukoppeln. Dazu wird der Laserstrahl 14 von einem Ende der Lichtleitfaser 26, z.B. mittels eines Faserkopplers 27, in den Laserschweißkopf 12 eingekoppelt. Zum Übertragen des Kernstrahls 14a und des Ringstrahls 14b kann die Lichtleitfaser 26 einen Kern und einen Mantel aufweisen.
Der Laserstrahl 14 weist den Kernstrahl 14a und den Ringstrahl 14b auf. Der Laserstrahl 14 kann demnach ein Ring-Mode-Laserstrahl sein. Der Kernstrahl 14a kann einen in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Der Ringstrahl 14b kann einen in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung im Wesentlichen ringförmigen Querschnitt aufweisen. Der Ringstrahl 14b kann in radialer Richtung vom Kernstrahl 14a beabstandet sein oder an den Kernstrahl 14a angrenzen. Zumindest aber sind in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung zwei voneinander abgrenzbare Intensitätsmaxima vorhanden, und zwar ein kreisförmiges Intensitätsmaximum des Kernstrahls im Zentrum und ein ringförmiges Intensitätsmaximum des Ringstrahls, das konzentrisch dazu angeordnet ist.
Die Laserquelle 24 ist gemäß Ausführungsformen eingerichtet, sowohl den Kernstrahl als auch den Ringstrahl zu erzeugen und die Lichtleitfaser 26 ist eingerichtet, um den Kernstrahl und den Ringstrahl an den Laserbearbeitungskopf 12 zu übertragen.
Gemäß alternativer Ausführungsformen umfasst die Laserquelle 24 eine erste Laserquelle zum Erzeugen des Kernstrahls 14a und eine zweite Laserquelle zum Erzeugen eines Ringstrahls 14b (beide nicht gezeigt). Der Kernstrahl und der Ringstrahl werden in diesem Fall also in verschiedenen Laserquellen erzeugt, wobei der Kernstrahl 14a und der Ringstrahl 14b anschließend in der Laserquelle 24 in eine gemeinsame Lichtleitfaser eingekoppelt werden, wo sie zusammen den (gemeinsamen) Laserstrahl 14 bilden. Anschließend werden der Kernstrahl 14a und der Ringstrahl 14b von der Lichtleitfaser 26 an den Laserbearbeitungskopf 12 übertragen. In diesem Fall stammen also die Laserleistung des Kernstrahls 14a und die Laserleistung des Ringstrahls 14b aus separaten Laserquellen. Die erste und zweite Laserquelle können in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen bzw. bei unterschiedlichen Wellenlängen emittieren. Entsprechend können der Kernstrahl 14a und der Ringstrahl 14b verschiedene Wellenlängen aufweisen.
Alternativ kann die Laserquelle 24 auch einen herkömmlichen, einfachen Laserstrahl erzeugen und der Laserstrahl kann mittels der Lichtleitfaser 26 an den Laserbearbeitungskopf 12 übertragen werden. In diesem Fall kann die Aufteilung des Laserstrahls 14 in einen Kernstrahl und einen Ringstrahl durch eine entsprechende Optik (nicht gezeigt) im Laserbearbeitungskopf 12 erfolgen.
Eine im Anschluss an den Faserkoppler 27 angeordnete Kollimationsoptik 28 ist eingerichtet, um den aus dem Ende der Lichtleitfaser 26 divergent austretenden Laserstrahl 14 zu kollimieren. Mithilfe der Kollimationsoptik 28 kann die Fokuslage des Laserstrahls 14 eingestellt oder korrigiert werden. Die Achse, entlang der eine Fokuslage des Laserstrahls 14 einstellbar ist, kann einer optischen Achse des Laserschweißkopfes 12, insbesondere einer optischen Achse einer Fokussieroptik 30 entsprechen. Diese Achse kann auch als z-Achse bezeichnet werden. Die z-Achse kann beispielsweise senkrecht zu den Achsen des x-y-Koordinatensystems stehen. Demnach kann die Kollimatoroptik 28 als z-Kollimatoroptik oder kurz z-Kollimation bezeichnet werden. Das Einstellen der Fokuslage kann durch Verstellen einer Linse der Kollimatoroptik 28 entlang der optischen Achse der Kollimatoroptik 28 bzw. einer Strahlachse des Laserstrahls 14 erfolgen. Die Kollimatoroptik 28 kann eine Motoreinheit (nicht gezeigt) zur Verstellung der Linse aufweisen.
Zusätzlich kann der Laserbearbeitungskopf 12 eine Blende in Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls 14 hinter dem Ende der Lichtleitfaser 26, beispielsweise im oder hinter dem Faserkoppler 27, aufweisen. Mithilfe der Blende können unerwünschte Moden des Laserstrahls 14, insbesondere des Ringstrahls 14b ausgeblendet bzw. unterdrückt werden, da der Ringstrahl 14b nach dem Austritt aus dem Ende der Lichtleitfaser 26 stark divergent sein kann.
Der Laserbearbeitungskopf 12 weist ferner eine Einkoppelvorrichtung 32 zum Einkoppeln des Laserstrahls 14 in die Ablenkvorrichtung 20 auf. Die Einkoppelvorrichtung 32 ist beispielsweise als Strahlteiler oder dichroitischer Spiegel ausgebildet, der Licht mit der Wellenlänge des Laserstrahls 14 im Wesentlichen reflektiert und Licht mit einer anderen Wellenlänge als die des Laserstrahls 14 im Wesentlichen passieren lässt, d.h. der Spiegel ist für Licht mit einer anderen Wellenlänge als die des Laserstrahls 14 im Wesentlichen transparent. Mithilfe der Einkoppelvorrichtung 32 lässt sich Prozessstrahlung, die beim Einstrahlen des Laserstrahls 14 auf die Werkstücke 16a, 16b entsteht und in den Laserbearbeitungskopf 12 eingekoppelt wird, vom Laserstrahl 14 trennen und aus dem Laserbearbeitungskopf 12 auskoppeln, um für eine Überwachung des Laserbearbeitungsprozesses zur Verfügung zu stehen.
Ferner umfasst der Laserschweißkopf 12 eine Fokussieroptik 30 zum Fokussieren des Laserstrahls 14 auf das zumindest eine Werkstück 16a, 16b, insbesondere auf eine Oberfläche des zumindest einen Werkstücks 16a, 16b. Die Fokussieroptik 30 ist gemäß Ausführungsformen als F-Theta-Objektiv ausgebildet. Das F-Theta-Objektiv kann telezentrisch ausgebildet sein.
Das Laserbearbeitungssystem 10 kann verschiedene Überwachungssysteme (nicht gezeigt) zum Überwachen des Laserbearbeitungsprozesses umfassen. Die Überwachung kann auf der durch die Einkoppelvorrichtung 32 aus dem Laserbearbeitungskopf 12 ausgekoppelten Prozessstrahlung basieren. Beispielsweise kann das Laserbearbeitungssystem 10 ein Photodioden-Überwachungssystem aufweisen. Das Photodioden-Überwachungssystem kann mittels Photodioden die Prozessstrahlung des Laserbearbeitungsprozesses in verschiedenen Wellenlängenbereichen bzw. bei verschiedenen Wellenlängen erfassen und auswerten. Damit können beispielsweise die Plasmastrahlung, die Temperaturstrahlung und der Rückreflex erfasst und ausgewertet werden. Ferner kann das Laserbearbeitungssystem 10 ein Kamera-Überwachungssystem aufweisen. Das Kamera-Überwachungssystem kann während des Laserbearbeitungsprozesses Fotos von einer Werkstückoberfläche mit dem Wechselwirkungsbereich aufnehmen und auswerten. Damit kann die Position des Laserstrahls 14 auf dem Werkstück 16a, 16b erfasst und überwacht werden. Ferner kann das Laserbearbeitungssystem 10 ein OCT („Optical Coherence Tomography“, optische Kohärenztomographie)-Überwachungssystem aufweisen. Mittels des OCT-Systems kann beispielsweise ein Abstand des Laserbearbeitungskopfes 12 zu dem zumindest einen Werkstück 16a, 16b erfasst und überwacht werden. Bei einem Laserschweißprozess kann auch die Tiefe einer Dampfkapillare erfasst und überwacht werden.
Das Laserbearbeitungssystem 10 weist ferner eine Steuereinheit 34 zum Steuern der Komponenten des Laserbearbeitungssystems 10 auf, um den zuvor beschriebenen Laserbearbeitungsprozess und das Verfahren zur Laserbearbeitung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung durchzuführen. Die Steuereinheit 34 ist eingerichtet, um die Laserquelle 24, die Kollimationsoptik 28 und die Ablenkvorrichtung 20 zu steuern. Insbesondere ist die Steuereinheit 34 eingerichtet, die Kollimationsoptik 28 zu steuern, um eine Fokuslage des Laserstrahls 14 einzustellen. Ferner ist die Steuereinheit 34 eingerichtet, die Ablenkvorrichtung 20 zu steuern, um den Laserstrahl 14 bezüglich des Werkstücks 16a, 16b abzulenken und entlang des Bearbeitungspfads 18 und des später beschriebenen Wobbelmusters zu führen und die Steuereinheit 34 ist eingerichtet, um die Laserquelle 24 zu steuern, um die Laserleistung des Laserstrahls 14, die Laserleistung des Ringstrahls 14a und/oder die Laserleistung des Kernstrahls 14b einzustellen und anzupassen. Die Steuereinheit 34 kann ferner eingerichtet sein, den Roboter, das Achssystem und/oder den Werkzeugtisch zu steuern, um den Laserstrahl 14 entlang des Bearbeitungspfads 18 und des Wobbelmusters zu führen.
Die Steuereinheit 34 ist also eingerichtet, um einerseits die Position des Laserstrahls 14 auf dem Werkstück 16a, 16b bzw. im Scanfeld zu steuern und um gleichzeitig Leistungsvorgaben für den Kernstrahl 14a und den Ringstrahl 14b an die Laserquelle 24, insbesondere eine Steuereinheit (nicht gezeigt) der Laserquelle 24 zu übertragen.
Die Steuereinheit 34 kann zum Durchführen des Verfahrens zur Laserbearbeitung, insbesondere zum Durchführen des Laserbearbeitungsprozesses und zum Anpassen der Laserleistung des Ringstrahls 14b und/oder der Laserleistung des Kernstrahls 12a programmiert sein oder programmierbar sein. Beispielsweise kann der vorgegebene Bearbeitungspfad 18 und ein vorgegebenes Wobbelmuster in der Steuereinheit 34 hinterlegt werden oder die Steuereinheit 34 kann damit programmierbar sein. Zudem kann die Steuereinheit 34 zur Anpassung der Laserleistung des Laserstrahls 14, Laserleistung des Kernstrahls 14a und/oder der Laserleistung des Ringstrahls 14b, zusammengefasst auch Leistungsmodulation bezeichnet, programmiert werden.
Beispielsweise kann die Laserleistung des Laserstrahls 14, die Laserleistung des Kernstrahls 14a und/oder die Laserleistung des Ringstrahls 14b in Abhängigkeit von oder als Funktion einer Position des Laserstrahls 14 auf dem zumindest einen Werkstück 16a, 16b, der Position des Laserstrahls 14 auf dem Bearbeitungspfad 18 und/oder der Position des Laserstrahls 14 auf dem Wobbelmuster 19 vorgegeben sein und in der Steuereinheit 34 hinterlegt sein, bzw. die Steuereinheit 34 kann damit programmiert sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Laserleistung des Laserstrahls 14, die Laserleistung des Kernstrahls 14a und/oder die Laserleistung des Ringstrahls 14b als Funktion von Eigenschaften des Werkstücks 16a, 16b entlang des Bearbeitungspfads 18 und/oder des Wobbelmusters 19 in der Steuereinheit 34 hinterlegt sein, bzw. die Steuereinheit 34 kann damit programmiert sein. Beispielsweise kann eine analytische Funktion oder eine Tabelle in der Steuereinheit 34 hinterlegt sein.
Somit ist das Laserbearbeitungssystem 10 von 1 eingerichtet, um das Verfahren zur Laserbearbeitung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung durchzuführen.
Die Steuereinheit 34 kann ferner eingerichtet sein, um Überwachungsdaten von den zuvor beschriebenen Überwachungssystemen zu empfangen und darauf basierend den Laserbearbeitungsprozess und/oder die Leistungsmodulation zu regeln.
2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Laserbearbeitung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Das Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks kann mittels des in 1 beschriebenen Laserbearbeitungssystems 10 durchgeführt werden und umfasst folgende Schritte.
Um einen Laserbearbeitungsprozess durchzuführen, wird ein Laserstrahl auf zumindest ein Werkstück eingestrahlt. Der Laserstrahl umfasst einen Kernstrahl und einen Ringstrahl, die koaxial zueinander verlaufen. Dabei wird der Laserstrahl entlang eines vorgegebenen Bearbeitungspfads über das Werkstück geführt (S 1). Beim Einstrahlen des Laserstrahls auf das zumindest eine Werkstück wird eine Laserleistung des Laserstrahls, eine Laserleistung des Kernstrahls und/oder einer Laserleistung des Ringstrahls in Abhängigkeit von oder als Funktion von einer Position des Laserstrahls auf dem zumindest einen Werkstück bzw. von einer Position des Laserstrahls im Scanfeld angepasst oder eingestellt (S2). Insbesondere können die Laserleistung des Laserstrahls, die Laserleistung des Kernstrahls und/oder die Laserleistung des Ringstrahls in Abhängigkeit von oder als Funktion von einer Position des Laserstrahls auf dem Bearbeitungspfad und/oder einer Position des Laserstrahls auf einem Wobbelmuster angepasst werden.
Die Laserleistung des Laserstrahls, die Laserleistung des Kernstrahls und/oder die Laserleistung des Ringstrahls wird gemäß Ausführungsformen basierend auf Eigenschaften des Werkstücks an der Position des Laserstrahls auf dem Werkstück eingestellt. Beispielsweise kann die Laserleistung basierend auf einer Wärmeleitfähigkeit, einer Dicke und/oder einem Material des Werkstücks an der Position des Laserstrahls angepasst werden, und/oder die Laserleistung kann basierend darauf angepasst werden, ob das Werkstück an der aktuellen Position des Laserstrahls vor dem Einstrahlen des Laserstrahls bereits bearbeitet oder noch unbearbeitet war.
Die Wärmeleitfähigkeit an der Position kann eine spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials des Werkstücks an der Position oder eine absolute Wärmeleitfähigkeit des Werkstücks an der Position sein. Die absolute Wärmeleitfähigkeit kann beispielsweise vom Material des Werkstücks an der Position und der Geometrie des Werkstücks an der Position, beispielsweise der Dicke, und der spezifischen Wärmeleitfähigkeit abhängen. Die Dicke des Werkstücks kann entlang einer Achse angegeben oder gemessen werden, die parallel zu einer Ausbreitungs- oder Einstrahlrichtung des Laserstrahls auf dem Werkstück verläuft.
Die Laserleistung des Kernstrahls und die Laserleistung des Ringstrahls können unabhängig voneinander einstellbar oder anpassbar sein. Die Laserleistung des Kernstrahls und die Laserleistung des Ringstrahls werden gemäß Ausführungsformen vorzugsweise unabhängig voneinander, insbesondere zeitlich unabhängig voneinander, angepasst oder eingestellt. Die Laserleistungen können alternativ oder zusätzlich auch gleichzeitig angepasst und/oder um denselben prozentualen Betrag angepasst werden.
Das Anpassen der Laserleistung des Kernstrahls und/oder der Laserleistung des Ringstrahls können zwischen zwei Positionen des Laserstrahls auf dem Werkstück kontinuierlich, insbesondere stetig, oder stufenweise erfolgen.
3 zeigt eine Draufsicht auf Werkstücke zum Veranschaulichen eines Verfahrens zur Laserbearbeitung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung und 4A zeigt eine schematische perspektive Ansicht und 4B zeigt eine Draufsicht auf Werkstücke zum Veranschaulichen eines Verfahrens gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
3 zeigen eine Draufsicht auf das oben liegende Werkstück 16a der im Überlappstoß angeordneten Werkstücke 16a, 16b der 1. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Werkstücke 16a, 16b im Stumpfstoß angeordnet sind. In beiden Ausführungsformen sollen die Werkstücke 16a, 16b durch eine Schweißnaht, die entlang des vorgegebenen Bearbeitungspfads 18 verlaufen soll, miteinander verschweißt werden. Der vorgegebene Bearbeitungspfad 18 gibt also den Verlauf einer gewünschten Schweißnaht an. In 3 soll die Schweißnaht an einer Oberfläche des Werkstücks 16a verlaufen. In 4A, 4B soll die auszubildende Schweißnaht an der Stoßkante der Werkstücke 16a, 16b verlaufen.
In 4A, 4B weist das Werkstück 16b Bereiche oder Abschnitte mit unterschiedlichen Dicken auf. Die Bereiche 17a des Werkstücks 16b weisen eine geringere Dicke auf als die Bereiche 17b. Das Werkstück 16a weist eine im Wesentlichen gleichbleibende Dicke auf. Die Dicke des Werkstücks 16a kann beispielsweise der Dicke der Bereiche 17a des Werkstücks 16b entsprechen.
Beim Einstrahlen des Laserstrahls 14 auf das Werkstück 16a zum Durchführen des Laserbearbeitungsprozesses und zum Ausbilden der Schweißnaht wird der Laserstrahl 14 entlang des vorgegebenen Bearbeitungspfads 18 von einem Startpunkt 18a zu einem Endpunkt 18b des Bearbeitungspfads 18 geführt. Der Bearbeitungspfad 18 ist für gewöhnlich linienförmig.
Die Position des Laserstrahls 14 auf dem Werkstück 16a kann einer Position auf dem Bearbeitungspfads 18 entsprechen oder kann einer Position auf dem Bearbeitungspfad 18 zugeordnet werden. Die Bewegung des Laserstrahls 14 entlang des Bearbeitungspfads 18 erfolgt mit einer vorgegebenen Bearbeitungsgeschwindigkeit, die entlang des Bearbeitungspfads 18 konstant oder variabel sein kann. Ein Bearbeitungsgeschwindigkeitsvektor 38 kann definiert sein als ein zweidimensionaler Vektor parallel zur Oberfläche des Werkstücks 16a, bzw. in dem zu dem Werkstück 16a stationären x-y-Koordinatensystem, der an jeder Position des Laserstrahls 14 tangential zum Bearbeitungspfad 18 verläuft und dessen Betrag der Bearbeitungsgeschwindigkeit an dieser Position entspricht. Die Orientierung des Bearbeitungsgeschwindigkeitsvektors 38 kann auch als Bearbeitungsrichtung bezeichnet werden. Bei einem Laserschweißprozess kann die Bearbeitungsrichtung auch als Schweißrichtung bezeichnet werden und der Bearbeitungspfad 18 kann als Schweißbahn bezeichnet werden.
Gemäß der in 3 und 4A und 4B gezeigten Ausführungsformen wird die Laserleistung des Kernstrahls und/oder die Laserleistung des Ringstrahls beim Bewegen des Laserstrahls 14 entlang des Bearbeitungspfads 18 angepasst. Demnach wird die Laserleistung des Kernstrahls und/oder die Laserleistung des Ringstrahls in Abhängigkeit von einer Position des Laserstrahls 14 auf dem Bearbeitungspfad 18 angepasst. Die Laserleistungen können basierend auf den mit Bezug auf 2 genannten Eigenschaften der Werkstücke 16a, 16b an der Position des Laserstrahls 14 angepasst werden, insbesondere der Dicke, der Wärmeleitfähigkeit und/oder des Materials der Werkstücke 16a, 16b.
Das Anpassen der Laserleistung des Kernstrahls und/oder der Laserleistung des Ringstrahls kann zwischen zwei Positionen des Bearbeitungspfads 18 kontinuierlich oder stufenweise erfolgen. Das Anpassen der Laserleistung des Kernstrahls und/oder der Laserleistung des Ringstrahls entlang des Bearbeitungspfads 18 kann wiederholt und/oder periodisch erfolgen. Beispielsweise kann das Anpassen jeweils mindestens drei Mal oder an drei verschiedenen Positionen auf dem Bearbeitungspfad 18 erfolgen. Die Leistungsangaben in dieser Offenbarung beziehen sich auf die jeweilige Maximalleistung von Ringstrahl bzw. Kernstrahl. Vorzugsweise wird bei einer größeren Material- bzw. Werkstückdicke eine höhere Laserleistung für Kernstrahl und/oder Ringstrahl eingestellt. Das Verhältnis der Laserleistungen zwischen Kernstrahl und Ringstrahl kann vorzugsweise je nach Anwendung verändert bzw. angepasst werden, d.h. es kann eine unabhängige Modulation von Kernstrahl- und Ringstrahllaserleistung vorgenommen werden.
Beispielsweise wird in 4A und 4B die Laserleistung des Kernstrahls und/oder die Laserleistung des Ringstrahls proportional zu einer Dicke von zumindest einem der Werkstücke 16a, 16b entlang des Bearbeitungspfads 18 eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Differenz oder Unterschied zwischen der Laserleistung des Ringstrahls und der Laserleistung des Kernstrahls proportional zu einer Dicke zumindest eines der Werkstücke 16a, 16b entlang des Bearbeitungspfads 18 eingestellt werden.
Beispielsweise wird an den Positionen 18c auf dem Bearbeitungspfad 18 die Laserleistung des Kernstrahls auf 30 % bezogen auf eine maximale Laserleistung des Kernstrahls und die Laserleistung des Ringstrahls auf 30 % bezogen auf eine maximale Laserleistung des Ringstrahls eingestellt. An den Positionen 18d auf dem Bearbeitungspfad 18 wird die Laserleistung des Kernstrahls auf 40 % bezogen auf eine maximale Laserleistung des Kernstrahls und die Laserleistung des Ringstrahls auf 50 % bezogen auf eine maximale Laserleistung des Ringstrahls eingestellt. Die eingestellte Laserleistung des Kernstrahls bezogen auf die maximale Laserleistung des Kernstrahls kann auch als relative Laserleistung des Kernstrahls bezeichnet werden. Entsprechendes gilt für den Ringstrahl.
Demnach ist die Differenz zwischen der relativen Laserleistung des Kernstrahls und der relativen Leistung des Ringstrahls an den Positionen 18c Null und die Differenz ist an den Positionen 18d ungleich bzw. größer Null, beispielsweise 10 %. Dabei grenzen die Positionen 18c auf dem Bearbeitungspfad 18 an die Bereiche 17a des Werkstücks 16b an, die dieselbe Dicke wie das Werkstück 16a aufweisen. Die Positionen 18d grenzen an die Bereiche 17b des Werkstücks 16b an, die gegenüber den Bereiche 17a die erhöhte Dicke aufweisen. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Positionen 18c, 18d entlang des Bearbeitungspfads können, wie zuvor beschrieben, die Laserleistungen des Kernstrahls und des Ringstrahls kontinuierlich oder stufenweise angepasst oder verändert werden.
Während der Bewegung des Laserstrahls entlang eines Bearbeitungspfads kann der Laserstrahl zusätzlich entlang eines vorgegebenen Wobbelmusters auf dem zumindest einen Werkstück bewegt werden. 5 zeigt eine Draufsicht auf ein Werkstück zum Veranschaulichen eines Bearbeitungspfads und eines Wobbelmusters eines Verfahrens zur Laserbearbeitung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Die Bewegung des Laserstrahls 14 entlang des Bearbeitungspfads 18 ist mit einer Bewegung des Laserstrahls 14 entlang des vorgegebenen Wobbelmusters 19 überlagert. Die Bewegung des Laserstrahls 14 entlang des Wobbelmusters 19 kann auch als Wobbelbewegung bezeichnet werden. Das Wobbelmuster entspricht einem gedachten Bewegungs- oder Auslenkungspfad des Laserstrahls 14 auf dem Werkstück 16a, 16b ohne Bewegung des Laserstrahls 14 entlang des Bearbeitungspfads 18.
Die Bewegung des Laserstrahls 14 entlang des Wobbelmusters 19 kann durch Ablenken des Laserstrahls 14 entlang des Wobbelmusters 19 durch die Ablenkvorrichtung 20 von 1, die auch zum Bewegen des Laserstrahls 14 entlang des Bearbeitungspfads 18 verwendet wird, erfolgen. Auch kann die Bewegung entlang des Wobbelmusters 19 durch die Ablenkvorrichtung 20 und die Bewegung entlang des Bearbeitungspfads 18 durch die zuvor beschriebene Relativbewegung des Laserbearbeitungskopfes 12 und des zumindest einen Werkstücks 16a, 16b zueinander erfolgen.
Alternativ kann die Ablenkvorrichtung 20 eine erste Ablenkvorrichtung zur Bewegung entlang des Bearbeitungspfads 18 und eine zweite Ablenkvorrichtung zur Bewegung entlang des Wobbelmusters 19 umfassen. Die erste Ablenkvorrichtung kann beispielsweise als Großfeldscanner ausgebildet sein und die zweite Ablenkvorrichtung kann als Kleinfeldscanner ausgebildet sein. Auch kann die Bewegung entlang des Wobbelmusters 19 durch die zweite Ablenkvorrichtung und die Bewegung entlang des Bearbeitungspfads 18 durch eine Kombination der zuvor beschriebenen Relativbewegung des Laserbearbeitungskopfes 12 und des zumindest einen Werkstücks 16a, 16b zueinander und der Ablenkung durch die erste Ablenkvorrichtung erfolgen.
Die Wobbelbewegung und das Wobbelmuster sind mit Bezug auf 5 veranschaulicht. Angenommen, der Laserstrahl 14 wird mit einer vorgegebenen Bearbeitungsgeschwindigkeit, die durch den Bearbeitungsgeschwindigkeitsvektor 38 repräsentiert ist, entlang des Bearbeitungspfads 18 aber ohne Wobbelbewegung entlang des Wobbelmusters 19 auf dem Werkstück 16a bewegt, so kann dieser Bewegung des Laserstrahls 14 zu jedem Zeitpunkt eine Position 40 auf dem Bearbeitungspfad 18 zugeordnet werden. Diese Position auf dem Bearbeitungspfad 18 kann auch als (theoretischer) Bearbeitungspunkt 40 bezeichnet werden. Dieser Bearbeitungspunkt 40 bewegt sich also mit der Bearbeitungsgeschwindigkeit entlang des Bearbeitungspfads 18 und kann als Ursprung eines zweidimensionalen kartesischen Koordinatensystems x'-y' parallel zur Oberfläche des Werkstücks 16a verwendet werden, wobei eine x'-Achse dieses Koordinatensystems parallel zum Bearbeitungsgeschwindigkeitsvektor 38 verläuft und eine y'-Achse senkrecht dazu verläuft. Die Wobbelfigur 19 kann dann als stationäre Figur in diesem Koordinatensystem betrachtet werden. Das x`-y`-Koordinatensystem bewegt sich also mit der Bearbeitungsgeschwindigkeit und dem Bearbeitungsgeschwindigkeitsvektor 38 entlang des Bearbeitungspfads 18 über das Werkstück 16a.
Das in 5 gezeigte Wobbelmuster ist kreisförmig, wobei der Mittelpunkt des Kreises mit dem Ursprung des x`-y`-Koordinatensystems zusammenfällt. Damit fallen ein Start- und ein Endpunkt des Wobbelmusters 19 zusammen. Die vorliegende Offenbarung ist hierauf aber nicht beschränkt. Das Wobbelmuster 19 kann auch asymmetrisch zur x`- und/oder y'-Achse angeordnet sein und/oder ein Mittelpunkt des Wobbelmusters 19 kann vom Ursprung des Koordinatensystems beabstandet sein.
Gemäß alternativer Ausführungsformen kann das Wobbelmuster 19 als Linie ausgebildet sein, die entlang der y'-Achse, und damit quer zum Bearbeitungspfad 18, oder entlang der x'-Achse, und damit entlang des Bearbeitungspfads 18 bzw. parallel zum Bearbeitungsgeschwindigkeitsvektor 38 ausgebildet ist. Das Wobbelmuster 19 kann auch die Form einer liegenden Acht oder eine Erdnussform aufweisen.
Gemäß der in 5 gezeigten Ausführungsform wird der Laserstrahl 14 während der Bewegung entlang des Bearbeitungspfads 18 wiederholt entlang des Wobbelmusters 19 bewegt. Mit anderen Worten umkreist der Laserstrahl den Bearbeitungspunkt 40. Dadurch ergibt sich im x'-y'-Koordinatensystem bzw. im x-y-Koordinatensystem eine periodische bzw. oszillierende Bewegung der Position des Laserstrahls 14 in zumindest einer der entsprechenden Koordinatenachsen x, y bzw. x', y' über der Zeit. Demnach kann die Wobbelbewegung als eine oszillierende Auslenkung oder Bewegung des Laserstrahls 14 relativ zur bzw. überlagert zur Bewegung entlang des Bearbeitungspfads 18 betrachtet werden. Die Bewegung entlang des Wobbelmusters 19 erfolgt für gewöhnlich mit einer deutlich höheren Geschwindigkeit als die Bewegung entlang des Bearbeitungspfads 18, sodass sich eine hochfrequente oszillierende Bewegung des Laserstrahls 14 ergibt, die mit der Bewegung entlang des Bearbeitungspfads 18 überlagert ist.
Die Position des Laserstrahls 14 auf dem Werkstück 16a kann einer Position des Laserstrahls 14 in dem Wobbelmuster 19 entsprechen oder zugeordnet werden. Gemäß der in 5 gezeigten Ausführungsform wird die Laserleistung des Kernstrahls und/oder die Laserleistung des Ringstrahls beim Bewegen des Laserstrahls 14 entlang des Wobbelmusters 19 angepasst. Demnach wird die Laserleistung des Kernstrahls und/oder die Laserleistung des Ringstrahls in Abhängigkeit von einer Position des Laserstrahls 14 auf dem Wobbelmuster 19 angepasst. Die Laserleistungen können basierend auf den mit Bezug auf 2 genannten Eigenschaften des Werkstücks 16a an der Position des Laserstrahls 14 angepasst werden, insbesondere der Dicke, der Wärmeleitfähigkeit und/oder des Materials des Werkstücks 16a. Die Anpassung kann alternativ oder zusätzlich zur Anpassung beim Bewegen des Laserstrahls 14 entlang des Bearbeitungspfads 18 erfolgen.
6A-6D zeigen Draufsichten auf Werkstücke zum Veranschaulichen eines Verfahrens zur Laserbearbeitung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
6A-6D zeigt eine Ausführungsform, bei der die Werkstücke 16a, 16b im Stumpfstoß angeordnet sind und durch eine Schweißnaht an der Stoßkante der Werkstücke 16a, 16b verschweißt werden sollen, sodass der vorgegebene Bearbeitungspfad 18 ebenfalls entlang der Stoßkante der Werkstücke 16a, 16b verläuft. Der Laserstrahl 14 wird also sowohl auf das Werkstück 16a als auf das Werkstück 16b eingestrahlt.
In 6A-6D ist ferner schematisch die bereits teilweise ausgebildete Schweißnaht 42 dargestellt. Die Bewegung des Laserstrahls entlang des Bearbeitungspfads 18 wird mit einer Wobbelbewegung entlang des kreisförmigen Wobbelmusters 19 überlagert. Das Wobbelmuster 19 umfasst vier Positionen 19a, 19c, 19b und 19d, die in dieser Reihenfolge vom Laserstrahl 14 durchlaufen werden.
Das Werkstück 16a ist dabei dicker, beispielsweise ungefähr 50 % dicker, als das Werkstück 16b, d.h. Werkstück 16a weist eine Dicke von 150% der Dicke von Werkstück 16b auf.
Gemäß der in 6A-6D gezeigten Ausführungsform wird die Laserleistung des Kernstrahls und/oder die Laserleistung des Ringstrahls beim Bewegen des Laserstrahls 14 entlang des Wobbelmusters 19 angepasst. Demnach wird die Laserleistung des Kernstrahls und/oder die Laserleistung des Ringstrahls in Abhängigkeit von einer Position des Laserstrahls 14 auf dem Wobbelmuster 19 angepasst. Die Laserleistungen können basierend auf den mit Bezug auf 2 genannten Eigenschaften des Werkstücks 16a an der Position des Laserstrahls 14 angepasst werden, insbesondere der Dicke, der Wärmeleitfähigkeit und/oder des Materials der Werkstücke 16a, 16b. Die Anpassung kann alternativ oder zusätzlich zur Anpassung beim Bewegen des Laserstrahls 14 entlang des Bearbeitungspfads 18 erfolgen.
In 6A befindet sich der Laserstrahl 14 an einer ersten Position 19a des Wobbelmusters 19 im Vorlauf auf dem Bearbeitungspfad 18. Die erste Position 19a entspricht einem Schnittpunkt des Wobbelmusters 19 mit dem Bearbeitungspfad 18, wenn man dem Bearbeitungspfad 18 ausgehend vom Bearbeitungspunkt 40 in Bearbeitungsrichtung folgt. Die erste Position 19a ist in einem Bereich der Werkstücke 16a, 16b angeordnet, der zuvor noch nicht bearbeitet wurde, auf den also zuvor der Laserstrahl 14 noch nicht eingestrahlt wurde.
In 6B befindet sich der Laserstrahl 14 an einer zweiten Position 19b des Wobbelmusters 19 im Nachlauf auf dem Bearbeitungspfad 18. Die zweite Position 19b entspricht einem Schnittpunkt des Wobbelmusters 19 mit dem Bearbeitungspfad 18, wenn man dem Bearbeitungspfad 18 ausgehend vom Bearbeitungspunkt 40 entgegen der Bearbeitungsrichtung folgt. Die zweite Position 19b ist in einem Bereich der Werkstücke 16a, 16b angeordnet, der zuvor bereits bearbeitet wurde, auf den also zuvor der Laserstrahl 14 bereits eingestrahlt wurde. Dabei wurde das Material der Werkstücke 16a, 16b aufgeschmolzen und beim Abkühlen wieder erstarrt, wodurch sich die Schweißnaht 42 gebildet hat. Das Material in diesem Bereich hat sich in der Regel verändert, insbesondere kann die Wärmeleitfähigkeit des veränderten Materials an der zweiten Position 19b im Nachlauf kleiner sein als die Wärmeleitfähigkeit an der ersten Position 19a im Vorlauf. Der Laserstrahl 14 wird durch Bewegen entlang des Wobbelmusters 19 erneut über die Schweißnaht 42 geführt.
Gemäß Ausführungsformen wird die Laserleistung des Kernstrahls an der ersten Position 19a im Vorlauf größer als die Laserleistung des Kernstrahls an der zweiten Position 19b im Nachlauf eingestellt. Beispielsweise wird die Laserleistung des Kernstrahls an der ersten Position 19a im Vorlauf auf 100 % bezogen auf die maximale Laserleistung des Kernstrahls eingestellt, und an der zweiten Position 19b im Nachlauf gleich oder weniger als 50%, beispielsweise 30 % bezogen auf die maximale Laserleistung des Kernstrahls eingestellt. Die Laserleistung des Ringstrahls an der ersten Position 19a im Vorlauf wird beispielsweise auf 100 % bezogen auf die maximale Laserleistung des Ringstrahls eingestellt, und an der zweiten Position 19b im Nachlauf auf gleich oder weniger als 50%, beispielsweise 30 %, bezogen auf die maximale Laserleistung des Ringstrahls eingestellt.
Das Wobbelmuster 19 kann auch zumindest eine laterale Position seitlich zum Bearbeitungspfad 19 umfassen. Wie in 6C und 6D gezeigt umfasst das Wobbelmuster 19 eine erste laterale Position 19c auf einer linken Seite des Bearbeitungspfads 18 mit Bezug auf die Bearbeitungsrichtung 38, und eine zweite laterale Position 19d auf einer rechten Seite des Bearbeitungspfads 18 mit Bezug auf die Bearbeitungsrichtung 38. Hierbei ist die erste laterale Position 19c auf dem dünneren Werkstück 16b und die zweite laterale Position 19d auf dem dickeren Werkstück 16a angeordnet. Die lateralen Positionen 19c, 19d sind also beabstandet vom Bearbeitungspfad 18 angeordnet. Wie in 6C und 6D gezeigt entsprechen die lateralen Positionen 19c, 19d auf dem Wobbelmuster 19 einem Schnittpunkt des Wobbelmusters 19 mit der Koordinatenachse y', d.h. mit einer Linie, die senkrecht zum Bearbeitungspfad 18 durch den Bearbeitungspunkt 40 verläuft.
Gemäß Ausführungsformen wird die Laserleistung des Kernstrahls an den lateralen Positionen 19c, 19d kleiner als die Laserleistung des Kernstrahls an der ersten Position 19a im Vorlauf und/oder an der zweiten Position 19b im Nachlauf eingestellt. Entsprechend wird die Laserleistung des Ringstrahls an den lateralen Positionen 19c, 19d kleiner als die Laserleistung des Ringstrahls an der ersten Position 19a im Vorlauf und/oder an der zweiten Position 19b im Nachlauf eingestellt.
Die Laserleistung des Kernstrahls und die Laserleistung des Ringstrahls werden gemäß Ausführungsformen abhängig von einer Dicke der Werkstücke 16a, 16b an der Position des Laserstrahls 14 eingestellt. Die Dicke hat Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit des Werkstücks 16a, 16b an der Position des Laserstrahls 14. Die Laserleistung des Kernstrahls und/oder die Laserleistung des Ringstrahls können beispielsweise jeweils proportional zu der Dicke der Werkstücks 16a, 16b an der Position des Laserstrahls 14 eingestellt werden.
Gemäß weiterer, nicht gezeigter Ausführungsformen sind die Werkstücke 16a, 16b gleich dick, bestehen aber aus unterschiedlichen Materialien. Beispielsweise besteht das Werkstück 16a aus einem Material mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als das Material des Werkstücks 16b. Beispielweise besteht das Werkstück 16a aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und das Werkstück 16b aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
Die Laserleistung des Kernstrahls und/oder die Laserleistung des Ringstrahls können in diesem Fall abhängig vom Material bzw. einer spezifischen Wärmeleitfähigkeit des Materials der Werkstücke 16a, 16b an der Position des Laserstrahls 14 eingestellt werden. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit hat Einfluss auf die absolute Wärmeleitfähigkeit des Werkstücks 16a, 16b an der Position des Laserstrahls 14. Die Laserleistung des Kernstrahls und/oder die Laserleistung des Ringstrahls können beispielsweise jeweils proportional zu der spezifischen Wärmeleitfähigkeit der Werkstücks 16a, 16b an der Position des Laserstrahls 14 eingestellt werden.
Mit anderen Worten kann die Laserleistung des Kernstrahls und/oder die Laserleistung des Ringstrahls mit einer zunehmenden Dicke und/oder spezifischen Wärmeleitfähigkeit des Werkstücks an der Position des Laserstrahls 14 größer eingestellt werden. Im ersten Fall werden die Laserleistung des Ringstrahls und die Laserleistung des Kernstrahls an der Position 19c auf dem Werkstück 16b mit der kleineren Dicke jeweils kleiner eingestellt als an der Position 19c auf dem Werkstück 16a mit der größeren Dicke. Im zweiten Fall werden die Laserleistung des Ringstrahls und die Laserleistung des Kernstrahls an der Position 19c auf dem Werkstück 16b aus Aluminium jeweils kleiner eingestellt als an der Position 19c auf dem Werkstück 16a aus Kupfer, da Kupfer eine höhere spezifische Wärmeleitfähigkeit als Aluminium besitzt.
Beispielsweise werden die Laserleistung des Ringstrahls und die Laserleistung des Kernstrahls an der Position 19c auf dem Werkstück 16b jeweils kleiner eingestellt als an der Position 19d auf dem Werkstück 16a. So kann die Laserleistung des Kernstrahls auf 30 % bezogen auf die maximale Laserleistung des Kernstrahls an der ersten lateralen Position 19c und auf 50 % bezogen auf die maximale Laserleistung des Kernstrahls an der zweiten lateralen Position 19d eingestellt werden. Die Laserleistung des Ringstrahls kann auf 40 % bezogen auf die maximale Laserleistung des Ringstrahls an der ersten lateralen Position 19c und auf 50 % bezogen auf die maximale Laserleistung des Ringstrahls an der zweiten lateralen Position 19d eingestellt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Differenz zwischen der relativen Laserleistung des Ringstrahls und der Laserleistung des Kernstrahls umgekehrt proportional zu einer Dicke und/oder spezifischen Wärmeleitfähigkeit der Werkstücke 16a, 16b an der Position des Laserstrahls 14 eingestellt werden. Mit anderen Worten kann die Differenz zwischen der relativen Laserleistung des Ringstrahls und der relativen Laserleistung des Kernstrahls mit einer zunehmenden Dicke und/oder spezifischen Wärmeleitfähigkeit der Werkstücke 16a, 16b an der Position des Laserstrahls 14 kleiner eingestellt werden. Eine relative Laserleistung gibt dabei die eingestellte Laserleistung bezogen auf die maximale Laserleistung an. Beispielsweise ist die Differenz zwischen der relativen Laserleistung des Ringstrahls und der relativen Laserleistung des Kernstrahls an der ersten lateralen Position 19c gleich 10% und die Differenz ist Null an der zweiten lateralen Position 19d. Dadurch kann der Effekt berücksichtigt werden, dass bei kleiner werdender Dicke, bzw. bei kleiner werdender spezifischer Wärmeleitfähigkeit relativ gesehen mehr Leistung bezog auf die durch den Kernstrahl auf das Werkstück 16a bzw. 16b eingestrahlte Laserleistung in radialer Richtung auf dem Werkstück 16a, 16b abfließt. Dadurch kann sich das Material ggf. nicht ausreichend stark bzw. nicht wie vorhergesehen erwärmen, um zu schmelzen bzw. zu verdampfen. Dadurch wiederum kann ggf. der Laserschweißprozess nicht ordnungsgemäß durchgeführt werden. Durch erhöhen der Differenz zwischen der relativen Laserleistung des Kernstrahls und der relativen Laserleistung des Ringstrahls kann die radial abgeflossene Leistung durch die zusätzliche Laserleistung des Ringstrahls ausgeglichen werden. Dadurch können Bearbeitungsfehler des Laserschweißprozesses verhindert werden.
Die Erfindung umfasst ein Verfahren und ein Laserbearbeitungssystem zur Laserbearbeitung, insbesondere zum Laserschweißen, von Werkstücken mittels eines Laserstrahls mit koaxial verlaufenden Kernstrahl und Ringstrahl, bei welchem die Laserleistung des Kernstrahls und die Laserleistung des Ringstrahls während des Laserbearbeitungsprozesses, beispielsweise des Laserschweißprozesses, unabhängig voneinander eingestellt oder moduliert werden bzw. als Funktion der Position des Laserstrahls auf dem Werkstück oder im Scanfeld eingestellt werden, um ein optimales Bearbeitungsergebnis, insbesondere ein optimales Schweißergebnis, zu erhalten. Dadurch ergeben sich insbesondere Vorteile beim Schweißen von Werkstücken aus hochfestem Stahl, Aluminium und Kupfer, bzw. beim Schweißen von Materialien mit deutlich unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit. Beispielsweise werden Heißrisse und Spritzer vermindert oder verhindert.

Claims

Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks (16a, 16b), das Verfahren umfassend die Schritte: - Einstrahlen (S1) eines Laserstrahls (14) auf zumindest ein Werkstück (16a, 16b), wobei der Laserstrahl (14) einen Kernstrahl (14a) und einen Ringstrahl (14b) umfasst, die koaxial zueinander verlaufen, wobei der Laserstrahl (14) entlang eines vorgegebenen Bearbeitungspfads (18) über das Werkstück (16a, 16b) bewegt wird, - Anpassen (S2) einer Laserleistung des Kernstrahls (14a) und/oder einer Laserleistung des Ringstrahls (14b) abhängig von einer Position des Laserstrahls (14) auf dem Werkstück (16a, 16b).
Verfahren Anspruch 1, wobei das Anpassen der Laserleistung des Kernstrahls (14a,) und/oder der Laserleistung des Ringstrahls (14b) kontinuierlich oder stufenweise erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Position des Laserstrahls (14) auf dem Werkstück (16a, 16b) einer Position auf dem Bearbeitungspfad (18) entspricht, wobei die Laserleistung des Kernstrahls (14a) und/oder die Laserleistung des Ringstrahls (14b) entlang des Bearbeitungspfads (18) angepasst werden.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Anpassen der Laserleistung des Kernstrahls (14a) und/oder der Laserleistung des Ringstrahls (14b) wiederholt und/oder periodisch entlang des Bearbeitungspfads (18) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend: - während der Bewegung des Laserstrahls (14) entlang des Bearbeitungspfads (18), Bewegen des Laserstrahls (14) entlang eines vorgegebenen Wobbelmusters (19) auf dem Werkstück (16a, 16b), wobei die Position des Laserstrahls (14) auf dem Werkstück (16a, 16b) einer Position des Laserstrahls (14) in dem Wobbelmuster (19) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Wobbelmuster (19) eine erste Position (19a) im Vorlauf auf dem Bearbeitungspfad (18) und eine zweite Position (19b) im Nachlauf auf dem Bearbeitungspfad (18) umfasst, wobei die Laserleistung des Kernstrahls (14a) und die Laserleistung des Ringstrahls (14b) an der ersten Position (19a) entsprechend größer als die Laserleistung des Kernstrahls (14a) und die Laserleistung des Ringstrahls (14b) an der zweiten Position (19b) angepasst werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Wobbelmuster (19) zumindest eine laterale Position (19c, 19d) seitlich zum Bearbeitungspfad (18) umfasst, und wobei die Laserleistung des Kernstrahls (14a) und die Laserleistung des Ringstrahls (14b) an der zumindest einen lateralen Position (19c, 19d) entsprechend kleiner als die Laserleistung des Kernstrahls (14a) und die Laserleistung des Ringstrahls (14b) an der ersten Position (19a) im Vorlauf angepasst werden und/oder die Laserleistung des Kernstrahls (14a) und die Laserleistung des Ringstrahls (14b) an der zumindest einen lateralen Position (19c, 19d) jeweils größer als die Laserleistung des Kernstrahls (14a) und die Laserleistung des Ringstrahls (14b) an der zweiten Position (19b) im Nachlauf angepasst werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Laserleistung des Kernstrahls (14a) und/oder die Laserleistung des Ringstrahls (14b) basierend auf einem Material, einer Wärmeleitfähigkeit und/oder Dicke des Werkstücks (16a, 16b) an der Position des Laserstrahls (14) auf dem Werkstück (16a, 16b) angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Laserleistung des Kernstrahls (14a) und/oder die Laserleistung des Ringstrahls (14b) als Funktion einer Wärmeleitfähigkeit und/oder Dicke des Werkstücks (16a, 16b) an der Position des Laserstrahls (14) auf dem Werkstück (16a, 16b) angepasst wird, und/oder wobei eine Differenz zwischen einer relativen Laserleistung des Kernstrahls (14a) und der relativen Laserleistung des Ringstrahls (14b) als Funktion einer Wärmeleitfähigkeit und/oder Dicke des Werkstücks (16a, 16b) an der Position des Laserstrahls (14) angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der vorgegebene Bearbeitungspfad (18) entlang einer Stoßkante von zwei Werkstücken (16a, 16b) verläuft, wobei die Laserleistung des Kernstrahls (14a) und/oder die Laserleistung des Ringstrahls (14b) als Funktion einer Dicke von zumindest einem der Werkstücke (16a, 16b) entlang des Bearbeitungspfads (18) angepasst wird, und/oder wobei eine Differenz zwischen der relativen Laserleistung des Ringstrahls (14a) und der relativen Laserleistung des Kernstrahls (14b) als Funktion einer Dicke zumindest eines der Werkstücke (16a, 16b) entlang des Bearbeitungspfads (18) angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Laserleistung des Kernstrahls (14a) und die Laserleistung des Ringstrahls (14b) unabhängig voneinander angepasst werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Quotient aus der Laserleistung des Kernstrahls (14a) und der Laserleistung des Ringstrahls (14b) während der Bewegung des Laserstrahls (14) entlang des Bearbeitungspfads (18) und/oder entlang des Wobbelmusters (19) konstant ist, oder wobei eine Summe aus der Laserleistung des Kernstrahls (14a) und der Laserleistung des Ringstrahls (14b) während der Bewegung des Laserstrahls (14) entlang des Bearbeitungspfads (18) und/oder entlang des Wobbelmusters (19) konstant ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kernstrahl (14a) und der Ringstrahl (14b) verschiedene Wellenlängen aufweisen.
Laserbearbeitungssystem (10) zur Laserbearbeitung eines Werkstücks (16a, 16b), umfassend: - einen Laserbearbeitungskopf (12) zum Einstrahlen eines Laserstrahls (14) mit einem Kernstrahl (14a) und einem zu dem Kernstrahl (14a) koaxial verlaufenden Ringstrahl (14b) auf zumindest ein Werkstück (16a, 16b), und - eine Steuereinheit (34), die eingerichtet ist, um ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Laserbearbeitungssystem (10) nach Anspruch 14, ferner umfassend: - zumindest eine Laserquelle (24) zum Bereitstellen des Kernstrahls (14a) und des Ringstrahls (14b), und - eine Lichtleitfaser (26), eingerichtet zum Führen des Kernstrahls (14a) und des Ringstrahls (14b) von der zumindest einen Laserquelle (26) zum Laserbearbeitungskopf (12).