DE102021123027A1

DE102021123027A1 - Laser processing device

Info

Publication number: DE102021123027A1
Application number: DE102021123027.6A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Gerhards; Mathis Konkel; Stephan Klein; Christian Otten
Original assignee: Lava X GmbH
Current assignee: Lava X GmbH
Priority date: 2021-09-06
Filing date: 2021-09-06
Publication date: 2023-03-09

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laser-Bearbeitungsvorrichtung (10), welche insbesondere für das Laserschweißen von Werkstücken (19) im Unterdruck, vorzugsweise im Vakuum, bereitgestellt ist, aufweisend eine über eine Evakuierungsvorrichtung (37) evakuierbare Unterdruck-Prozesskammer (20), wobei die Unterdruck-Prozesskammer (20) ein Prozesskammergehäuse (25) mit einem unteren Bodenelement (28), einem oberen Deckenelement (29) und einer sich dazwischen erstreckenden Seitenwandung (30; 30a, 30b) aufweist, welche einen Prozessraum (36) begrenzen, wobei im Deckenelement (29) ein optisches Element (22) angeordnet oder ausgebildet ist, welches bereitgestellt ist, um Bearbeitungs-Laserlicht (17) in die Unterdruck-Prozesskammer (20) einzukoppeln, sowie weiterhin aufweisend eine Werkstückaufnahme (21), welche innerhalb des Prozessraums (36) angeordnet oder ausgebildet ist, und welche zum Positionieren und/oder Halten des Werkstücks (19) in einer Bearbeitungsebene (23) bereitgestellt ist. Um das optische Element (22) wirksam vor nachteiligen Prozessemissionen zu schützen, ist das Prozesskammergehäuse (25) der Unterdruck-Prozesskammer (20) zumindest bereichsweise als Faltenbalg ausgebildet oder weist zumindest bereichsweise einen Faltenbalg auf, und/oder das Prozesskammergehäuse (25) weist eine Schutzeinrichtung (32) zur Erzeugung wenigstens eines Schutzgasstrahls (35) auf, welcher zum Schutz des optischen Elements (22) bereitgestellt ist, wobei die Schutzeinrichtung (32) in der Seitenwandung (30; 30a, 30b) des Prozesskammergehäuses (25) einen Schutzgaseintritt (33) und einen Schutzgasaustritt (34), der insbesondere dem Schutzgaseintritt (33) gegenüber liegt, aufweist.The present invention relates to a laser processing device (10), which is provided in particular for the laser welding of workpieces (19) in negative pressure, preferably in a vacuum, having a negative pressure process chamber (20) that can be evacuated via an evacuation device (37), wherein the Vacuum process chamber (20) has a process chamber housing (25) with a lower floor element (28), an upper cover element (29) and a side wall (30; 30a, 30b) extending between them, which delimit a process space (36), wherein in An optical element (22) is arranged or formed on the ceiling element (29), which is provided in order to couple processing laser light (17) into the vacuum process chamber (20), and also has a workpiece holder (21), which is located within the process space ( 36) is arranged or designed, and which is provided for positioning and/or holding the workpiece (19) in a processing plane (23). In order to effectively protect the optical element (22) from disadvantageous process emissions, the process chamber housing (25) of the vacuum process chamber (20) is at least partially designed as a bellows or has at least partially a bellows, and/or the process chamber housing (25) has a Protective device (32) for generating at least one protective gas jet (35), which is provided to protect the optical element (22), the protective device (32) in the side wall (30; 30a, 30b) of the process chamber housing (25) having a protective gas inlet ( 33) and a protective gas outlet (34), which in particular is opposite the protective gas inlet (33).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst eine Laser-Bearbeitungsvorrichtung, welche insbesondere für das Laserschweißen von Werkstücken im Unterdruck, vorzugsweise im Vakuum, bereitgestellt ist, gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 5. Weiterhin betrifft die Erfindung auch Verfahren zum Laser-Bearbeiten von Werkstücken mit entsprechenden Laser-Bearbeitungsvorrichtungen.The present invention relates firstly to a laser machining device which is provided in particular for the laser welding of workpieces in a vacuum, preferably in a vacuum, according to the preambles of patent claims 1 and 5. The invention also relates to methods for laser machining workpieces with corresponding laser processing devices.

Die vorliegende Erfindung ist insbesondere auf dem technischen Gebiet des Laserschweißens im Vakuum angesiedelt. Das Laserschweißen im Vakuum ist eine Verfahrenskombination der etablierten Fügetechniken Laserschweißen und Elektronenstrahlschweißen.The present invention is located in particular in the technical field of laser welding in a vacuum. Laser welding in a vacuum is a process combination of the established joining techniques of laser welding and electron beam welding.

Beim Laserschweißen wird durch eine Lasereinrichtung erzeugtes Bearbeitungs-Laserlicht mit Hilfe einer Fokussieroptik auf einen kleinen Fleck gebündelt. Da die Energiedichte des Laserlichts sehr hoch ist, wird das zu schweißende Material schnell geschmolzen und teilweise verdampft und es entsteht schnell eine Schweißnaht. Das Laserschweißen findet gewöhnlich bei Atmosphärendruck statt.In laser welding, processing laser light generated by a laser device is bundled onto a small spot with the help of focusing optics. Since the energy density of the laser light is very high, the material to be welded is quickly melted and partially vaporized, and a weld seam is quickly formed. Laser welding usually takes place at atmospheric pressure.

Beim Elektronenstrahlschweißen erfolgt die Strahlerzeugung in der sogenannten Elektronenstrahlkanone durch Erwärmung einer Glühkathode und Anlegen einer Beschleunigungsspannung. Die Glühkathode ist bei den gängigen Varianten der Elektronenstrahlerzeuger ein Verschleißteil und muss, je nachdem welcher Werkstoff geschweißt wird, nach wenigen Stunden ausgetauscht werden. Einbaufehler, Verschmutzungen oder sonstige Änderungen dieser filigranen Komponente resultieren sofort in einer Veränderung der Strahleigenschaften und damit der Schweißnahtqualität. Die Strahlformung und -fokussierung erfolgt durch magnetische Spulen. Beim Elektronenstrahlschweißen ist verfahrensbedingt ein Hochvakuum notwendig. Denn eine Kollision der Elektronen mit den Luftmolekülen führt zu einer Aufweitung des Strahls und damit zum Absinken der Intensität am Werkstück.In electron beam welding, the beam is generated in the so-called electron beam gun by heating a hot cathode and applying an acceleration voltage. The hot cathode is a wearing part in the common variants of electron beam generators and has to be replaced after a few hours, depending on the material being welded. Installation errors, contamination or other changes to these filigree components immediately result in a change in the beam properties and thus the weld seam quality. The beam is shaped and focused by magnetic coils. Electron beam welding requires a high vacuum due to the process. Because a collision of the electrons with the air molecules leads to an expansion of the beam and thus to a drop in intensity on the workpiece.

In jüngerer Zeit hat sich das Laserschweißen im Vakuum entwickelt, mit zunehmend neuen und sich stetig erweiternden Anwendungsbereichen. Das Laserschweißen im Vakuum beziehungsweise Laserstrahlschweißen im Vakuum ist eine Verfahrensmodifikation des Laserschweißens beziehungsweise Laserstrahlschweißens. Es kombiniert die Vakuumtechnik, die normalerweise beim Elektronenstrahlschweißen zum Einsatz kommt, mit der etablierten Fügetechnik des Laserschweißens. Durch eine dadurch realisierbare Reduzierung der Siedetemperatur ist weniger Energie notwendig, um das zu bearbeitende Material, üblicherweise Metall, zu verdampfen. Während die Größe der Dampfkapillare maßgeblich vom Strahldurchmesser bestimmt wird, führt eine Temperaturverringerung in der Dampfkapillare auch zu einer Verkleinerung des umgebenden Schmelzbades. Spritzer- und Porenneigung werden deutlich reduziert. Neben der Qualitätssteigerung der Laserschweißnaht führt das Laserschweißen im Vakuum weiter zu einem signifikant reduzierten Wärmeeintrag, bei gleicher Einschweißtiefe. Dieser Effekt ist besonders bei temperatursensiblen Werkstoffen, oder wenn besonders verzugsarm geschweißt werden soll, von großem Nutzen.Recently, laser welding in a vacuum has developed, with increasingly new and constantly expanding areas of application. Laser welding in a vacuum or laser beam welding in a vacuum is a process modification of laser welding or laser beam welding. It combines the vacuum technology that is normally used in electron beam welding with the established joining technology of laser welding. A reduction in the boiling temperature that can be achieved as a result means that less energy is required to vaporize the material to be processed, usually metal. While the size of the vapor capillary is largely determined by the jet diameter, a temperature reduction in the vapor capillary also leads to a reduction in the size of the surrounding weld pool. Tendency to spatter and pores are significantly reduced. In addition to the increase in quality of the laser weld seam, laser welding in a vacuum also leads to a significantly reduced heat input with the same welding depth. This effect is particularly useful for temperature-sensitive materials or when welding is to be carried out with particularly little distortion.

Während des Schweißvorgangs können in der Prozesskammer Prozessemissionen in Form von gasförmigen, flüssigen oder festen Partikeln freigesetzt werden. Diese Prozessemissionen können sich an den Innenflächen der Prozesskammer absetzen, insbesondere auch auf einem optischen Element, beispielsweise dem Schutzglas oder Schutzfenster, über welches das Bearbeitungs-Laserlicht in die Prozesskammer eingekoppelt wird. Letzteres ist jedoch unerwünscht, da die Prozessemissionen die Transmissions- und Reflexionseigenschaften des optischen Elements negativ beeinflussen, wenn sie sich auf der in die Prozesskammer gerichteten Oberfläche des optischen Elements absetzen. Damit ist eine einwandfreie Bearbeitung des Werkstücks nicht mehr gegeben. Außerdem müssen die verunreinigten Bauteile in regelmäßigen Abständen gereinigt oder gegebenenfalls ausgetauscht werden.During the welding process, process emissions in the form of gaseous, liquid or solid particles can be released in the process chamber. These process emissions can settle on the inner surfaces of the process chamber, in particular also on an optical element, for example the protective glass or protective window, via which the processing laser light is coupled into the process chamber. However, the latter is undesirable since the process emissions negatively affect the transmission and reflection properties of the optical element when they settle on the surface of the optical element directed into the process chamber. This means that the workpiece can no longer be machined correctly. In addition, the contaminated components must be cleaned at regular intervals or replaced if necessary.

Aus diesem Grund sind verschiedene Schutzmaßnahmen entwickelt worden.For this reason, various protective measures have been developed.

Eine derartige Schutzmaßnahme ist beispielsweise in der WO 2013/092981 A2 beschrieben, von der die vorliegende Erfindung ausgeht. Bei dieser Lösung wird ein optisches Element, über das Bearbeitungs-Laserlicht in die Prozesskammer eingekoppelt wird, mittels eines Schutzgasstromes vor Verunreinigungen geschützt. Zu diesem Zweck wird ein Schutzgehäuse bereitgestellt, welches sich innerhalb der Prozesskammer oder in einem Deckel der Prozesskammer befindet. Das Schutzgehäuse befindet sich somit zwischen einem zu schützenden optischen Element, über welches Bearbeitungs-Laserlicht in die Prozesskammer eingekoppelt wird, beispielsweise einem Schutzglas oder Schutzfenster, und dem zu bearbeitenden Werkstück. Über eine oder mehrere Gaseintrittsöffnungen entlang des Umfangs des Schutzgehäuses wird ein Schutzgas in das Schutzgehäuse eingebracht. Im Schutzgehäuse wird dieser Gasstrom in eine Richtung parallel zur Richtung des Laser-Bearbeitungsstrahlengangs und damit in eine senkrecht zum zu schützenden optischen Element verlaufende Richtung umgelenkt, und über eine werkstückseitige Gasaustrittsöffnung wieder aus dem Schutzgehäuse herausgelassen. Diese Gasaustrittsöffnung befindet sich im Bodenbereich des Schutzgehäuses, ist vom Durchmesser her sehr klein und umgibt auch den Laser-Bearbeitungsstrahlengang. Die Gasaustrittsöffnung stellt die einzige Verbindung von dem Innenraum des Schutzgehäuses mit dem Innenraum der Prozesskammer dar. Aufgrund der Strömung des Schutzgases durch die Gasaustrittsöffnung hinaus gelangen kaum Verunreinigungspartikel in das Schutzgehäuse hinein.Such a protective measure is, for example, in WO 2013/092981 A2 described, from which the present invention proceeds. With this solution, an optical element, via which the processing laser light is coupled into the process chamber, is protected from contamination by means of a flow of protective gas. A protective housing is provided for this purpose, which is located within the process chamber or in a cover of the process chamber. The protective housing is thus located between an optical element to be protected, via which processing laser light is coupled into the process chamber, for example a protective glass or protective window, and the workpiece to be processed. A protective gas is introduced into the protective housing via one or more gas inlet openings along the circumference of the protective housing. In the protective housing, this gas flow is deflected in a direction parallel to the direction of the laser processing beam path and thus in a direction perpendicular to the optical element to be protected, and out of the protective housing again via a gas outlet opening on the workpiece side calmly. This gas outlet opening is located in the bottom area of the protective housing, has a very small diameter and also surrounds the laser processing beam path. The gas outlet opening represents the only connection from the interior of the protective housing to the interior of the process chamber. Due to the flow of protective gas through the gas outlet opening, hardly any contamination particles get into the protective housing.

Eine hierzu ähnliche Lösung offenbart auch die WO 2011/145514 A1 .A solution similar to this is also disclosed in WO 2011/145514 A1 .

Eine in Bezug auf die beiden vorbeschriebenen Lösungen etwas abgewandelte Lösung ist in der WO 2015/139689 A1 offenbart. Bei dieser Lösung wird ein Schutzgasgas-Flachstrahl über eine Düsenanordnung seitlich in ein Schutzgehäuse eingeblasen, verläuft parallel oder in einem flachen Winkel an dem zu schützenden optischen Element vorbei und trifft auf einen gegenüberliegenden seitlichen Wandbereich des Schutzgehäuses. Dort wird der Schutzgas-Flachstrahl nach unten abgelenkt, was durch geeignete Umlenkelemente unterstützt wird, und in Richtung einer im Boden und damit in einer dem Werkstück zugewandten Fläche des Schutzgehäuses befindlichen Gasaustrittsöffnung gerichtet, die zudem den Laser-Bearbeitungsstrahl umgibt. Das Schutzgehäuse ist dabei immer innerhalb der Prozesskammer angeordnet.A solution that is somewhat modified in relation to the two solutions described above is in WO 2015/139689 A1 disclosed. In this solution, a flat jet of protective gas is blown laterally into a protective housing via a nozzle arrangement, runs parallel or at a shallow angle past the optical element to be protected and hits an opposite lateral wall area of the protective housing. There, the protective gas flat jet is deflected downwards, which is supported by suitable deflection elements, and directed in the direction of a gas outlet opening located in the floor and thus in a surface of the protective housing facing the workpiece, which also surrounds the laser processing beam. The protective housing is always arranged inside the process chamber.

Nachteilig bei allen der bislang beschriebenen bekannten Lösungen ist, dass die Strömungscharakteristik des Schutzgases innerhalb des Schutzgehäuses nicht definiert ist, da das Schutzgas aufgrund der Ablenkung in dem Schutzgehäuse verwirbelt. Außerdem ist die Gasaustrittsöffnung in allen Fällen sehr klein und liegt eng um den Laser-Bearbeitungsstrahlengang, so dass mit den bekannten Lösungen nur ein sehr kleines und begrenztes Scanfeld bezüglich des Laser-Bearbeitungsstrahls realisierbar ist. Auch befindet sich das Schutzgehäuse zumeist innerhalb der Prozesskammer, so dass der für die eigentliche Bearbeitung und Aufnahme von Werkstücken zur Verfügung stehende Prozessraum innerhalb der Prozesskammer begrenzt ist. Oder aber, die Prozesskammer muss sehr groß dimensioniert werden, was aber hinsichtlich der Erzeugung und Aufrechterhaltung eines Unterdrucks in der Prozesskammer von Nachteil ist.A disadvantage of all of the known solutions described so far is that the flow characteristics of the protective gas within the protective housing are not defined, since the protective gas swirls in the protective housing due to the deflection. In addition, the gas outlet opening is very small in all cases and is located closely around the laser processing beam path, so that with the known solutions only a very small and limited scan field with regard to the laser processing beam can be implemented. The protective housing is also usually located within the process chamber, so that the process space available within the process chamber for the actual processing and receiving of workpieces is limited. Alternatively, the process chamber must have very large dimensions, which is disadvantageous in terms of generating and maintaining a negative pressure in the process chamber.

Die EP 0 618 037 B1 offenbart in anderem Zusammenhang ein wie eingangs beschriebenes Laserbehandlungsverfahren an sich, bei dem der eigentliche Bearbeitungsprozess nicht in einer Unterdruck-Prozesskammer abläuft. Auch bei dieser Lösung wird in einer Lasereinrichtung Bearbeitungs-Laserlicht erzeugt und zur Durchführung des Bearbeitungsprozesses auf ein zu bearbeitendes Werkstück gerichtet. Auch hier soll ein optisches Element in Form einer optischen Fokussiereinrichtung der Lasereinrichtung geschützt werden. Gleichzeitig sollen bei dem Prozess entstehende und freigesetzte Verunreinigungen entfernt werden, so dass diese nicht in die Atmosphäre gelangen können.The EP 0 618 037 B1 discloses in a different context a laser treatment method as described above, in which the actual treatment process does not take place in a vacuum process chamber. In this solution, too, processing laser light is generated in a laser device and directed onto a workpiece to be processed in order to carry out the processing process. Here, too, an optical element in the form of an optical focusing device of the laser device is to be protected. At the same time, impurities that are produced and released during the process are to be removed so that they cannot escape into the atmosphere.

Dazu ist eine Schutzvorrichtung vorgesehen, die eine Schutzkammer aufweist, Die Schutzkammer befindet sich zwischen dem zu schützenden optischen Element, beispielsweise einer Ausgangslinse der Fokussiereinrichtung einer Lasereinrichtung, und dem zu bearbeitenden Werkstück. Die Schutzkammer weist eine obere, dem zu schützenden optischen Element zugewandte erste Öffnung auf, durch die das von der Lasereinrichtung erzeugte Bearbeitungs-Laserlicht in die Schutzkammer eintreten kann. Gegenüber dieser ersten Öffnung ist eine dem Werkstück zugewandte zweite Öffnung in der Schutzkammer ausgebildet, über die das Bearbeitungs-Laserlicht aus der Schutzkammer in Richtung des zu bearbeitenden Werkstücks austreten kann.A protective device is provided for this purpose, which has a protective chamber. The protective chamber is located between the optical element to be protected, for example an output lens of the focusing device of a laser device, and the workpiece to be machined. The protective chamber has an upper first opening facing the optical element to be protected, through which the processing laser light generated by the laser device can enter the protective chamber. Opposite this first opening, a second opening facing the workpiece is formed in the protective chamber, through which the processing laser light can exit the protective chamber in the direction of the workpiece to be processed.

Eine dritte Öffnung befindet sich in der Seitenwand der Schutzkammer und ist mit einem Einlass für ein Druckgas verbunden. Das Druckgas strömt in die Schutzkammer und verhindert, dass während des Bearbeitungsprozesses freigesetzte Verunreinigungen, die von unten über die zweite Öffnung in die Schutzkammer eingetreten sind, das zu schützende optische Element erreichen können. Eine in der Seitenwand der Schutzkammer zusätzlich vorgesehene vierte Öffnung, die der dritten Öffnung gegenüberliegt, ist mit einer Absaugvorrichtung verbunden. Die Absaugvorrichtung erhöht den Luftfluss in und durch die Schutzkammer, wodurch die in der Schutzkammer befindlichen Verunreinigungen durch die vierte Öffnung abgesaugt werden. Auf diese Weise werden die Verunreinigungen abgesaugt und können die Umwelt nicht mehr gefährden. Das Druckgas und die Absaugvorrichtung erzeugen dabei eine Querströmung in Bezug auf das zu schützende optische Element. Diese bekannte Lösung lässt sich jedoch nicht ohne Weiteres auf das Laserschweißen im Vakuum übertragen, wo ja die Prozesskammer und die Schutzkammer beziehungsweise das Schutzgehäuse, die miteinander in Verbindung stehen, während des Bearbeitungsprozesses einen Unterdruck aufweisen und deshalb vakuumdicht sein müssen. Aufgrund der in der Schutzkammer der bekannten Lösung befindlichen großen Öffnungen ist eine derartige Schutzkammer für den Einsatz im Vakuum nicht geeignet. Weiterhin ist auch mit dieser bekannten Lösung nur ein sehr kleines und begrenztes Scanfeld bezüglich des Laser-Bearbeitungsstrahls realisierbar.A third opening is located in the side wall of the protective chamber and is connected to an inlet for a pressurized gas. The compressed gas flows into the protective chamber and prevents contaminants released during the machining process, which have entered the protective chamber from below via the second opening, from being able to reach the optical element to be protected. A fourth opening, which is additionally provided in the side wall of the protective chamber and is opposite the third opening, is connected to a suction device. The suction device increases the air flow into and through the protective chamber, whereby the contaminants located in the protective chamber are sucked out through the fourth opening. In this way, the impurities are extracted and can no longer endanger the environment. The compressed gas and the suction device generate a cross flow in relation to the optical element to be protected. However, this known solution cannot simply be transferred to laser welding in a vacuum, where the process chamber and the protective chamber or the protective housing, which are connected to one another, have a negative pressure during the machining process and must therefore be vacuum-tight. Due to the large openings in the protective chamber of the known solution, such a protective chamber is not suitable for use in a vacuum. Furthermore, with this known solution only a very small and limited scan field can be realized with regard to the laser processing beam.

Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Laser-Bearbeitungsvorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass ein optisches Element, durch welches Bearbeitungs-Laserlicht in die Prozesskammer eingekoppelt wird, und welches im Folgenden auch als optisches Einkoppelelement bezeichnet wird, wirksam vor nachteiligen Prozessemissionen, die während des Prozessbetriebs innerhalb der Prozesskammer entstehen, geschützt wird wobei insbesondere ein großes Scanfeld realisierbar ist.Proceeding from the prior art mentioned, the object of the present invention is therefore to provide a laser machining device of the type mentioned at the outset in such a way that an optical element, through which processing laser light is coupled into the process chamber, and which is also referred to below as an optical coupling element, is effectively protected against disadvantageous process emissions that occur within the process chamber during process operation in particular, a large scan field can be realized.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Laser-Bearbeitungsvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1, die den ersten Aspekt der Erfindung darstellt, durch die Laser-Bearbeitungsvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 5, die den zweiten Aspekt der Erfindung darstellt, durch das Verfahren zum Laser-Bearbeiten eines Werkstücks mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 16, das den dritten Aspekt der Erfindung darstellt, und durch das Verfahren zum Laser-Bearbeiten eines Werkstücks mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 17, das den vierten Aspekt der Erfindung darstellt. Weitere Merkmale und Details der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Merkmale und Details, die hinsichtlich eines Vorrichtungsaspekts beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich auch hinsichtlich der jeweils anderen Vorrichtungsaspekte, und umgekehrt, so dass darauf jeweils wechselseitig Bezug genommen wird. Gleiches gilt für die Verfahrensaspekte. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich auch im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Verfahren, so dass alle Merkmale der Vorrichtungsaspekte wechselseitig auch im Zusammenhang mit den Merkmalen der Verfahrensaspekte und umgekehrt gelten, so dass darauf wechselseitig Bezug genommen wird.This object is achieved according to the invention by the laser machining device having the features of independent claim 1, which represents the first aspect of the invention, by the laser machining device having the features of independent patent claim 5, which represents the second aspect of the invention, by the method for laser machining a workpiece having the features of independent claim 16, which is the third aspect of the invention, and by the method of laser machining a workpiece having the features of independent claim 17, which is the fourth aspect of the invention. Further features and details of the present invention result from the dependent claims, the description and the drawings. Features and details that are described with regard to one aspect of the device also apply to the other aspects of the device, and vice versa, so that reference is made to them in each case. The same applies to the procedural aspects. Features and details that are described in connection with the devices according to the invention also apply in connection with the methods according to the invention, so that all features of the device aspects also apply reciprocally in connection with the features of the method aspects and vice versa, so that reference is made to them reciprocally becomes.

Das den einzelnen Aspekten der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende gemeinsame erfinderische Grundkonzept besteht darin, dass das optische Element, über welches Bearbeitungs-Laserlicht in die Unterdruck-Prozesskammer eingekoppelt wird, und welches im Folgenden auch als optisches Einkoppelelement bezeichnet wird, wirksam vor negativen Prozessemissionen geschützt wird, die sich auf der in die Unterdruck-Prozesskammer gerichteten Oberfläche des optischen Elements absetzen können. Erreicht wird dies dadurch, dass das optische Element stets einen maximalen Abstand zu der Bearbeitungsebene innerhalb der Unterdruck-Prozesskammer hat. Auf diese Weise können die unerwünschten Prozessemissionen das optische Element nicht erreichen. Dieser maximale Abstand bleibt in allen Betriebszuständen der Laser-Bearbeitungsvorrichtung gleich. Das gilt beispielsweise auch dann, wenn sich der Abstand zwischen dem optischen Element und der Bearbeitungsebene ändert, was im weiteren Verlauf der Beschreibung weiter unten noch näher erläutert wird. Gleichzeitig ist der in der Unterdruck-Prozesskammer vorherrschende Betriebs-Unterdruck stets bis ganz unter das optische Einkoppelelement gezogen.The common inventive basic concept on which the individual aspects of the present invention are based is that the optical element, via which the processing laser light is coupled into the vacuum process chamber, and which is also referred to below as the optical coupling element, is effectively protected against negative process emissions , which can settle on the surface of the optical element directed into the vacuum process chamber. This is achieved in that the optical element is always at a maximum distance from the processing plane within the vacuum process chamber. In this way, the unwanted process emissions cannot reach the optical element. This maximum distance remains the same in all operating states of the laser machining device. This also applies, for example, when the distance between the optical element and the processing plane changes, which will be explained in more detail below in the further course of the description. At the same time, the negative operating pressure prevailing in the negative-pressure process chamber is always drawn completely below the optical coupling element.

Zudem kann im Unterschied zu den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen bei der erfindungsgemäßen Laser-Bearbeitungsvorrichtung ein großes Scanfeld realisiert werden, so dass die Vorrichtung universell einsetzbar ist. Unter dem Begriff „Laserscanning“, der auch als „Laserabtastung“ bezeichnet wird, versteht man insbesondere das zeilenartige oder rasterartige Überstreichen von Oberflächen mit Laserlicht, beispielsweise mit Laserstrahlen, um diese zu bearbeiten. Die Fläche, die dabei überstrichen werden kann, bezeichnet man dann insbesondere als „Scanfeld“. Eine Vorrichtung, die das Laserlicht entsprechend ablenkt, wird als „Laserscanner“ bezeichnet. Wie dies im Einzelnen realisiert werden kann, wird nachfolgend anhand vorteilhafter Ausgestaltungen und Ausführungsformen in größerem Detail beschrieben.In addition, in contrast to the solutions known from the prior art, a large scanning field can be implemented in the laser processing device according to the invention, so that the device can be used universally. The term "laser scanning", which is also referred to as "laser scanning", is understood to mean in particular the line-like or grid-like sweeping over of surfaces with laser light, for example with laser beams, in order to process them. The area that can be swept over is then referred to as the "scan field". A device that deflects the laser light accordingly is called a "laser scanner". How this can be realized in detail is described in more detail below on the basis of advantageous refinements and embodiments.

Den Ausgangspunkt für die einzelnen Aspekte der vorliegenden Erfindung bildet eine Laser-Bearbeitungsvorrichtung. Solche Vorrichtungen an sich sind aus dem Stand der Technik an sich auf vielfältige Weise bekannt und den Fachleuten geläufig.A laser machining device forms the starting point for the individual aspects of the present invention. Devices of this type are known in a variety of ways from the prior art and are familiar to those skilled in the art.

Die Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist insbesondere für das Laserschweißen von Werkstücken im Unterdruck, vorzugsweise im Vakuum, geeignet und bereitgestellt, wobei die Erfindung natürlich nicht auf dieses eine konkrete Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Grundsätzlich ist die Erfindung auch für solche Anwendungen einsetzbar, bei denen während des Bearbeitungsprozesses unerwünschte Prozessemissionen auftreten, die ein optisches Einkoppelelement negativ beeinflussen können.The laser machining device according to the present invention is suitable and provided in particular for the laser welding of workpieces in negative pressure, preferably in a vacuum, with the invention of course not being restricted to this one specific exemplary embodiment. In principle, the invention can also be used for those applications in which undesirable process emissions occur during the machining process, which can adversely affect an optical coupling element.

Zunächst wird der grundsätzliche Aufbau der Laser-Bearbeitungsvorrichtung beschrieben, der für alle Aspekte der vorliegenden Erfindung Gültigkeit hat. Die Laser-Bearbeitungsvorrichtung weist eine Unterdruck-Prozesskammer auf, in der über eine Evakuierungsvorrichtung ein für den Bearbeitungsprozess erforderlicher Unterdruck eingestellt und insbesondere während des Bearbeitungsprozesses, vorzugsweise stabil, beibehalten werden kann. Ein Unterdruck ist insbesondere ein Druck, der unterhalb des Umgebungsdrucks liegt. Beispielsweise, jedoch nicht notwendigerweise, handelt es sich bei diesem Unterdruck um ein Vakuum. Während beim Elektronenstrahlschweißen verfahrensbedingt ein Hochvakuum werkstoffabhängig von 10^-2 - 10^-5 mbar in der Prozesskammer und sogar mindestens 10^-6 mbar im Strahlerzeuger notwendig ist, reicht beim Laserschweißen im Vakuum, je nach Werkstoff, ein Druck von 1-100 mbar aus, um die gleichen Prozessvorteile wie beim Elektronenstrahlschweißen zu erzielen. Dadurch reduzieren sich die Anforderungen an den Pumpstand, da keine Turbomolekular- und Diffusionspumpen notwendig sind, auf einstufige Vorpumpen. Die Evakuierungszeiten bei solchen Anlagen betragen je nach Anwendung in der Regel 1-30 Sekunden. Die Unterdruck-Prozesskammer ist insbesondere hermetisch, das heißt nach außen undurchlässig, abgeschlossen. Das bedeutet, dass die Unterdruck-Prozesskammer vakuumdicht ist. Die Unterdruck-Prozesskammer besteht vorzugsweise aus Metall, beispielsweise aus Aluminium. Sie kann aus dem Vollen gefräst sein.First, the basic structure of the laser machining device is described, which is valid for all aspects of the present invention. The laser machining device has a negative pressure process chamber in which a negative pressure required for the machining process can be set via an evacuation device and maintained, preferably stably, in particular during the machining process. A negative pressure is in particular a pressure that is below the ambient pressure. By way of example, but not necessarily, this negative pressure is a vacuum. While with electron beam welding, due to the process, a high va Depending on the material, 10 ^-2 - 10 ^-5 mbar is necessary in the process chamber and even at least 10 ^-6 mbar in the beam generator, a pressure of 1-100 mbar is sufficient for laser welding in a vacuum, depending on the material, to achieve the same process advantages as achieved with electron beam welding. This reduces the demands on the pumping station to single-stage backing pumps, since no turbomolecular or diffusion pumps are required. Depending on the application, the evacuation times for such systems are generally 1-30 seconds. The vacuum process chamber is in particular hermetically sealed, that is to say impermeable to the outside. This means that the negative pressure process chamber is vacuum-tight. The vacuum process chamber is preferably made of metal, for example aluminum. It can be milled from the solid.

Die Unterdruck-Prozesskammer weist ein Prozesskammergehäuse auf. Dieses besteht generell aus einem unteren Bodenelement, einem oberen Deckenelement und einer sich dazwischen erstreckenden Seitenwandung. Die genannten Komponenten begrenzen einen Prozessraum. Im Deckenelement, welches insbesondere denjenigen Abschluss der Unterdruck-Prozesskammer bildet, welcher einer Lasereinrichtung zum Erzeugen von Bearbeitungs-Laserlicht zugewandt ist, ist ein optisches Element angeordnet oder ausgebildet, welches bereitgestellt ist, um Bearbeitungs-Laserlicht in die Unterdruck-Prozesskammer einzukoppeln. Bei dem optischen Einkoppelelement handelt es sich beispielsweise um ein Schutzglas oder um ein Schutzfenster. Das optische Einkoppelelement stellt somit die Schnittstelle zwischen der Unterdruck-Prozesskammer und der Lasereinrichtung dar, welche das Bearbeitungs-Laserlicht erzeugt. Wird das von der Lasereinrichtung erzeugte Bearbeitungs-Laserlicht von oben in die Unterdruck-Prozesskammer eingekoppelt, handelt es sich bei dem Deckenelement um den oberen Abschluss der Unterdruck-Prozesskammer. Die Unterdruck-Prozesskammer kann auf unterschiedliche Weise ausgebildet sein und beispielsweise eine runde oder ovale Form haben. In anderer Ausgestaltung kann die Unterdruck-Prozesskammer eine mehreckige, beispielsweise viereckige, etwa rechteckige oder quadratische Form, haben. In diesem Fall besteht die Seitenwandung aus vier Seitenwandsegmenten, die an ihren jeweiligen Endkanten aneinander anstoßen. Vorzugsweise sind auch Ausführungsformen realisiert, in denen die Unterdruck-Prozesskammer mehrere Bereiche aufweist, die im Vergleich zueinander eine unterschiedliche Form haben. Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Ausführungsformen beschränkt.The vacuum process chamber has a process chamber housing. This generally consists of a lower floor element, an upper ceiling element and a side wall extending therebetween. The components mentioned delimit a process space. An optical element, which is provided to couple processing laser light into the vacuum process chamber, is arranged or formed in the ceiling element, which in particular forms that closure of the vacuum process chamber that faces a laser device for generating processing laser light. The optical coupling element is, for example, a protective glass or a protective window. The optical coupling element thus represents the interface between the vacuum process chamber and the laser device, which generates the processing laser light. If the processing laser light generated by the laser device is coupled into the vacuum process chamber from above, the ceiling element is the upper end of the vacuum process chamber. The vacuum process chamber can be designed in different ways and can have a round or oval shape, for example. In another configuration, the vacuum process chamber can have a polygonal, for example square, approximately rectangular or square shape. In this case the side wall consists of four side wall segments which abut one another at their respective end edges. Embodiments are preferably also implemented in which the vacuum process chamber has a plurality of regions which have different shapes in comparison to one another. The invention is not limited to specific embodiments.

Weiterhin weist die Laser-Bearbeitungsvorrichtung eine Werkstückaufnahme auf, welche innerhalb des Prozessraums angeordnet oder ausgebildet ist, und welche zum Positionieren und/oder Halten des Werkstücks in einer Bearbeitungsebene bereitgestellt ist. Die Bearbeitungsebene ist insbesondere diejenige Ebene, in der sich die zu bearbeitende Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks befindet, wobei das Bearbeitungs-Laserlicht, insbesondere in Form von Bearbeitungs-Laserstrahlen, auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks auftrifft. Vorzugsweise liegt der Fokuspunkt des von der Lasereinrichtung erzeugten Bearbeitungs-Laserlichts in der Bearbeitungsebene.Furthermore, the laser machining device has a workpiece holder, which is arranged or formed within the processing space and which is provided for positioning and/or holding the workpiece in a machining plane. The processing plane is in particular that plane in which the surface to be processed of the workpiece to be processed is located, with the processing laser light, in particular in the form of processing laser beams, impinging on the surface of the workpiece to be processed. The focal point of the processing laser light generated by the laser device preferably lies in the processing plane.

Das Laserschweißen im Vakuum funktioniert grundsätzlich so, dass das zu bearbeitende Werkstück mittels einer Werkstückaufnahme aufgenommen und/oder gehalten wird, welche sich in einer Prozesskammer befindet. Bei der Prozesskammer handelt es sich um eine Unterdruckkammer, beispielsweise eine Vakuumkammer. Die Prozesskammer ist allseitig hermetisch verschlossen, so dass über eine entsprechende Evakuierungsvorrichtung der gewünschte Unterdruck in der Prozesskammer eingestellt werden kann. Die für den Schweißprozess mittels einer Lasereinrichtung erzeugten Laserstrahlen werden in die Prozesskammer eingekoppelt. Dazu weist die Prozesskammer an ihrer der Lasereinrichtung zugewandten Seite, bei der es sich üblicherweise um die obere Seite der Prozesskammer handelt, ein geeignetes optisches Element, beispielsweise ein Schutzglas oder Schutzfenster auf, durch welches die erzeugte Laserstrahlung in die Prozesskammer eingekoppelt und danach in dieser auf das zu bearbeitende Werkstück, welches sich auf/in der Werkstückaufnahme befindet, gerichtet wird.Laser welding in a vacuum basically works in such a way that the workpiece to be processed is picked up and/or held by means of a workpiece holder, which is located in a process chamber. The process chamber is a vacuum chamber, for example a vacuum chamber. The process chamber is hermetically sealed on all sides, so that the desired negative pressure can be set in the process chamber using an appropriate evacuation device. The laser beams generated by a laser device for the welding process are coupled into the process chamber. For this purpose, the process chamber has a suitable optical element, for example a protective glass or protective window, on its side facing the laser device, which is usually the upper side of the process chamber, through which the generated laser radiation is coupled into the process chamber and then in it the workpiece to be machined, which is on/in the workpiece holder, is aligned.

Die Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist universell einsetzbar. Das heißt, sie ist zur Bearbeitung unterschiedlich dimensionierter und/oder konfigurierter Werkstücke geeignet. Für die Bearbeitung wird das Bearbeitungs-Laserlicht in der Bearbeitungsebene auf die zu bearbeitende Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks gerichtet und insbesondere fokussiert. Bei unterschiedlich ausgestalteten Werkstücken, die mit ein und derselben Laser-Bearbeitungsvorrichtung bearbeitet werden, kann sich die Bearbeitungsebene in der Unterdruck-Prozesskammer deshalb ändern, das heißt, die Fokuslage des Bearbeitungs-Laserlichts ändert sich.The laser machining device according to the present invention can be used universally. This means that it is suitable for processing workpieces with different dimensions and/or configurations. For processing, the processing laser light is directed and in particular focused in the processing plane onto the surface to be processed of the workpiece to be processed. In the case of differently configured workpieces that are processed with one and the same laser processing device, the processing plane in the vacuum process chamber can therefore change, ie the focal position of the processing laser light changes.

Das könnte man beispielsweise dadurch erreichen, indem die Lasereinrichtung, mittels derer das Bearbeitungs-Laserlicht erzeugt wird, bei Bedarf entsprechend in der Höhe in Bezug auf die Unterdruck-Prozesskammer und das zu bearbeitende Werkstück, das heißt in Z-Richtung, verschoben wird. In diesem Fall wäre der Abstand zwischen der Lasereinrichtung und dem optischen Einkoppelelement im Deckenelement der Unterdruck-Prozesskammer zu verändern. Das ist aber konstruktiv aufwändig und deshalb von Nachteil. Zudem soll durch die Erfindung ein maximaler Schutz des optischen Einkoppelelements realisiert werden, wozu das optische Einkoppelelement stets einen maximalen und zudem gleichen Abstand zu der Bearbeitungsebene, die ja den Ausgangspunkt für das Auftreten von schädlichen Prozessemissionen darstellt, haben soll.This could be achieved, for example, by shifting the height of the laser device, by means of which the processing laser light is generated, if necessary in relation to the vacuum process chamber and the workpiece to be processed, i.e. in the Z direction. In this case, the distance between the laser device and the optical coupling element in the ceiling element would be the vacuum process change chamber. However, this is structurally complex and therefore disadvantageous. In addition, maximum protection of the optical coupling element is to be realized by the invention, for which purpose the optical coupling element should always have a maximum and also the same distance from the processing plane, which represents the starting point for the occurrence of harmful process emissions.

Um diese Problematik zu vermeiden, ist bei der Laser-Bearbeitungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ein anderer Weg realisiert. Dazu weist die Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, die insgesamt die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist, erfindungsgemäß noch die folgenden Merkmale auf:

Erfindungsgemäß ist das Prozesskammergehäuse der Unterdruck-Prozesskammer zumindest bereichsweise als Faltenbalg ausgebildet, oder es weist zumindest bereichsweise einen Faltenbalg auf. Insbesondere weist zumindest ein Bereich der Seitenwandung einen solchen Faltenbalg auf, oder ist als ein solcher Faltenbalg ausgebildet.

In order to avoid this problem, another way is implemented in the laser machining apparatus of the present invention. For this purpose, the laser machining device according to the first aspect of the invention, which overall has the features of independent claim 1, also has the following features according to the invention:

According to the invention, the process chamber housing of the vacuum process chamber is designed as a bellows at least in some areas, or it has a bellows at least in some areas. In particular, at least one area of the side wall has such a bellows or is designed as such a bellows.

Um, wie in den vorgenannten Fällen angesprochen, den Abstand zwischen dem optischen Einkoppelelement und der Bearbeitungsebene bedarfsweise verändern zu können, insbesondere um den Fokus des Bearbeitungs-Laserlichts innerhalb der Unterdruck-Prozesskammer bei Bedarf verschieben zu können, kann zumindest ein Teil der Unterdruck-Prozesskammer somit als Faltenbalg ausgeführt werden, auch um den Abstand des optischen Einkoppelelements zum Ort des Bearbeitungsprozesses, beispielsweise des Schweißprozesses, immer gleich zu halten.In order, as discussed in the aforementioned cases, to be able to change the distance between the optical coupling element and the processing plane as required, in particular to be able to shift the focus of the processing laser light within the vacuum process chamber if necessary, at least part of the vacuum process chamber are thus designed as bellows, also in order to keep the distance between the optical coupling element and the location of the machining process, for example the welding process, always the same.

Ein Faltenbalg ist insbesondere ein Volumenköper, beispielsweise ein ringförmiger Zylinder oder ein mehreckiger, beispielsweise viereckiger, insbesondere rechteckiger oder quadratischer Volumenkörper, der einen wellenförmig wechselnden InnenQuerschnitt, beispielsweise Durchmesser, aufweist. Ein Faltenbalg kann somit Bewegungen in axialer Richtung ausführen, indem sich dieser „ziehharmonikamäßig“ auseinanderziehen und zusammendrücken lässt.A bellows is in particular a volume body, for example a ring-shaped cylinder or a polygonal, for example four-cornered, in particular rectangular or square volume body, which has a wavy changing inner cross-section, for example diameter. A bellows can thus perform movements in the axial direction by expanding and compressing them "accordion-like".

Grundsätzlich ist es bereits bekannt geworden, Faltenbälge im Zusammenhang mit Laser-Bearbeitungsvorrichtungen einzusetzen, allerdings in gänzlich anderem Zusammenhang. Eine solche Lösung ist beispielsweise in der DE 10 2012 202 330 A1 beschrieben. Bei dieser bekannten Lösung soll eine Lasereinrichtung, die Bearbeitungs-Laserlicht erzeugt, in ihrem Abstand zur Bearbeitungsebene des zu bearbeitenden Werkstücks verändert werden können. Damit die Laser-Bearbeitungsvorrichtung „lasersicher“ ist, muss diese für Laserlicht lichtdicht sein. Dies wird mittels einer geeigneten Abschirmung erreicht, die das Bearbeitungs-Laserlicht umgibt, und durch die kein Laserlicht nach außen durchdrungen kann. Diese Abschirmung kann gemäß der bekannten Lösung in Form eines Faltenbalgs ausgebildet sein, damit die Abschirmung bei jedem Abstand der Lasereinrichtung zur Bearbeitungsebene gewährleistet ist. Ein Hinweis darauf, die Unterdruck-Prozesskammer selbst in Form eines Faltenbalgs auszubilden, lässt sich daraus jedoch nicht ableiten.In principle, it has already become known to use bellows in connection with laser machining devices, but in a completely different context. Such a solution is, for example, in DE 10 2012 202 330 A1 described. In this known solution, a laser device that generates processing laser light should be able to be changed in terms of its distance from the processing plane of the workpiece to be processed. In order for the laser processing device to be "laser-safe", it must be light-tight to laser light. This is achieved by means of a suitable shield that surrounds the processing laser light and through which no laser light can penetrate to the outside. According to the known solution, this shielding can be designed in the form of a bellows, so that the shielding is guaranteed at any distance between the laser device and the processing plane. However, no indication that the vacuum process chamber itself is in the form of a bellows can be derived from this.

Erfindungsgemäß sind verschiedene Realisierungsszenarien im Zusammenhang mit dem Faltenbalg möglich. Beispielsweise könnte die gesamte Unterdruck-Prozesskammer als ein solcher Faltenbalg ausgebildet sein. In diesem Fall ist insbesondere die Seitenwandung des Unterdruck-Prozesskammer als ein solcher Faltenbalg ausgebildet, der sich dann von dem unteren Bodenelement bis zum oberen Deckenelement, in dem sich das optische Einkoppelelement befindet, erstreckt.According to the invention, various implementation scenarios are possible in connection with the bellows. For example, the entire vacuum process chamber could be designed as such a bellows. In this case, in particular, the side wall of the vacuum process chamber is designed as such a bellows, which then extends from the lower floor element to the upper cover element, in which the optical coupling element is located.

In bevorzugter Ausgestaltung sind jedoch nur einzelne Bestandteile der Unterdruck-Prozesskammer als Faltenbalg ausgebildet oder weisen einen Faltenbalg auf. Hierzu werden nachfolgend einige bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben.In a preferred embodiment, however, only individual components of the vacuum process chamber are designed as bellows or have bellows. For this purpose, some preferred exemplary embodiments are described below.

In einer bevorzugten Ausgestaltung besteht das Prozesskammergehäuse aus mindestens zwei sich aneinander anschließenden Abschnitten, das heißt Teilstücken, die insbesondere im Vergleich zueinander eine unterschiedliche Größe haben. Ein erster Prozesskammerabschnitt des Prozesskammergehäuses, der eine erste Größe aufweist, weist die Werkstückaufnahme auf. Oberhalb des ersten Prozesskammerabschnitts schließt sich ein zweiter Prozesskammerabschnitt an den ersten Prozesskammerabschnitt mit einer zweiten Größe an. Bei dem zweiten Prozesskammerabschnitt handelt es sich um eine Kammererweiterung des ersten Prozesskammerabschnitts. Die Unterdruck-Prozesskammer besteht somit aus dem ersten Prozesskammerabschnitt, in dem das Werkstück aufgenommen und bearbeitet wird, und aus einer Kammererweiterung in Form des zweiten Prozesskammerabschnitts. Derjenige Bereich des Deckenelements des Prozesskammergehäuses, in dem sich das optische Einkoppelelement befindet, bildet den oberen Abschluss des zweiten Prozesskammerabschnitts. Natürlich sind auch mehr als zwei Prozesskammerabschnitte denkbar. Den oberen Abschluss und den unteren Abschluss des Prozesskammergehäuses bilden aber immer der vorgenannte zweite und erste Prozesskammerabschnitt. In bevorzugter Ausführungsform weist das Prozesskammergehäuse genau zwei Prozesskammerabschnitte auf, nämlich die vorgenannten ersten und zweiten Prozesskammerabschnitte.In a preferred embodiment, the process chamber housing consists of at least two sections that adjoin one another, that is to say sections that are of different sizes, in particular compared to one another. A first process chamber section of the process chamber housing, which has a first size, has the workpiece holder. Above the first process chamber section, a second process chamber section adjoins the first process chamber section with a second size. The second process chamber section is a chamber extension of the first process chamber section. The vacuum process chamber thus consists of the first process chamber section, in which the workpiece is received and processed, and of a chamber extension in the form of the second process chamber section. That area of the cover element of the process chamber housing in which the optical coupling element is located forms the upper end of the second process chamber section. Of course, more than two process chamber sections are also conceivable. However, the aforementioned second and first process chamber sections always form the upper closure and the lower closure of the process chamber housing. In a preferred embodiment, the process chamber housing has exactly two process chamber sections, namely the aforementioned first and second process chamber sections.

Der erste Prozesskammerabschnitt und der zweite Prozesskammerabschnitt können jeweils die gleiche Form, oder aber eine im Vergleich zueinander unterschiedliche Form aufweisen. In bevorzugter Ausgestaltung weist der erste Prozesskammerabschnitt eine viereckige, insbesondere rechteckige oder quadratische Form auf, so dass der erste Prozesskammerabschnitt quaderförmig ausgebildet ist. Der zweite Prozesskammerabschnitt weist eine runde oder ovale Form auf, so dass der zweite Prozesskammerabschnitt zylindrisch ausgebildet ist.The first process chamber section and the second process chamber section can each have the same shape or a different shape compared to one another. In a preferred embodiment, the first process chamber section has a quadrangular, in particular rectangular or square shape, so that the first process chamber section is cuboid. The second process chamber section has a round or oval shape, so that the second process chamber section is cylindrical.

Vorzugsweise ist die Größe des ersten Prozesskammerabschnitts größer als die Größe des zweiten Prozesskammerabschnitts. Insbesondere ist die Innen-Querschnittsfläche des ersten Prozesskammerabschnitts größer als die Innen-Querschnittsfläche des zweiten Prozesskammerabschnitts. Bei der Innen-Querschnittsfläche handelt es sich insbesondere um die gesamte Querschnittsfläche, abzüglich der Querschnittsfläche der Seitenwandung. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass die Innen-Querschnittsfläche insbesondere der Querschnittsfläche des Prozessraums entspricht, der durch die Seitenwandung begrenzt wird. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann in entsprechender Weise die Größe des ersten Prozesskammerabschnitts kleiner sein als die Größe des zweiten Prozesskammerabschnitts.Preferably, the size of the first process chamber section is larger than the size of the second process chamber section. In particular, the inner cross-sectional area of the first process chamber section is larger than the inner cross-sectional area of the second process chamber section. The inner cross-sectional area is in particular the entire cross-sectional area minus the cross-sectional area of the side wall. In other words, this means that the inner cross-sectional area corresponds in particular to the cross-sectional area of the process space that is delimited by the side wall. Correspondingly, according to another embodiment, the size of the first process chamber section can be smaller than the size of the second process chamber section.

Der gesamte Prozessraum des Unterdruck-Prozesskammer wird durch einen ersten Teil-Prozessraum des ersten Prozesskammerabschnitts gebildet, der durch einen entsprechenden Bereich der Seitenwandung begrenzt ist. Zusätzlich wird der Prozessraum der Unterdruck-Prozesskammer durch einen zweiten Teil-Prozessraum des zweiten Prozesskammerabschnitts gebildet, der durch einen entsprechenden Bereich der Seitenwandung begrenzt ist. Der gesamte Prozessraum entspricht somit der Summe aus dem ersten Teil-Prozessraum und dem zweiten Teil Prozessraum.The entire process space of the vacuum process chamber is formed by a first partial process space of the first process chamber section, which is delimited by a corresponding area of the side wall. In addition, the process space of the vacuum process chamber is formed by a second partial process space of the second process chamber section, which is delimited by a corresponding area of the side wall. The entire process space thus corresponds to the sum of the first partial process space and the second partial process space.

In einem solchen Fall hat die Unterdruck-Prozesskammer, von außen auf das Prozesskammergehäuse betrachtet, einen stufenförmigen Verlauf. Das obere Deckenelement des Prozesskammergehäuses besteht dann aus mehren Teilbereichen, wobei einzelne, vorzugsweise zwei, Teilbereiche den ersten Prozesskammerabschnitt nach oben begrenzen beziehungsweise abschließen und wenigsten ein Teilbereich den zweiten Prozesskammerabschnitt nach oben begrenzt beziehungsweise abschließt. In diesem Teilbereich befindet sich dann das optische Einkoppelelement.In such a case, the low-pressure process chamber, viewed from the outside of the process chamber housing, has a stepped profile. The upper cover element of the process chamber housing then consists of several partial areas, wherein individual, preferably two, partial areas delimit or close the first process chamber section at the top and at least one partial area delimits or closes the second process chamber section at the top. The optical coupling element is then located in this partial area.

Den Übergang zwischen dem ersten Prozesskammerabschnitt und dem zweiten Prozesskammerabschnitt bildet vorzugsweise eine Durchgangsöffnung, die möglichst groß ist, damit ein großes Scanfeld realisiert werden kann. Beispielsweise weist die Durchgangsöffnung eine Durchgangsfläche auf, die größenmäßig der Innen-Querschnittsfläche des zweiten Prozesskammerabschnitts entspricht. In anderer Ausgestaltung kann die Durchgangsöffnung geringfügig kleiner sein als die Innen-Querschnittsfläche des zweiten Kammerabschnitts, wobei der Unterschied vorzugsweise weniger als 20%, bevorzugt weniger als 10%, besonders bevorzugt weniger als 5% beträgt. Das heißt, die Durchgangsöffnung ist um diese genannten Prozentangaben kleiner als die Innen-Querschnittsfläche des zweiten Prozesskammerabschnitts. Wenn der zweite Prozesskammerabschnitt zylindrisch ist und somit einen entsprechenden Innendurchmesser aufweist, weist die Durchgangsöffnung vorzugsweise einen darauf bezogenen Durchmesser auf.The transition between the first process chamber section and the second process chamber section preferably forms a through opening that is as large as possible so that a large scan field can be realized. For example, the passage opening has a passage area that corresponds in size to the inner cross-sectional area of the second process chamber section. In another embodiment, the passage opening can be slightly smaller than the inner cross-sectional area of the second chamber section, the difference preferably being less than 20%, preferably less than 10%, particularly preferably less than 5%. This means that the passage opening is smaller by these stated percentages than the inner cross-sectional area of the second process chamber section. If the second process chamber section is cylindrical and thus has a corresponding inner diameter, the through-opening preferably has a diameter related thereto.

In Fall einer wie vorstehend beschriebenen Ausgestaltung der Unterdruck-Prozesskammer in Form eines ersten Prozesskammerabschnitts und eines zweiten Prozesskammerabschnitts ist bevorzugt realisiert, dass der zweite Prozesskammerabschnitt, das heißt die Kammererweiterung, insbesondere die Seitenwandung des zweiten Prozesskammerabschnitts, zumindest bereichsweise als Faltenbalg ausgebildet ist oder zumindest bereichsweise einen Faltenbalg aufweist.In the case of an embodiment of the vacuum process chamber as described above in the form of a first process chamber section and a second process chamber section, it is preferably realized that the second process chamber section, i.e. the chamber extension, in particular the side wall of the second process chamber section, is designed at least in regions as bellows or at least in regions has a bellows.

Bei den eingangs beschriebenen Lösungen zum Stand der Technik wurde die Übergangsöffnung zwischen dem Schutzgehäuse und der eigentlichen Prozesskammer möglichst klein gewählt, damit möglich wenige schädliche Prozessemissionen das optische Einkoppelelement erreichen können. Der Grund dafür lag insbesondere darin, dass sich das optische Einkoppelelement abstandsmäßig relativ nah an der Bearbeitungsebene, und damit an der Quelle der schädlichen Prozessemissionen, befindet. Durch diese Ausgestaltung wird aber das zur Verfügung stehende Scanfeld sehr stark eingeschränkt. Bei der vorliegenden Erfindung liegt der zweite Prozesskammerabschnitt, der durch das optische Einkoppelelement nach oben angeschlossen wird, aber außerhalb des ersten Prozesskammerabschnitts, so dass der Abstand zwischen dem optischen Einkoppelelement und der Bearbeitungsebene möglichst groß gehalten werden kann. Dadurch kann auch die Durchgangsöffnung groß gehalten werden, was zu einer deutlichen Vergrößerung des Scanfelds führt.In the prior art solutions described above, the transition opening between the protective housing and the actual process chamber was selected to be as small as possible so that as few harmful process emissions as possible can reach the optical coupling element. The reason for this was, in particular, that the optical in-coupling element is located relatively close to the processing plane, and thus to the source of the harmful process emissions. However, the available scan field is severely limited by this configuration. In the present invention, the second process chamber section, which is connected at the top by the optical coupling element, lies outside the first process chamber section, so that the distance between the optical coupling element and the processing plane can be kept as large as possible. As a result, the passage opening can also be kept large, which leads to a significant enlargement of the scan field.

Im Fall eines ersten Prozesskammerabschnitts und eines zweiten Prozesskammerabschnitts kann der zweite Prozesskammerabschnitt bevorzugt an dem ersten Prozesskammerabschnitt angeordnet sein oder befestigbar sein, beispielsweise über eine geeignete Flanschverbindung. Handelt es sich bei dem zweiten Prozesskammerabschnitt um einen Faltenbalg, kann dieser über seine letzte Falte an dem ersten Prozesskammerabschnitt angeflanscht sein. In anderer Ausgestaltung kann der zweite Prozesskammerabschnitt verfahrbar, insbesondere linear verfahrbar, an dem ersten Prozesskammerabschnitt angeordnet sein.In the case of a first process chamber section and a second process chamber section, the second process chamber section can preferably be arranged on the first process chamber section or can be fastened, for example via a suitable flange connection. Is the second process chamber ab section around a bellows, this can be flanged over its last fold to the first process chamber section. In another configuration, the second process chamber section can be arranged to be movable, in particular linearly movable, on the first process chamber section.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der gesamte zweite Prozesskammerabschnitt als Faltenbalg ausgebildet. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Prozesskammerabschnitt mehrteilig ausgebildet, wobei wenigstens ein Teil des zweiten Prozesskammerabschnitts als Faltenbalg ausgebildet ist, und wobei wenigstens ein Teil des zweiten Prozesskammerabschnitts starr ausgebildet ist. Hier sind unterschiedliche Ausgestaltungen denkbar. Beispielsweise kann ein Teil als Faltenbalg ausgebildet sein, während ein sich daran oberhalb oder unterhalb anschließender zweiter Teil starr ausgebildet ist. Auch ist denkbar, dass sowohl oberhalb als auch unterhalb des als Faltenbalg ausgebildeten Teils ein starrer Teil ausgebildet ist. In einem solchen starren Teil kann beispielsweise eine Schutzvorrichtung zum Erzeugen eines Schutzgasstroms ausgebildet sein, wie sie im Zusammenhang mit dem zweiten Erfindungsaspekt weiter unten beschrieben wird. Denkbar sind grundsätzlich auch mehrere als Faltenbälge ausgebildete Teile und mehrere starre Teile, die sich abwechselnd in ihrer Gesamtheit den zweiten Prozesskammerabschnitt bilden.In a preferred embodiment, the entire second process chamber section is designed as a bellows. According to another preferred embodiment, the second process chamber section has a multipart design, with at least part of the second process chamber section being designed as bellows, and with at least part of the second process chamber section being designed to be rigid. Different configurations are conceivable here. For example, one part can be designed as a bellows, while a second part adjoining it above or below is rigid. It is also conceivable that a rigid part is formed both above and below the part designed as a bellows. In such a rigid part, for example, a protective device for generating a flow of protective gas can be formed, as is described further below in connection with the second aspect of the invention. In principle, several parts designed as bellows and several rigid parts are also conceivable, which alternately form the second process chamber section in their entirety.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der als Faltenbalg ausgebildete Bereich des Prozesskammergehäuses der Unterdruck-Prozesskammer zylinderförmig ausgebildet. Dadurch ist eine gute Vakuumbeständigkeit gegeben.In a preferred embodiment, the area of the process chamber housing of the vacuum process chamber designed as a bellows is designed in the shape of a cylinder. This ensures good vacuum resistance.

Bevorzugt besteht der Faltenbalg aus Metall, beispielsweise aus Edelstahl.The bellows are preferably made of metal, for example stainless steel.

Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Laser-Bearbeitungsvorrichtung bereitgestellt, welche die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 5 aufweist.According to the second aspect of the invention, there is provided a laser machining apparatus having the features of independent claim 5.

Wie beim ersten Erfindungsaspekt weist die Laser-Bearbeitungsvorrichtung eine über eine Evakuierungsvorrichtung evakuierbare Unterdruck-Prozesskammer auf, wobei die Unterdruck-Prozesskammer ein Prozesskammergehäuse mit einem unteren Bodenelement, einem oberen Deckenelement und einer sich dazwischen erstreckenden Seitenwandung aufweist, welche einen Prozessraum begrenzen, wobei im Deckenelement ein optisches Element angeordnet oder ausgebildet ist, welches bereitgestellt ist, um Bearbeitungs-Laserlicht in die Unterdruck-Prozesskammer einzukoppeln. Weiterhin weist die Laser-Bearbeitungsvorrichtung eine Werkstückaufnahme, welche innerhalb des Prozessraums der Unterdruck-Prozesskammer angeordnet oder ausgebildet ist, und welche zum Positionieren und/oder Halten des Werkstücks in einer Bearbeitungsebene bereitgestellt ist. Bezüglich dieser Merkmale wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Ausführungen zum ersten Erfindungsaspekt sowie auf die allgemeinen Ausführungen zur Erfindung weiter oben vollinhaltlich Bezug genommen und verwiesen. Insbesondere werden die Ausführungen weiter oben vollumfänglich auch zum Gegenstand des zweiten Erfindungsaspekt gemacht.As in the first aspect of the invention, the laser processing device has a vacuum process chamber that can be evacuated via an evacuation device, the vacuum process chamber having a process chamber housing with a lower floor element, an upper ceiling element and a side wall extending in between, which delimit a process space, with the ceiling element an optical element is arranged or formed, which is provided in order to couple processing laser light into the vacuum process chamber. Furthermore, the laser machining device has a workpiece holder which is arranged or formed within the process space of the vacuum process chamber and which is provided for positioning and/or holding the workpiece in a machining plane. With regard to these features, in order to avoid repetition, reference is made in full to the statements on the first aspect of the invention and to the general statements on the invention above. In particular, the explanations above are also made the subject of the second aspect of the invention in their entirety.

Das Prozesskammergehäuse gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt besteht aus mindestens zwei sich aneinander anschließenden Abschnitten, vorzugsweise unterschiedlicher Größe, wobei ein erster Prozesskammerabschnitt des Prozesskammergehäuses die Werkstückaufnahme aufweist, wobei sich oberhalb des ersten Prozesskammerabschnitts ein zweiter Prozesskammerabschnitt an den ersten Prozesskammerabschnitt anschließt, und wobei der Deckenbereich des Prozesskammergehäuses mit dem optischen Element den oberen Abschluss des zweiten Prozesskammerabschnitts bildet. Auch bezüglich dieser Merkmale wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Ausführungen zum ersten Erfindungsaspekt sowie auf die allgemeinen Ausführungen zur Erfindung weiter oben vollinhaltlich Bezug genommen und verwiesen. Insbesondere werden die Ausführungen weiter oben vollumfänglich auch zum Gegenstand des zweiten Erfindungsaspekt gemacht.The process chamber housing according to the second aspect of the invention consists of at least two adjacent sections, preferably of different sizes, with a first process chamber section of the process chamber housing having the workpiece holder, with a second process chamber section adjoining the first process chamber section above the first process chamber section, and with the ceiling area of the process chamber housing forms the upper end of the second process chamber section with the optical element. Also with regard to these features, to avoid repetition, reference is made in full to the statements on the first aspect of the invention and to the general statements on the invention further above. In particular, the explanations above are also made the subject of the second aspect of the invention in their entirety.

Gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt weist der zweite Prozesskammerabschnitt eine Schutzeinrichtung zur Erzeugung wenigstens eines Schutzgasstrahls auf, welcher zum Schutz des optischen Elements bereitgestellt ist, wobei die Schutzeinrichtung einen Schutzgaseintritt in einem ersten Abschnitt der Seitenwandung des zweiten Prozesskammerabschnitts und einen Schutzgasaustritt in einem zweiten Abschnitt der Seitenwandung des zweiten Prozesskammerabschnitts, der insbesondere dem ersten Abschnitt gegenüber liegt, aufweist. Der Schutzgaseintritt kann auch als Schutzgaseinlass bezeichnet werden. Bevorzugt ist der Schutzgaseintritt mit einem Gaszufuhrkanal verbunden. Der Schutzgasaustritt kann auch als Schutzgasauslass bezeichnet werden. Bevorzugt ist die Schutzeinrichtung derart ausgebildet, dass sie in der Lage ist, wenigstens einen in Querströmung zum optischen Element verlaufenden Schutzgasstrahl zu erzeugen.According to the second aspect of the invention, the second process chamber section has a protective device for generating at least one protective gas jet, which is provided to protect the optical element, the protective device having a protective gas inlet in a first section of the side wall of the second process chamber section and a protective gas outlet in a second section of the side wall of the second process chamber section, which in particular is opposite the first section. The inert gas inlet can also be referred to as inert gas inlet. The protective gas inlet is preferably connected to a gas supply channel. The inert gas outlet can also be referred to as an inert gas outlet. The protective device is preferably designed in such a way that it is able to generate at least one protective gas jet running in a transverse flow to the optical element.

Die Funktionsweise der Schutzeinrichtung ist wie folgt. Das Schutzgas wird über den Schutzgaseintritt in den Prozessraum des zweiten Prozesskammerabschnitts eingeführt und strömt in Querrichtung zum zu schützenden optischen Einkoppelelement. Dadurch entsteht eine Art Vorhang, der schädliche Prozessemissionen davon abhält, zum optischen Einkoppelelement zu gelangen und sich auf diesem abzusetzen. Prozessemissionen, die in den Schutzgasstrahl gelangen, werden über den Schutzgasaustritt aus dem zweiten Prozesskammerabschnitt, und damit aus dem Prozessraum der Unterdruck-Prozesskammer ausgetragen. Die Absaugung kann dem Schutzgaseintritt gegenüber angeordnet werden, um einen möglichst gleichförmigen Gasfluss zu ermöglich. Die Absaugung kann innerhalb der Kammer, das heißt innerhalb des ersten Prozesskammerabschnitts, sowie außerhalb der Kammer, das heißt in der Kammererweiterung beziehungsweise im zweiten Prozesskammerabschnitt angebracht werden. Eine Kombination von beiden Anordnungen ist ebenfalls möglich.The function of the protective device is as follows. The protective gas is introduced into the process space of the second process chamber section via the protective gas inlet and flows in the transverse direction to the optical coupling element to be protected. This creates a kind of curtain that prevents harmful process emissions from going to the optical To get coupling element and settle on this. Process emissions that get into the protective gas jet are discharged via the protective gas outlet from the second process chamber section, and thus from the process space of the vacuum process chamber. The extraction can be arranged opposite the protective gas inlet in order to enable a gas flow that is as uniform as possible. The suction can be installed inside the chamber, ie inside the first process chamber section, and outside the chamber, ie in the chamber extension or in the second process chamber section. A combination of both arrangements is also possible.

Das Schutzgas ist nicht auf bestimmte Gasarten, die auch vom eigentlichen Bearbeitungsprozess abhängen, beschränkt. Beispielsweise kann das Schutzgas ein inertes Gas sein. Beispielsweise kann das Schutzgas Argon, Stickstoff, Edelgas, Luft, Sauerstoff, oder dergleichen sein.The protective gas is not limited to certain types of gas, which also depend on the actual machining process. For example, the protective gas can be an inert gas. For example, the shielding gas can be argon, nitrogen, inert gas, air, oxygen, or the like.

Bevorzugt weist der Schutzgaseintritt eine oder mehrere Bohrungen und/oder eine oder mehrere Düsen, beispielsweise Schlitzdüsen, auf, die nebeneinander und/oder übereinander oder untereinander im ersten Abschnitt der Seitenwandung des zweiten Prozesskammerabschnitts angeordnet oder ausgebildet sind. Diese können über den Umfang verteilt in der Seitenwandung des zweiten Prozesskammerabschnitts angeordnet oder ausgebildet sein. Über die entsprechende Auswahl und Anordnung der genannten Komponenten des Schutzgaseintritts lässt sich beispielsweise ein einziger Schutzgasstrom erzeugen. Bei entsprechender Ausgestaltung sind aber auch mehrere übereinander beziehungsweis untereinander ausgebildete Schutzgasströme realisierbar. Der Schutzgaseintritt kann direkt unterhalb des optischen Einkoppelelements liegen. Dabei kann der Schutzgaseintritt als einfache Bohrung, als Schlitzdüse oder als eine Vielzahl an Bohrungen, die senkrecht auf dem Bearbeitungs-Laserlicht stehend über den Umfang der Kammererweiterung verteilt sind, realisiert werden. Eine insbesondere ovale, Schlitzdüse erzeugt einen höheren Volumenstrom im Zentrum des zweiten Prozesskammerabschnitts. Es können mehrere übereinander liegende Flachstrahlschutzgasströme realisiert werden, um einen möglichst guten Schutz des optischen Einkoppelelements zu ermöglichen. Hier ist ein möglichst großer Abstand zwischen dem optischen Einkoppelelement und der Schutzeinrichtung vorteilhaft. In bevorzugter Ausgestaltung ist der Schutzgaseintritt in Form einer Düse ausgebildet, die nach dem Prinzip der Aerospikedüse funktioniert.The protective gas inlet preferably has one or more bores and/or one or more nozzles, for example slotted nozzles, which are arranged or formed next to one another and/or one above the other or below one another in the first section of the side wall of the second process chamber section. These can be arranged or formed distributed over the circumference in the side wall of the second process chamber section. A single stream of protective gas can be generated, for example, by selecting and arranging the specified components of the protective gas inlet accordingly. With an appropriate configuration, however, several protective gas flows can also be implemented one above the other or one below the other. The protective gas inlet can be directly below the optical coupling element. The protective gas inlet can be implemented as a simple bore, as a slot nozzle or as a large number of bores, which are distributed over the circumference of the chamber expansion standing perpendicularly to the processing laser light. A particularly oval slit nozzle generates a higher volume flow in the center of the second process chamber section. Several flat jet protective gas streams lying one above the other can be realized in order to enable the best possible protection of the optical coupling element. The greatest possible distance between the optical coupling element and the protective device is advantageous here. In a preferred embodiment, the protective gas inlet is designed in the form of a nozzle that works according to the principle of the aerospike nozzle.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Schutzgasaustritt schlitzförmig ausgebildet, wobei sich die Schlitzlänge über einen Teil des Umfangs des zweiten Prozesskammerabschnitts erstreckt und in dessen Seitenwandung ausgebildet ist. Dieser schlitzförmige Schutzgasaustritt kann dann nach hinten, das heißt von dem zweiten Prozesskammerabschnitt wegweisend, in ein Standardflanschmaß zulaufen und beispielsweise mit einer Gasabsaugleitung verbunden werden.In a preferred embodiment, the protective gas outlet is designed in the form of a slit, with the length of the slit extending over part of the circumference of the second process chamber section and being formed in its side wall. This slit-shaped protective gas outlet can then run to the rear, ie pointing away from the second process chamber section, into a standard flange dimension and be connected to a gas extraction line, for example.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Schutzgaseintritt auf einer Seite des zweiten Prozesskammerabschnitts angeordnet oder ausgebildet, während der Schutzgasaustritt auf der anderen Seite zweiten Prozesskammerabschnitts angeordnet oder ausgebildet ist. Der Schutzgasstrom, der vom Schutzgaseintritt zum Schutzgasaustritt verläuft, erstreckt sich dazwischen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind der Schutzgaseintritt und der Schutzgasaustritt im Vergleich zueinander auf gleicher Höhe in der Seitenwandung des zweiten Prozesskammerabschnitts angeordnet oder ausgebildet. In diesem Fall befindet sich der Schutzgaseintritt gegenüber, insbesondere direkt gegenüberliegend, dem Schutzgasaustritt. In anderer Ausgestaltung sind der Schutzgaseintritt und der Schutzgasaustritt im Vergleich zueinander in der Höhe versetzt zueinander in der Seitenwandung des zweiten Prozesskammerabschnitts angeordnet oder ausgebildet. Vorzugsweise kann der Schutzgasaustritt im Vergleich zum Schutzgaseintritt tieferliegend sein, so dass der Schutzgasstrahl im Prozessraum des zweiten Prozesskammerabschnitts einen schrägen, insbesondere bogenförmigen, kurvenförmigen oder S-förmigen Verlauf hat. Der Schutzgaseintritt kann sich in diesem Fall bevorzugt direkt unterhalb des optischen Einkoppelelements befinden. In a preferred embodiment, the protective gas inlet is arranged or formed on one side of the second process chamber section, while the protective gas outlet is arranged or formed on the other side of the second process chamber section. The protective gas flow, which runs from the protective gas inlet to the protective gas outlet, extends in between. In a preferred embodiment, the protective gas inlet and the protective gas outlet are arranged or formed at the same height in comparison to one another in the side wall of the second process chamber section. In this case, the protective gas inlet is located opposite, in particular directly opposite, the protective gas outlet. In another configuration, the protective gas inlet and the protective gas outlet are arranged or formed offset in height compared to one another in the side wall of the second process chamber section. The protective gas outlet can preferably be lower compared to the protective gas inlet, so that the protective gas jet in the process space of the second process chamber section has an inclined, in particular arcuate, curved or S-shaped course. In this case, the protective gas inlet can preferably be located directly below the optical coupling element.

Bevorzugt ist der Schutzgasaustritt mit einer Absaugvorrichtung verbunden, die insbesondere auch die Evakuierungsvorrichtung für die Unterdruck-Prozesskammer ist. Die Absaugvorrichtung und die Evakuierungsvorrichtung können in anderer Ausgestaltung aber auch als jeweils eigenständige und voneinander unabhängige Komponenten ausgebildet sein.The protective gas outlet is preferably connected to a suction device, which in particular is also the evacuation device for the vacuum process chamber. In another configuration, however, the suction device and the evacuation device can also be embodied as separate components that are independent of one another.

Vorzugsweise ist/sind vor oder in dem Schutzgaseintritt eine den Volumenstrom begrenzende Vorrichtung, insbesondere ein Ventil, angeordnet, und/oder nach oder in dem Schutzgasaustritt eine den Volumenstrom begrenzende Vorrichtung, insbesondere ein Ventil, angeordnet. Dadurch kann der Druck im Prozessraum der Unterdruck-Prozesskammer aktiv geregelt werden.A device limiting the volume flow, in particular a valve, is/are preferably arranged before or in the protective gas inlet, and/or a device limiting the volume flow, in particular a valve, is/are arranged downstream or in the protective gas outlet. As a result, the pressure in the process space of the vacuum process chamber can be actively regulated.

Vorzugsweise ist der Schutzgaseintritt zur Erzeugung eines laminaren Schutzgasstroms bereitgestellt. Eine laminare Strömung ist dabei insbesondere eine gleichmäßige, wirbelfreie Strömung. Das Erreichen einer über den gesamten InnenQuerschnitt des zweiten Prozesskammerabschnitts laminaren Strömung ermöglicht eine signifikante Reduktion der benötigten Schutzgasmenge.The protective gas inlet is preferably provided for generating a laminar protective gas flow. A laminar flow is in particular a uniform, turbulence-free flow. Achieving a cross over the entire interior The laminar flow design of the second process chamber section enables a significant reduction in the amount of protective gas required.

Um eine möglichst gleichbleibende und laminare Strömung zu erreichen, können gleichrichtende Elemente vor oder in dem Schutzgaseintritt angeordnet werden. In einem solchen Fall ist vor oder in dem Schutzgaseintritt vorzugsweise eine Einrichtung zur Erzeugung einer gleichbleibenden laminaren Strömung angeordnet oder ausgebildet, insbesondere in Form von Schäumen, Drahtgewebe, Strömungskanälen, 3D-gedruckten Bauteilen, und dergleichen.In order to achieve a flow that is as constant and laminar as possible, rectifying elements can be arranged in front of or in the protective gas inlet. In such a case, a device for generating a constant laminar flow is preferably arranged or formed in front of or in the protective gas inlet, in particular in the form of foams, wire mesh, flow channels, 3D-printed components and the like.

Innerhalb des zweiten Prozesskammerabschnitts, vorzugsweise oberhalb der Schutzeinrichtung, ist bevorzugt eine variable Blende zur Reduzierung der Innen-Querschnittsfläche des zweiten Prozesskammerabschnitts angeordnet. Dadurch wird zwar das erreichbare Scanfeld des Bearbeitungs-Laserlichts verkleinert, es können aber stark emittierende Werkstoffe verarbeitet werden.A variable screen for reducing the inner cross-sectional area of the second process chamber section is preferably arranged within the second process chamber section, preferably above the protective device. Although this reduces the achievable scan field of the processing laser light, it is possible to process highly emitting materials.

In bevorzugter Ausgestaltung weist die Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt zusätzlich auch eine Ausgestaltung gemäß dem ersten Erfindungsaspekt auf. In diesem Fall wird eine Laser-Bearbeitungsvorrichtung bereitgestellt, die sowohl den ersten Erfindungsaspekt als auch den zweiten Erfindungsaspekt umfasst. Das heißt, die Laser-Bearbeitungsvorrichtung weist nicht nur eine Schutzeinrichtung auf, sondern zumindest ein Teil der Unterdruck-Prozesskammer ist zudem auch als Faltenbalg ausgebildet. Bezüglich dieser Merkmale wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Ausführungen zum ersten Erfindungsaspekt sowie auf die allgemeinen Ausführungen zur Erfindung weiter oben vollinhaltlich Bezug genommen und verwiesen. Insbesondere werden die Ausführungen zum ersten Erfindungsaspekt weiter oben vollumfänglich auch zum Gegenstand des zweiten Erfindungsaspekt gemacht.In a preferred configuration, the laser machining device according to the second aspect of the invention also has a configuration according to the first aspect of the invention. In this case, there is provided a laser machining apparatus including both the first aspect of the invention and the second aspect of the invention. This means that the laser processing device not only has a protective device, but at least part of the vacuum process chamber is also designed as a bellows. With regard to these features, in order to avoid repetition, reference is made in full to the statements on the first aspect of the invention and to the general statements on the invention above. In particular, the statements made above regarding the first aspect of the invention are also made the subject of the second aspect of the invention in their entirety.

In einem solchen Fall kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Schutzeinrichtung in demjenigen Teil des zweiten Prozesskammerabschnitts angeordnet oder ausgebildet ist, der als Faltenbalg ausgebildet ist. Weist der zweite Prozesskammerabschnitt einen als Faltenbalg ausgebildeten Teil und zusätzlich dazu wenigstens einen starren Teil auf, ist die Schutzeinrichtung vorzugsweise in dem starren Teil angeordnet oder ausgebildet, entweder in einem starren Teil oberhalb des Faltenbalgteils oder aber in einem starren Teil unterhalb des Faltenbalgteils. Befindet sich der als Faltenbalg ausgebildete Teil zwischen zwei starren Teilen, ist vorzugsweise ein Teil der Schutzeinrichtung, beispielsweise der Schutzgaseintritt, in einem starren Teil oberhalb des Faltenbalgteils angeordnet oder ausgebildet, während ein anderer Teil der Schutzeinrichtung, beispielsweise der Schutzgasaustritt, in einem starren Teil unterhalb des Faltenbalgteils angeordnet oder ausgebildet ist. Die Schutzeinrichtung kann aber auch in den beiden starren Teilen angeordnet oder ausgebildet sein.In such a case, provision can be made, for example, for the protective device to be arranged or formed in that part of the second process chamber section which is formed as a bellows. If the second process chamber section has a part designed as a bellows and additionally at least one rigid part, the protective device is preferably arranged or formed in the rigid part, either in a rigid part above the bellows part or in a rigid part below the bellows part. If the part designed as a bellows is located between two rigid parts, a part of the protective device, for example the protective gas inlet, is preferably arranged or formed in a rigid part above the bellows part, while another part of the protective device, for example the protective gas outlet, is in a rigid part below of the bellows part is arranged or formed. However, the protective device can also be arranged or formed in the two rigid parts.

In herkömmlicher Weise weist die Laser-Bearbeitungsvorrichtung vorzugsweise eine Lasereinrichtung auf, die Bearbeitungs-Laserlicht, insbesondere Bearbeitungs-Laserstrahlen erzeugt, wobei die Lasereinrichtung oberhalb und außerhalb der Unterdruck-Prozesskammer angeordnet ist. Als Laserquelle können beispielsweise Festkörperlaser vom Typ Scheiben- oder Faserlaser verwendet werden. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die genannten Lasertypen beschränkt, so dass auch andere Lasertypen verwendet werden können. Die Laserstrahlung kann bei diesen Typen über ein Lichtleitkabel über mehrere Meter transportiert und in die Laseroptik eingekoppelt werden. In der Laseroptik erfolgen die Kollimierung und Fokussierung, vorzugsweise mit festen Brennweiten. In der Lasereinrichtung befinden sich keine Verschleißteile, die sich negativ auf die Strahlqualität auswirken können.In a conventional manner, the laser processing device preferably has a laser device that generates processing laser light, in particular processing laser beams, with the laser device being arranged above and outside the vacuum process chamber. Solid-state lasers of the disk or fiber laser type, for example, can be used as the laser source. Of course, the invention is not limited to the laser types mentioned, so that other types of lasers can also be used. With these types, the laser radiation can be transported over several meters via a fiber optic cable and coupled into the laser optics. Collimation and focusing are carried out in the laser optics, preferably with fixed focal lengths. There are no wearing parts in the laser device that could have a negative impact on the beam quality.

Vorzugsweise ist die Werkstückaufnahme höhenverstellbar, das heißt in Z-Richtung verfahrbar, innerhalb des Prozessraums der Unterdruck-Prozesskammer angeordnet oder ausgebildet. Dadurch kann der Abstand zwischen dem optischen Einkoppelelement und der Bearbeitungsebene für das Werkstück auch bei sich ändernden Werkstückgeometrien gleich gehalten werden. Insbesondere ist ein maximaler Abstand zwischen den beiden genannten Komponenten gewährleistet.The workpiece holder is preferably height-adjustable, that is to say movable in the Z-direction, and is arranged or formed within the process space of the vacuum process chamber. As a result, the distance between the optical coupling element and the processing plane for the workpiece can be kept the same even with changing workpiece geometries. In particular, a maximum distance between the two components mentioned is guaranteed.

Zusammengefasst lässt sich die Laser-Bearbeitungsvorrichtung, welche insbesondere für das Laserschweißen von Werkstücken im Unterdruck, vorzugsweise im Vakuum, bereitgestellt ist, wie folgt beschreiben:

Sie weist eine über eine Evakuierungsvorrichtung evakuierbare Unterdruck-Prozesskammer auf, wobei die Unterdruck-Prozesskammer ein Prozesskammergehäuse mit einem unteren Bodenelement, einem oberen Deckenelement und einer sich dazwischen erstreckenden Seitenwandung aufweist, welche einen Prozessraum begrenzen, wobei im Deckenelement ein optisches Element angeordnet oder ausgebildet ist, welches bereitgestellt ist, um Bearbeitungs-Laserlicht in die Unterdruck-Prozesskammer einzukoppeln, sowie weiterhin aufweisend eine Werkstückaufnahme, welche innerhalb des Prozessraums angeordnet oder ausgebildet ist, und welche zum Positionieren und/oder Halten des Werkstücks in einer Bearbeitungsebene bereitgestellt ist. Um das optische Element wirksam vor nachteiligen Prozessemissionen zu schützen, ist das Prozesskammergehäuse der Unterdruck-Prozesskammer zumindest bereichsweise als Faltenbalg ausgebildet oder weist zumindest bereichsweise einen Faltenbalg auf und/oder das Prozesskammergehäuse weist eine Schutzeinrichtung zur Erzeugung wenigstens eines Schutzgasstrahls auf, welcher zum Schutz des optischen Elements bereitgestellt ist, wobei die Schutzeinrichtung in der Seitenwandung des Prozesskammergehäuses einen Schutzgaseintritt und einen Schutzgasaustritt, der insbesondere dem Schutzgaseintritt gegenüber liegt, aufweist.

In summary, the laser processing device, which is provided in particular for the laser welding of workpieces in negative pressure, preferably in a vacuum, can be described as follows:

It has a vacuum process chamber that can be evacuated via an evacuation device, the vacuum process chamber having a process chamber housing with a lower floor element, an upper ceiling element and a side wall extending in between, which delimit a process space, with an optical element being arranged or formed in the ceiling element , which is provided to couple processing laser light into the vacuum process chamber, as well as further having a workpiece holder, which is arranged or formed within the processing space, and which is provided for positioning and/or holding the workpiece in a processing plane. In order to effectively protect the optical element from harmful process emissions, the process chamber housing is the sub pressure process chamber is at least partially designed as a bellows or has at least partially a bellows and/or the process chamber housing has a protective device for generating at least one protective gas jet, which is provided to protect the optical element, the protective device in the side wall of the process chamber housing having a protective gas inlet and an inert gas outlet, which is in particular opposite the inert gas inlet.

Gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Laser-Bearbeiten eines Werkstücks, insbesondere mittels einer Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß dem ersten Erfindungsaspekt bereitgestellt, das durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:

a) ein zu bearbeitendes Werkstück wird auf oder in einer Werkstückaufnahme innerhalb eines Prozessraums einer Unterdruck-Prozesskammer einer Laser-Bearbeitungsvorrichtung platziert, wobei die Unterdruck-Prozesskammer ein Prozesskammergehäuse mit einem unteren Bodenelement, einem oberen Deckenelement und einer sich dazwischen erstreckenden Seitenwandung aufweist, welche einen Prozessraum begrenzen, wobei im Deckenelement ein optisches Element angeordnet oder ausgebildet ist, welches bereitgestellt ist, um Bearbeitungs-Laserlicht in die Unterdruck-Prozesskammer einzukoppeln;
b) der Prozessraum der Unterdruck-Prozesskammer wird mittels einer Evakuierungsvorrichtung auf einen Betriebs-Unterdruck evakuiert;
c) das Prozesskammergehäuse der Unterdruck-Prozesskammer ist zumindest bereichsweise als Faltenbalg ausgebildet oder weist zumindest bereichsweise einen Faltenbalg auf, wobei ein für die Bearbeitung des Werkstücks vorgesehener Abstand zwischen dem optischen Element im oberen Deckenelement des Prozesskammergehäuses und einer Bearbeitungsebene durch Betätigung des Faltenbalgs eingestellt wird, und/oder die Werkstückaufnahme ist höhenverstellbar innerhalb des Prozessraums der Unterdruck-Prozesskammer angeordnet oder ausgebildet, wobei ein für die Bearbeitung des Werkstücks vorgesehener Abstand zwischen dem optischen Element im oberen Deckenelement des Prozesskammergehäuses und einer Bearbeitungsebene durch eine Höhenverstellung der Werkstückaufnahme innerhalb des Prozessraums der Unterdruck-Prozesskammer eingestellt wird;
d) ein mittels einer Lasereinrichtung erzeugter Laser-Bearbeitungsstrahl wird über das optische Element im oberen Deckenelement des Prozesskammergehäuses in den Prozessraum eingekoppelt und auf das zu bearbeitende Werkstück gerichtet.

According to the third aspect of the invention, a method for laser machining a workpiece, in particular by means of a laser machining device according to the first aspect of the invention, is provided, which is characterized by the following steps:

a) a workpiece to be processed is placed on or in a workpiece holder within a process space of a vacuum process chamber of a laser processing device, the vacuum process chamber having a process chamber housing with a lower base element, an upper cover element and a side wall extending in between, which has a Defining the process space, with an optical element being arranged or formed in the ceiling element, which is provided in order to couple processing laser light into the vacuum process chamber;
b) the process space of the vacuum process chamber is evacuated to an operating vacuum by means of an evacuation device;
c) the process chamber housing of the vacuum process chamber is at least partially designed as a bellows or has at least partially a bellows, wherein a distance provided for the processing of the workpiece between the optical element in the upper cover element of the process chamber housing and a processing plane is set by actuating the bellows, and/or the workpiece holder is arranged or designed to be adjustable in height within the process space of the vacuum process chamber, with a distance provided for the processing of the workpiece between the optical element in the upper cover element of the process chamber housing and a processing level being increased by a height adjustment of the workpiece holder within the process space of the vacuum process chamber is adjusted;
d) a laser processing beam generated by a laser device is coupled into the processing space via the optical element in the upper cover element of the process chamber housing and directed onto the workpiece to be processed.

Die einzelnen Verfahrensschritte müssen dabei nicht unbedingt in der angegebenen Reihenfolge ablaufen. Einzelne Verfahrensschritte können auch gleichzeitig oder in anderer Reihenfolge ablaufen.The individual method steps do not necessarily have to take place in the specified order. Individual method steps can also take place simultaneously or in a different order.

Bezüglich des Ablaufs des Verfahrens sowie dessen Funktionsweise wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Ausführungen zum ersten Erfindungsaspekt sowie auf die allgemeinen Ausführungen zur Erfindung weiter oben sowie auf die Figurenbeschreibung weiter unten vollinhaltlich Bezug genommen und verwiesen. Insbesondere werden diese Ausführungen vollumfänglich auch zum Gegenstand des dritten Erfindungsaspekt gemacht.With regard to the course of the method and its mode of operation, in order to avoid repetition, reference is made in full to the statements on the first aspect of the invention and to the general statements on the invention above and to the description of the figures below. In particular, these explanations are also made the subject of the third aspect of the invention in their entirety.

Gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Laser-Bearbeiten eines Werkstücks, insbesondere mittels einer Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, bereitgestellt, das durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:

a) ein zu bearbeitendes Werkstück wird auf oder in einer Werkstückaufnahme innerhalb eines Prozessraums einer Unterdruck-Prozesskammer einer Laser-Bearbeitungsvorrichtung platziert, wobei die Unterdruck-Prozesskammer ein Prozesskammergehäuse mit einem unteren Bodenelement, einem oberen Deckenelement und einer sich dazwischen erstreckenden Seitenwandung aufweist, welche einen Prozessraum begrenzen, wobei im Deckenelement ein optisches Element angeordnet oder ausgebildet ist, welches bereitgestellt ist, um Bearbeitungs-Laserlicht in die Unterdruck-Prozesskammer einzukoppeln, wobei das Prozesskammergehäuse aus mindestens zwei sich aneinander anschließenden Abschnitten, vorzugsweise unterschiedlicher Größe, besteht, wobei ein erster Prozesskammerabschnitt des Prozesskammergehäuses die Werkstückaufnahme aufweist, wobei sich oberhalb des ersten Prozesskammerabschnitts ein zweiter Prozesskammerabschnitt an den ersten Prozesskammerabschnitt anschließt, und wobei das Deckenelement des Prozesskammergehäuses mit dem optischen Element den oberen Abschluss des zweiten Prozesskammerabschnitts bildet;
b) der Prozessraum der Unterdruck-Prozesskammer wird mittels einer Evakuierungsvorrichtung auf einen Betriebs-Unterdruck evakuiert;
c) über eine im zweiten Prozesskammerabschnitt vorgesehene Schutzeinrichtung wird ein Schutzgasstrahl, welcher zum Schutz des optischen Elements bereitgestellt ist, erzeugt und über einen Schutzgaseintritt in einem ersten Abschnitt der Seitenwandung des zweiten Prozesskammerabschnitts in den Prozessraum der Unterdruck-Prozesskammer eingeführt;
d) über einen Schutzgasaustritt in einem zweiten Abschnitt der Seitenwandung des zweiten Prozesskammerabschnitts, der insbesondere dem ersten Abschnitt der Seitenwandung gegenüber liegt, wird, insbesondere über die Evakuierungsvorrichtung, so viel Gas aus der Unterdruck-Prozesskammer evakuiert, wie Schutzgas über den Schutzgaseintritt in den Prozessraum eingeführt wird, um den im Prozessraum herrschenden Betriebs-Unterdruck stabil zu halten;
e) ein mittels einer Lasereinrichtung erzeugter Laser-Bearbeitungsstrahl wird über das optische Element im oberen Deckenelement des Prozesskammergehäuses in den Prozessraum eingekoppelt und auf das zu bearbeitende Werkstück gerichtet.

According to the fourth aspect of the invention, a method for laser machining a workpiece, in particular by means of a laser machining device according to the second aspect of the invention, is provided, which is characterized by the following steps:

a) a workpiece to be processed is placed on or in a workpiece holder within a process space of a vacuum process chamber of a laser processing device, the vacuum process chamber having a process chamber housing with a lower base element, an upper cover element and a side wall extending in between, which has a Limiting the process space, with an optical element being arranged or formed in the ceiling element, which is provided in order to couple processing laser light into the vacuum process chamber, the process chamber housing consisting of at least two adjoining sections, preferably of different sizes, with a first process chamber section of the process chamber housing has the workpiece holder, with a second process chamber section adjoining the first process chamber section above the first process chamber section, and with the cover element of the process chamber chamber housing with the optical element forms the upper end of the second process chamber section;
b) the process space of the vacuum process chamber is evacuated to an operating vacuum by means of an evacuation device;
c) via a protective device provided in the second process chamber section Protective gas jet, which is provided to protect the optical element, is generated and introduced into the process space of the vacuum process chamber via a protective gas inlet in a first section of the side wall of the second process chamber section;
d) via a protective gas outlet in a second section of the side wall of the second process chamber section, which in particular is opposite the first section of the side wall, as much gas is evacuated from the vacuum process chamber, in particular via the evacuation device, as there is protective gas via the protective gas inlet into the process space is introduced in order to keep the operating negative pressure prevailing in the process space stable;
e) a laser processing beam generated by a laser device is coupled into the processing space via the optical element in the upper cover element of the process chamber housing and directed onto the workpiece to be processed.

Bezüglich des Ablaufs des Verfahrens sowie dessen Funktionsweise wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Ausführungen zum ersten und zweiten Erfindungsaspekt sowie auf die allgemeinen Ausführungen zur Erfindung weiter oben und auf die Figurenbeschreibung weiter unten vollinhaltlich Bezug genommen und verwiesen. Insbesondere werden diese Ausführungen vollumfänglich auch zum Gegenstand des vierten Erfindungsaspekt gemacht.With regard to the course of the method and its mode of operation, to avoid repetition, reference is made in full to the statements on the first and second aspects of the invention and to the general statements on the invention above and to the description of the figures below. In particular, these explanations are also made the subject of the fourth aspect of the invention in their entirety.

Vorzugsweise ist das Prozesskammergehäuse zumindest bereichsweise als Faltenbalg ausgebildet oder weist zumindest bereichsweise einen Faltenbalg auf, wobei ein für die Bearbeitung des Werkstücks vorgesehener Abstand zwischen dem optischen Element im oberen Deckenelement des Prozesskammergehäuses und einer Bearbeitungsebene durch Betätigung des Faltenbalgs eingestellt wird. Alternativ oder zusätzlich kann ein für die Bearbeitung des Werkstücks vorgesehener Abstand zwischen dem optischen Element im oberen Deckenelement des Prozesskammergehäuses und einer Bearbeitungsebene durch eine Höhenverstellung der Werkstückaufnahme innerhalb des Prozessraums eingestellt werden.The process chamber housing is preferably configured as a bellows at least in some areas or has a bellows at least in some areas, with a distance provided for processing the workpiece between the optical element in the upper cover element of the process chamber housing and a processing plane being set by actuating the bellows. Alternatively or additionally, a distance provided for processing the workpiece between the optical element in the upper cover element of the process chamber housing and a processing plane can be set by adjusting the height of the workpiece holder within the processing space.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen in größerem Detail beschrieben. Es zeigen

1 eine prinzipielle Laser-Bearbeitungsvorrichtung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist;
2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Laser-Bearbeitungsvorrichtung;
3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Laser-Bearbeitungsvorrichtung;
4 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Laser-Bearbeitungsvorrichtung; und
5 verschiedene Ausführungsformen eines Schutzgaseintritts in die Unterdruck-Prozesskammer einer erfindungsgemäßen Laser-Bearbeitungsvorrichtung.

The invention is described in more detail below using exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it

1 a principal laser machining apparatus known in the prior art;
2 a first embodiment of a laser machining device according to the invention;
3 a second embodiment of a laser machining apparatus according to the invention;
4 a third embodiment of a laser machining apparatus according to the invention; and
5 various embodiments of a protective gas inlet into the vacuum process chamber of a laser machining device according to the invention.

In den Figuren ist jeweils eine Laser-Bearbeitungsvorrichtung 10 dargestellt, die für das Laserschweißen von Werkstücken im Unterdruck, vorzugsweise im Vakuum, eingesetzt wird.In each of the figures, a laser processing device 10 is shown, which is used for the laser welding of workpieces under reduced pressure, preferably in a vacuum.

Anhand der 1 wird zunächst der grundsätzliche Aufbau und die grundsätzliche Funktionsweise einer solchen Laser-Bearbeitungsvorrichtung 10 erläutert, wie er/sie auch aus dem Stand der Technik bereits bekannt ist.Based on 1 First of all, the basic structure and the basic mode of operation of such a laser processing device 10 is explained, as it is also already known from the prior art.

Die Laser-Bearbeitungsvorrichtung 10 weist zwei Grundkomponenten auf, nämlich eine Lasereinrichtung 11 zum Erzeugen von Bearbeitungs-Laserlicht, und eine Unterdruck-Prozesskammer 20. Die Unterdruck-Prozesskammer 20 ist vakuumdicht und wird über eine nicht dargestellte Evakuierungsvorrichtung auf den für die Bearbeitung erforderlichen Betriebs-Unterdruck gebracht und auf diesem gehalten.The laser processing device 10 has two basic components, namely a laser device 11 for generating processing laser light, and a low-pressure process chamber 20. The low-pressure process chamber 20 is vacuum-tight and is adjusted to the operating conditions required for processing via an evacuation device (not shown). Negative pressure brought and kept on this.

Die Lasereinrichtung 11 verfügt über eine Laseroptik 11a, bestehend aus dem eigentlichen Laser 12, einer Kollimierlinse 14, welche sich im Strahlengang im Abstand einer Kollimierlänge 13 von dem Laser 12 befindet, und einer Fokussierlinse 15 oder einer anderen Fokussieroptik. Zudem kann die Lasereinrichtung 11 optional über eine Bilderfassungseinrichtung 16, beispielsweise eine Kamera, verfügen. Mittels der Lasereinrichtung 11 wird Bearbeitungs-Laserlicht 17 zur Bearbeitung eines Werkstücks 19 erzeugt, welches sich in der Unterdruck-Prozesskammer 20 befindet.The laser device 11 has laser optics 11a, consisting of the actual laser 12, a collimating lens 14, which is located in the beam path at a distance of a collimating length 13 from the laser 12, and a focusing lens 15 or other focusing optics. In addition, the laser device 11 can optionally have an image acquisition device 16, for example a camera. The laser device 11 is used to generate processing laser light 17 for processing a workpiece 19 which is located in the vacuum process chamber 20 .

Dazu weist die Unterdruck-Prozesskammer 20 in deren Innenraum 20a eine Werkstückaufnahme 21 auf, auf/in der das zu bearbeitende Werkstück 19 gehalten wird. Da die Unterdruck-Prozesskammer 20 vakuumdicht ist, weist diese an ihrer der Lasereinrichtung 11 zugewandten Seite, bei der es sich üblicherweise um die obere Deckenseite der Unterdruck-Prozesskammer 20 handelt, ein optisches Element 22 zum Einkoppeln von Bearbeitungs-Laserlicht 17 in die Unterdruck-Prozesskammer 20 auf. Dieses optische Element 20 ist beispielsweise in Form eines Schutzglases oder Schutzfensters ausgebildet. Das von der Lasereinrichtung 11 erzeugte Bearbeitungs-Laserlicht 17 wird über das optische Element 22 in die Unterdruck-Prozesskammer 20 eingekoppelt und in einer Bearbeitungsebene 23, die sich im Abstand der Fokussierlänge 18 von der Fokussierlinse 15 befindet, fokussiert. Die zu bearbeitende Fläche des Werkstücks 19 liegt dabei insbesondere in der Bearbeitungsebene 23.For this purpose, the vacuum process chamber 20 has a workpiece holder 21 in its interior 20a, on/in which the workpiece 19 to be processed is held. Since the negative pressure process chamber 20 is vacuum-tight, it has the laser on it Direction 11 facing side, which is usually the upper cover side of the vacuum process chamber 20, an optical element 22 for coupling processing laser light 17 in the vacuum process chamber 20 on. This optical element 20 is designed, for example, in the form of a protective glass or protective window. The processing laser light 17 generated by the laser device 11 is coupled into the vacuum process chamber 20 via the optical element 22 and is focused in a processing plane 23 which is at a distance of the focusing length 18 from the focusing lens 15 . The surface of the workpiece 19 to be machined is in particular in the machining plane 23.

Während des Bearbeitungsvorgangs, hier des Schweißvorgangs, können in der Unterdruck-Prozesskammer 20 Prozessemissionen in Form von gasförmigen, flüssigen oder festen Partikeln freigesetzt werden. Diese Prozessemissionen können sich an den Innenflächen der Unterdruck-Prozesskammer 20 absetzen, insbesondere auch auf dem optischen Element 22. Insbesondere Letzteres ist jedoch unerwünscht, da die Prozessemissionen die Transmissions- und Reflexionseigenschaften des optischen Elements 22 negativ beeinflussen, wenn sie sich auf der in die Unterdruck-Prozesskammer 20 gerichteten Oberfläche des optischen Elements 22 absetzen. Damit ist eine einwandfreie Bearbeitung des Werkstücks 19 nicht mehr gegeben.During the machining process, here the welding process, process emissions in the form of gaseous, liquid or solid particles can be released in the vacuum process chamber 20 . These process emissions can settle on the inner surfaces of the vacuum process chamber 20, in particular on the optical element 22. The latter in particular is undesirable, however, since the process emissions have a negative effect on the transmission and reflection properties of the optical element 22 when they are on the in the Negative pressure process chamber 20 directed surface of the optical element 22 settle. This means that the workpiece 19 can no longer be machined correctly.

Aus diesem Grund sind gemäß der vorliegenden Erfindung verschiedene Schutzmaßnahmen entwickelt worden, die nachfolgend anhand der 2 bis 5 im Detail erläutert werden, in denen verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Laser-Bearbeitungsvorrichtung 10 dargestellt sind. Identische Bauteile werden dabei jeweils mit identischen Bezugsziffern versehen.For this reason, various protective measures have been developed according to the present invention, the following based on the 2 until 5 are explained in detail, in which various exemplary embodiments of the laser machining device 10 according to the invention are shown. Identical components are each provided with identical reference numbers.

In 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Laser-Bearbeitungsvorrichtung 10 dargestellt. Die Laser-Bearbeitungsvorrichtung 10 weist eine Unterdruck-Prozesskammer 20 auf, oberhalb derer, lediglich schematisch angedeutet, eine Lasereinrichtung 11 zur Erzeugung von Bearbeitungs-Laserlicht 17 angeordnet ist. Die Lasereinrichtung 11 kann beispielsweise wie oder ähnlich wie in 1 gezeigt ausgebildet sein.In 2 a first exemplary embodiment of a laser machining device 10 according to the invention is shown. The laser machining device 10 has a low-pressure process chamber 20 above which, only indicated schematically, a laser device 11 for generating machining laser light 17 is arranged. The laser device 11 can, for example, be as or similarly as in 1 shown to be formed.

Die Unterdruck-Prozesskammer 20 weist ein Prozesskammergehäuse 25 auf, welches aus einem ersten Prozesskammerabschnitt 26 und einem sich daran anschließenden, vom ersten Prozesskammerabschnitt 26 nach außen abgehenden zweiten Prozesskammerabschnitt 27 gebildet ist. Beide Prozesskammerabschnitte 26, 27 in Summe begrenzen den Prozessraum 36.The vacuum process chamber 20 has a process chamber housing 25 which is formed from a first process chamber section 26 and an adjoining second process chamber section 27 which branches off from the first process chamber section 26 to the outside. Both process chamber sections 26, 27 together delimit the process space 36.

Dabei wird der Prozessraum 36 von einem unteren Bodenelement 28, einem oberen Deckenelement 29 und von einer Seitenwandung 30 begrenzt. Die Seitenwandung 30 weist zwei Teilbereiche auf, wobei ein Abschnitt 30a der Seitenwandung 30 dem ersten Prozesskammerabschnitt 26 zugeordnet ist, während ein zweiter Abschnitt 30b der Seitenwandung 30 dem zweiten Prozesskammerabschnitt 27 zugeordnet ist.The process space 36 is delimited by a lower floor element 28 , an upper ceiling element 29 and a side wall 30 . The side wall 30 has two partial areas, with a section 30a of the side wall 30 being assigned to the first process chamber section 26 , while a second section 30b of the side wall 30 is assigned to the second process chamber section 27 .

In dem ersten Prozesskammerabschnitt 27 befindet sich eine Werkstückaufnahme 21, auf der das zu bearbeitende Werkstück 19 platziert wird. Die eigentliche Bearbeitung erfolgt dabei in einer Bearbeitungsebene 23, in der das Bearbeitungs-Laserlicht 17 auf dem zu bearbeitenden Werkstück 19 fokussiert wird.In the first process chamber section 27 there is a workpiece holder 21 on which the workpiece 19 to be processed is placed. The actual processing takes place in a processing plane 23 in which the processing laser light 17 is focused on the workpiece 19 to be processed.

Der erste Prozesskammerabschnitt 26 kann quaderförmig ausgebildet sein, während der zweite Prozesskammerabschnitt 27 zylinderförmig ausgebildet sein kann. Der zweite Prozesskammerabschnitt 27 kann an dem ersten Prozesskammerabschnitt 26 angeflanscht sein. Alternativ kann der zweite Prozesskammerabschnitt 27 linear verfahrbar an dem ersten Prozesskammerabschnitt 26 angeordnet sein.The first process chamber section 26 can be cuboid, while the second process chamber section 27 can be cylindrical. The second process chamber section 27 can be flanged to the first process chamber section 26 . Alternatively, the second process chamber section 27 can be arranged in a linearly displaceable manner on the first process chamber section 26 .

Die Innen-Querschnittsfläche des ersten Prozesskammerabschnitts, die in 2 symbolhaft durch den Pfeil 40 angedeutet ist, ist größer als die Innen-Querschnittsfläche des zweiten Prozesskammerabschnitts 27, die in 2 symbolhaft durch den Pfeil 38 angedeutet ist.The inner cross-sectional area of the first process chamber section, which is 2 symbolically indicated by the arrow 40 is larger than the inner cross-sectional area of the second process chamber section 27, which is 2 is symbolically indicated by the arrow 38.

Das Deckenelement 29 besteht aus mehreren Teilbereichen, wobei zwei dieser Teilbereiche den ersten Prozesskammerabschnitt 26 nach oben abschließen und ein Teilbereich den zweiten Prozesskammerabschnitt 27 nach oben abschließt. In diesem letztgenannten Abschnitt des oberen Deckenelements 29 befindet sich ein optisches Element 22 zum Einkoppeln von Bearbeitungs-Laserlicht 17 in die Unterdruck-Prozesskammer 20. Das optische Element 22 kann ein Schutzglas oder ein Schutzfenster sein.The cover element 29 consists of a plurality of partial areas, with two of these partial areas terminating the first process chamber section 26 at the top and one partial area terminating the second process chamber section 27 at the top. In this latter section of the upper cover element 29 there is an optical element 22 for coupling processing laser light 17 into the vacuum process chamber 20. The optical element 22 can be a protective glass or a protective window.

Der Übergang zwischen dem ersten Prozesskammerabschnitt 26 und dem zweiten Prozesskammerabschnitt 27 wird durch eine Durchgangsöffnung 31 gebildet, die besonders groß ausgebildet ist, damit für die Bearbeitung ein möglichst großes Scanfeld realisiert werden kann. Die Durchgangsöffnung 31 entspricht von ihrer Größe her der Innen-Querschnittsfläche 38 des zweiten Prozesskammerabschnitts 27.The transition between the first process chamber section 26 and the second process chamber section 27 is formed by a through opening 31, which is designed to be particularly large so that the largest possible scan field can be realized for the processing. The through opening 31 corresponds in size to the inner cross-sectional area 38 of the second process chamber section 27.

Während des Bearbeitungsvorgangs entstehen schädliche, unerwünschte Prozessemissionen 100. Diese könnten sich an der in das Prozesskammergehäuse 25 gerichteten Oberfläche des optischen Einkoppelelements 22 absetzten, wodurch die Strahleigenschaften des Bearbeitungs-Laserlichts negativ beeinflusst werden.Harmful, undesired process emissions 100 arise during the processing process mer housing 25 directed surface of the optical coupling element 22 deposited, whereby the beam properties of the processing laser light are adversely affected.

Um dies zu vermeiden, weist die Laser-Bearbeitungsvorrichtung 10 zwei Schutzmaßnahmen auf. Zum einen ist der Abstand 24 zwischen dem optischen Element 22 und der Bearbeitungsebene 23 so groß gewählt, dass die Prozessemissionen 100 das optische Einkoppelelement 22 nicht erreichen können. Ein möglichst großer Abstand 24 des optischen Elements 22 zum Schweißprozess in der Bearbeitungsebene 23 ermöglicht einen besseren Schutz. Um diesen Abstand 24 gegebenenfalls vergrößern zu können, und um zu gewährleisten, dass der Abstand 24 auch bei sich ändernden Werkstückgeometrien, und damit bei sich ändernden Bearbeitungsebenen 23 immer gleichbleibt, ist zumindest ein Teil des zweiten Prozesskammerabschnitts 27, insbesondere von dessen Seitenwandung 30b, als Faltenbalg ausgebildet. Um den Fokus des Bearbeitungs-Laserlichts 17 innerhalb der Unterdruck-Prozesskammer 20 dennoch verschieben zu können, kann ein Teil des zweiten Prozesskammerabschnitts 27, den man auch als Kammererweiterung bezeichnen kann, somit als Faltenbalg ausgeführt werden, um den Abstand des optischen Elements 22 zum Schweißprozess in der Bearbeitungsebene 23 immer gleich zu halten.In order to avoid this, the laser machining device 10 has two protective measures. On the one hand, the distance 24 between the optical element 22 and the processing plane 23 is selected to be large enough that the process emissions 100 cannot reach the optical coupling-in element 22 . A distance 24 that is as large as possible between the optical element 22 and the welding process in the processing plane 23 enables better protection. In order to be able to increase this distance 24 if necessary, and to ensure that the distance 24 always remains the same even with changing workpiece geometries, and thus with changing processing planes 23, at least part of the second process chamber section 27, in particular of its side wall 30b, is Bellows formed. In order to still be able to shift the focus of the processing laser light 17 within the vacuum process chamber 20, part of the second process chamber section 27, which can also be referred to as a chamber extension, can thus be designed as a bellows in order to reduce the distance between the optical element 22 and the welding process always be kept the same in the processing level 23.

Zusätzlich ist noch eine Schutzeinrichtung 32 vorgesehen, mittels derer ein Schutzgasstrahl 35 in Querströmungsrichtung zum optischen Element 22 durch die zweiten Prozesskammerabschnitt 27 geströmt werden kann. Der Schutzgasstrom 35 tritt über einen Strömungseintritt 33 in den zweiten Prozesskammerabschnitt 27 ein, wobei der Strömungseintritt 33 durch eine oder mehrere Bohrungen und/oder Düsen, die nebeneinander über den Umfang des zweiten Prozesskammerabschnitts 27 verteil und/oder übereinander in der Seitenwandung 30b auf einer Seite des zweiten Prozesskammerabschnitts 27 angeordnet oder ausgebildet sind. Dabei kann der Schutzgaseintritt 33 als einfache Bohrung, als Schlitzdüse oder als eine Vielzahl an Bohrungen, die senkrecht auf dem Laserstrahl stehend über den Umfang des zweiten Prozesskammerabschnitts 27 verteilt sind, ausgebildet sein.In addition, a protective device 32 is also provided, by means of which a protective gas jet 35 can flow through the second process chamber section 27 in the direction of flow transverse to the optical element 22 . The protective gas flow 35 enters the second process chamber section 27 via a flow inlet 33, the flow inlet 33 through one or more bores and/or nozzles, which are distributed next to one another over the circumference of the second process chamber section 27 and/or one above the other in the side wall 30b on one side of the second process chamber section 27 are arranged or formed. In this case, the protective gas inlet 33 can be designed as a simple borehole, as a slotted nozzle or as a large number of boreholes which are distributed over the circumference of the second process chamber section 27 in a manner perpendicular to the laser beam.

Auf gleicher Höhe auf der gegenüberliegenden Seite der Seitenwandung 30b befindet sich ein Schutzgasaustritt 34, der im gezeigten Beispiel durch die Evakuierungsvorrichtung 37 für die Unterdruck-Prozesskammer 20 gebildet ist oder mit dieser verbunden ist. Der Schutzgasaustritt 34 kann beispielsweise schlitzförmig ausgebildet sein und weiter hinten auf ein Standardflanschmaß zulaufen und dort mit einer Gasableitung verbinden werden. Der Schutzgasstrahl 35 hat in diesem Fall einen geradlinigen, laminaren Verlauf.At the same height on the opposite side of the side wall 30b there is a protective gas outlet 34, which in the example shown is formed by the evacuation device 37 for the vacuum process chamber 20 or is connected to it. The protective gas outlet 34 can, for example, be in the form of a slit and run further back to a standard flange size and be connected there to a gas discharge line. In this case, the protective gas jet 35 has a straight, laminar course.

Beispielsweise kann die Schutzeinrichtung 32 in dem als Faltenbalg ausgebildeten Bereich des zweiten Prozesskammerabschnitts 27 angeordnet oder ausgebildet sein. In diesem Fall könnte der gesamte zweite Prozesskammerabschnitt 27 als Faltenbalg ausgebildet sein. In anderer Ausgestaltung ist nur ein Teil des zweiten Prozesskammerabschnitts 27 als Faltenbalg ausgebildet, während ein weiterer Teil, der sich vorzugsweise unterhalb des Faltenbalgteils befindet, als starrer Teil ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung macht die Anordnung der Schutzeinrichtung 32 in dem zweiten Prozesskammerabschnitt einfacher, wenn die Schutzeinrichtung 32 in dem starren Teil angeordnet oder ausgebildet ist.For example, the protective device 32 can be arranged or formed in the area of the second process chamber section 27 designed as a bellows. In this case, the entire second process chamber section 27 could be designed as a bellows. In another embodiment, only part of the second process chamber section 27 is designed as a bellows, while a further part, which is preferably located below the part of the bellows, is designed as a rigid part. This configuration makes the placement of the protective device 32 in the second process chamber section easier when the protective device 32 is arranged or formed in the rigid part.

Der Schutzgasaustritt 34 kann im Weiteren mit einem Volumenstrom begrenzenden Bauteil versehen werden, um den Kammerinnendruck aktiv zu regeln. Ebenso kann der Schutzgaseintritt 33 mit einem Volumenstrom begrenzenden Bauteil versehen werden, um den Kammerinnendruck aktiv zu regeln.The protective gas outlet 34 can also be provided with a component that limits the volume flow, in order to actively regulate the internal pressure of the chamber. Likewise, the protective gas inlet 33 can be provided with a component that limits the volume flow, in order to actively regulate the internal pressure of the chamber.

Oberhalb der Schutzeinrichtung 32, insbesondere oberhalb des Schutzgasaustritts 34, kann eine Blende 39 verbaut werden, die die Innen-Querschnittsfläche 38, insbesondere den Innendurchmesser, des zweiten Prozesskammerabschnitts 27 reduziert. Dadurch wird zwar das erreichbare Scanfeld des Bearbeitungs-Laserlichts 17 verkleinert, es können aber stark emittierende Werkstoffe verarbeitet werden.Above the protective device 32, in particular above the protective gas outlet 34, a screen 39 can be installed, which reduces the inner cross-sectional area 38, in particular the inner diameter, of the second process chamber section 27. Although this reduces the achievable scan field of the processing laser light 17, it is possible to process highly emitting materials.

Nachfolgend wird ein Verfahren zum Laser-Bearbeiten eines Werkstücks 19 unter Verwendung der Laser-Bearbeitungsvorrichtung 10 gemäß 2 beschrieben.A method for laser machining a workpiece 19 using the laser machining device 10 according to FIG 2 described.

Ein zu bearbeitendes Werkstück 19 wird auf oder in der Werkstückaufnahme 21 innerhalb des Prozessraums 36 der Unterdruck-Prozesskammer 25 der Laser-Bearbeitungsvorrichtung 10 platziert.A workpiece 19 to be machined is placed on or in the workpiece holder 21 within the process space 36 of the vacuum process chamber 25 of the laser machining device 10 .

Der Prozessraum 36 der Unterdruck-Prozesskammer 20 wird mittels der Evakuierungsvorrichtung 37 auf einen Betriebs-Unterdruck evakuiert.The process space 36 of the vacuum process chamber 20 is evacuated to an operating vacuum by means of the evacuation device 37 .

Ein für die Bearbeitung des Werkstücks 19 vorgesehener Abstand 24 zwischen dem optischen Element 22 im oberen Deckenelement 29 des Prozesskammergehäuses 25 und der Bearbeitungsebene 23 wird durch Betätigung des Faltenbalgs und/oder durch eine Höhenverstellung der Werkstückaufnahme 21 innerhalb des Prozessraums 36 der Unterdruck-Prozesskammer 20 eingestellt.A distance 24 provided for the processing of the workpiece 19 between the optical element 22 in the upper cover element 29 of the process chamber housing 25 and the processing plane 23 is set by actuating the bellows and/or by adjusting the height of the workpiece holder 21 within the process space 36 of the vacuum process chamber 20 .

Über die im zweiten Prozesskammerabschnitt 27 vorgesehene Schutzeinrichtung 32 wird ein Schutzgasstrahl 35, welcher zum Schutz des optischen Elements 22 bereitgestellt ist, erzeugt und über einen Schutzgaseintritt 33 in einem ersten Abschnitt 30a der Seitenwandung 30 des zweiten Prozesskammerabschnitts 27 in den Prozessraum 36 der Unterdruck-Prozesskammer 20 eingeführt, wobei das Schutzgas in Querrichtung zum optischen Einkoppelelement 22 durch den zweiten Prozesskammerabschnitt 27 strömt.A protective gas jet 35, which is provided to protect the optical element 22, is generated via the protective device 32 provided in the second process chamber section 27 and via a protective gas inlet 33 in a first section 30a of the side wall 30 of the second process chamber section 27 into the process space 36 of the vacuum process chamber 20 is introduced, the protective gas flowing through the second process chamber section 27 in the direction transverse to the optical coupling element 22 .

Über den Schutzgasaustritt 34 im zweiten Abschnitt 30b der Seitenwandung 30 des zweiten Prozesskammerabschnitts 27, der insbesondere dem ersten Abschnitt 30a der Seitenwandung 30 gegenüber liegt, wird, insbesondere über die Evakuierungsvorrichtung 37, soviel Gas aus der Unterdruck-Prozesskammer 20 evakuiert, wie Schutzgas über den Schutzgaseintritt 33 in den Prozessraum 36 eingeführt wird, um den im Prozessraum 36 herrschenden Betriebs-Unterdruck stabil zu halten.Via the protective gas outlet 34 in the second section 30b of the side wall 30 of the second process chamber section 27, which in particular is opposite the first section 30a of the side wall 30, as much gas is evacuated from the vacuum process chamber 20, in particular via the evacuation device 37, as the protective gas is via the Inert gas inlet 33 is introduced into the process space 36 in order to keep the operating negative pressure prevailing in the process space 36 stable.

Mittels der Lasereinrichtung 11 erzeugtes Bearbeitungs-Laserlicht 17 wird über das optische Element 22 im oberen Deckenelement 29 des Prozesskammergehäuses 25 in den Prozessraum 36 eingekoppelt und auf das zu bearbeitende Werkstück 19 gerichtet.Processing laser light 17 generated by the laser device 11 is coupled into the processing space 36 via the optical element 22 in the upper cover element 29 of the process chamber housing 25 and is directed onto the workpiece 19 to be processed.

Die 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Laser-Bearbeitungsvorrichtung10. Diese ist von ihrem Grundaufbau her sehr ähnlich zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 2, so dass diesbezüglich zur Vermeidung von Wiederholungen vollinhaltlich auf die Ausführungen zu 2 Bezug genommen und verwiesen wird.The 3 12 shows a further exemplary embodiment of a laser processing device 10 . In terms of its basic structure, this is very similar to the exemplary embodiment according to FIG 2 , so that in this regard, to avoid repetition, refer to the explanations in full 2 referenced and referenced.

Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 2 ist die Schutzeinrichtung 32 gemäß 3 anders aufgebaut. Hier befinden sich der Schutzgaseintritt 33 und der Schutzgasaustritt 34 nicht auf gleicher Höhe, sondern in der Höhe versetzt zueinander. Der Schutzgaseintritt 33 ist möglichst nah am optischen Element 22 vorgesehen. Der Schutzgasaustritt 34 befindet sich am unteren Ende des zweiten Prozesskammerabschnitts 27 im Bereich der Durchgangsöffnung 31. Der Schutzgasstrahl 35 hat dadurch einen gekrümmten Verlauf. Der Schutzgaseintritt 33 und der Schutzgasaustritt 34 können in starren Teilen des zweiten Prozesskammerabschnitts angeordnet oder ausgebildet sein, mit einem dazwischen befindlichen Faltenbalgteil.In contrast to the embodiment of 2 is the protective device 32 according to 3 structured differently. Here the protective gas inlet 33 and the protective gas outlet 34 are not at the same height, but offset in height from one another. The protective gas inlet 33 is provided as close as possible to the optical element 22 . The inert gas outlet 34 is located at the lower end of the second process chamber section 27 in the area of the passage opening 31. The inert gas jet 35 therefore has a curved course. The protective gas inlet 33 and the protective gas outlet 34 can be arranged or formed in rigid parts of the second process chamber section, with a bellows part located in between.

Die 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Laser-Bearbeitungsvorrichtung10. Diese ist von ihrem Grundaufbau her sehr ähnlich zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 2, so dass diesbezüglich zur Vermeidung von Wiederholungen vollinhaltlich auf die Ausführungen zu 2 Bezug genommen und verwiesen wird.The 4 12 shows a further exemplary embodiment of a laser processing device 10 . In terms of its basic structure, this is very similar to the exemplary embodiment according to FIG 2 , so that in this regard, to avoid repetition, refer to the explanations in full 2 referenced and referenced.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist der Schutzgaseintritt 33 im Vergleich zur Ausführung gemäß 2 anders ausgebildet, nämlich als so genannte Aerospike-Düse. Ansonsten entspricht das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel. Aerospike-Düsen sind der Fachwelt grundsätzlich geläufig. In den 5 a) bis 5d) sind verschiedene Ausführungsformen einer solchen Aerospike-Düse dargestellt.In the embodiment according to 4 is the protective gas inlet 33 in comparison to the embodiment according to FIG 2 designed differently, namely as a so-called aerospike nozzle. Otherwise this corresponds to in 4 embodiment shown in the 2 shown embodiment. Aerospike nozzles are generally familiar to experts. In the 5 a) until 5d ) shows various embodiments of such an aerospike nozzle.

BezugszeichenlisteReference List

1010: Laser-BearbeitungsvorrichtungLaser processing device
1111: Lasereinrichtung zur Erzeugung von Bearbeitungs-LaserlichtLaser device for generating processing laser light
11 a11 a: Laseroptiklaser optics
1212: LaserLaser
1313: Kollimierlängecollimation length
1414: Kollimierlinsecollimating lens
1515: Fokussierlinsefocusing lens
1616: Bilderfassungseinrichtung (Kamera)image capture device (camera)
1717: Bearbeitungs-LaserlichtProcessing laser light
1818: Fokussierlängefocus length
1919: Werkstück workpiece
2020: Unterdruck-Prozesskammervacuum process chamber
20a20a: Innenraum der Unterdruck-ProzesskammerInterior of the vacuum process chamber
2121: Werkstückaufnahmeworkpiece holder
2222: Optisches Element zu Einkoppeln von Bearbeitungs-Laserlicht in die Unterdruck-ProzesskammerOptical element for coupling processing laser light into the vacuum process chamber
2323: Bearbeitungsebeneediting level
2424: Abstand zwischen dem optischen Element und der BearbeitungsebeneDistance between the optical element and the editing plane
2525: Prozesskammergehäuseprocess chamber housing
2626: Erster ProzesskammerabschnittFirst process chamber section
2727: Zweiter ProzesskammerabschnittSecond process chamber section
2828: Bodenelementfloor element
2929: Deckenelementceiling element
3030: Seitenwandungsidewall
30a30a: Seitenwandung des ersten ProzesskammerabschnittsSide wall of the first process chamber section
30b30b: Seitenwandung des zweiten ProzesskammerabschnittsSide wall of the second process chamber section
3131: Durchgangsöffnungpassage opening
3232: Schutzeinrichtung zur Erzeugung eines SchutzgasstrahlsProtective device for generating a protective gas jet
3333: Schutzgaseintrittinert gas inlet
3434: Schutzgasaustrittshielding gas leakage
3535: Schutzgasstrahlprotective gas jet
3636: Prozessraumprocess room
3737: Evakuierungsvorrichtungevacuation device
3838: Innen-Querschnittsfläche des zweiten ProzesskammerabschnittsInner cross-sectional area of the second process chamber portion
3939: Blendecover
4040: Innen-Querschnittsfläche des ersten Prozesskammerabschnitts Inner cross-sectional area of the first process chamber portion
100100: Prozessemissionenprocess emissions

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

WO 2013092981 A2 [0008]
WO 2011145514 A1 [0009]
WO 2015139689 A1 [0010]
EP 0618037 B1 [0012]
DE 102012202330 A1 [0030]

Claims

Laser processing device (10), which is provided in particular for the laser welding of workpieces (19) in a vacuum, preferably in a vacuum, having a vacuum process chamber (20) that can be evacuated via an evacuation device (37), the vacuum process chamber (20 ) has a process chamber housing (25) with a lower floor element (28), an upper ceiling element (29) and a side wall (30; 30a, 30b) extending between them, which delimit a process space (36), wherein the ceiling element (29) has a optical element (22) is arranged or formed, which is provided in order to couple processing laser light (17) into the vacuum process chamber (20), and also having a workpiece holder (21), which is arranged or formed within the process space (36). is, and which is provided for positioning and / or holding the workpiece (19) in a processing plane (23), characterized in that the process sskammergehäuse (25) of the vacuum process chamber (20) is at least partially formed as a bellows or at least partially has a bellows.

Laser processing device according to claim 1 , characterized in that the process chamber housing (25) consists of at least two adjoining sections, preferably of different sizes, that a first process chamber section (26) of the process chamber housing (25) has the workpiece holder (21), that above the first process chamber section ( 26) a second process chamber section (27) connects to the first process chamber section (26), that the cover element (29) of the process chamber housing (25) with the optical element (22) forms the upper end of the second process chamber section (27), and that the second Process chamber section (27) is at least partially formed as a bellows or at least partially has a bellows.

Laser processing device according to claim 2 , characterized in that the second process chamber section (27) is designed in multiple parts, that at least a part of the second process chamber section (27) is designed as a bellows, and that at least a part of the second process chamber section (27) is rigid.

Laser processing device according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the region of the process chamber housing (25) of the vacuum process chamber (20) designed as a bellows is cylindrical and/or that the bellows consists of metal.

Laser processing device (10), which is provided in particular for the laser welding of workpieces (19) in a vacuum, preferably in a vacuum, having a vacuum process chamber (20) that can be evacuated via an evacuation device (37), the vacuum process chamber (20 ) has a process chamber housing with a lower base element (28), an upper cover element (29) and a side wall (30; 30a, 30b) extending therebetween, which delimit a process space (36), wherein the cover element (29) contains an optical element ( 22). ) is arranged or formed, and which is provided for positioning and / or holding the workpiece (19) in a processing plane (23), thereby ge indicates that the process chamber housing (25) consists of at least two adjacent sections, preferably of different sizes, that a first process chamber section (26) of the process chamber housing (25) has the workpiece holder (21), that above the first process chamber section (26) a second process chamber section (27) connects to the first process chamber section (26), that the cover element (29) of the process chamber housing (25) forms the upper end of the second process chamber section (27) with the optical element (22), that the second process chamber section (27 ) has a protective device (32) for generating at least one protective gas jet (35), which is provided to protect the optical element (22), that the protective device (32) has a protective gas inlet (33) in a first section (30a) of the side wall (30a ) of the second process chamber section (27) and a protective gas outlet (34) in a second section section (30b) of the side wall (30) of the second process chamber section (27), which in particular is opposite the first section (30a).

Laser processing device according to claim 5 , characterized in that the protective gas inlet (33) has one or more bores and/or one or more nozzles which are arranged next to one another and/or one above the other or below one another in the first section (30a) of the side wall (30) of the second process chamber section (27) or are trained.

Laser processing device according to claim 5 or 6 , characterized in that the protective gas inlet (33) and the protective gas outlet (34) are arranged or formed at the same height in comparison to one another in the side wall (30; 30a, 30b) of the second process chamber section (27), or that the protective gas inlet (33) and the protective gas outlet (34) is arranged or formed offset in height compared to one another in the side wall (30; 30a, 30b) of the second process chamber section (27).

Laser processing device according to one of Claims 5 until 7 , characterized in that the protective gas outlet (34) is connected to a suction device, and that the suction device is in particular the evacuation device (37) for the vacuum process chamber (20).

Laser processing device according to one of Claims 5 until 8th , characterized in that a device limiting the volume flow, in particular a valve, is arranged before or in the protective gas inlet (33), and/or in that a device limiting the volume flow, in particular a valve, is arranged downstream or in the protective gas outlet (34). .

Laser processing device according to one of Claims 5 until 9 , characterized in that the protective gas inlet (33) is provided for generating a laminar protective gas flow, and/or in that a device for generating a constant laminar flow is arranged or formed in front of or in the protective gas inlet (33), in particular in the form of foams, wire mesh , flow channels.

Laser processing device according to one of claims 2 until 10 , characterized in that within the second process chamber section (27) a variable screen (39) for reducing the inner cross-sectional area (38) of the second process chamber section (27) is arranged.

Laser processing device according to one of Claims 5 until 11 , characterized in that the laser machining device (10) according to one of Claims 1 until 4 is trained.

Laser processing device according to one of claims 2 until 12 , characterized in that the inner cross-sectional area (40) of the first process chamber section (26) is larger than the inner cross-sectional area (38) of the second process chamber section (27).

Laser processing device according to one of Claims 1 until 13 , characterized in that the laser processing device (10) has a laser device (11) which generates processing laser light (17), and that the laser device (11) is arranged above the vacuum process chamber (20).

Laser processing device according to one of Claims 1 until 14 , characterized in that the workpiece holder (21) is arranged or designed to be adjustable in height within the process space (36) of the vacuum process chamber (20).

Method for laser machining a workpiece (19), in particular by means of a laser machining device (10) according to one of Claims 1 until 4 , characterized by the following steps: a) a workpiece (19) to be processed is placed on or in a workpiece holder (21) within a process space (36) of a vacuum process chamber (25) of a laser processing device (10), the vacuum Process chamber (20) has a process chamber housing (25) with a lower base element (28), an upper cover element (29) and a side wall (30; 30a, 30b) extending between them, which delimit the process space (36), wherein in the cover element (29 ) an optical element (22) is arranged or formed, which is provided in order to couple processing laser light (17) into the vacuum process chamber (20); b) the process space (36) of the vacuum process chamber (20) is Evacuation device (37) evacuated to an operating vacuum; c) the process chamber housing (25) of the vacuum process chamber (20) is at least partially designed as a bellows or has at least partially a bellows, with a distance (24) provided for the processing of the workpiece (19) between the optical element (22) in the upper cover element (29) of the process chamber housing (25) and a processing level (23) by actuating the bellows and/or by adjusting the height of the workpiece holder (21) within the process space (36) of the vacuum process chamber (20); d) Processing laser light (17) generated by a laser device (11) is coupled into the processing space (36) via the optical element (22) in the upper cover element (29) of the process chamber housing (25) and onto the workpiece (19) to be processed directed.

Method for laser machining a workpiece (19), in particular by means of a laser machining device (10) according to one of Claims 5 until 15 , characterized by the following steps: a) a workpiece (19) to be machined is placed on or in a workpiece holder (21) within a process space (36) of a vacuum process chamber (20) of a laser processing device (10), the vacuum process chamber (20) having a process chamber housing (25) with a lower base element (28), an upper cover element (29) and a side wall (30; 30a, 30b) extending between them, which delimit the process space (36), wherein an optical element ( 22) is arranged or designed, which is provided in order to couple processing laser light (17) into the vacuum process chamber (20), wherein the process chamber housing (25) consists of at least two adjoining sections, preferably of different sizes, with a first process chamber section (26) of the process chamber housing (25) has the workpiece holder (21), with a second process above the first process chamber section (26). sskammerabschnitt (27) adjoins the first process chamber section (26), and wherein the cover element (28) of the process chamber housing (25) with the optical element (22) forms the upper end of the second process chamber section (27); b) the process space (36) of the vacuum process chamber (20) is evacuated to an operating vacuum by means of an evacuation device (37); c) A protective gas jet (35), which is provided to protect the optical element (22), is generated via a protective device (32) provided in the second process chamber section (27) and via a protective gas inlet (33) in a first section (30a) of the Side wall (30) of the second process chamber section (27) introduced into the process space (36) of the vacuum process chamber (20); d) via an inert gas outlet (34) in a second section (30b) of the side wall (30) of the second process chamber section (27), which in particular is opposite the first section (30a) of the side wall (30), in particular via the evacuation device ( 37) as much gas is evacuated from the vacuum process chamber (20) as protective gas is introduced into the process space (36) via the protective gas inlet (33) in order to keep the operating negative pressure prevailing in the process space (36) stable; e) Processing laser light (17) generated by a laser device (11) is coupled into the processing space (36) via the optical element (22) in the upper cover element (29) of the process chamber housing (25) and onto the workpiece (19) to be processed. directed.

procedure after Claim 17 , characterized in that the process chamber housing (25) is at least partially designed as a bellows or at least partially has a bellows and/or that the workpiece holder (21) is arranged or designed such that it can be adjusted in height within the process space (36) of the vacuum process chamber (20), and that a distance (24) provided for processing the workpiece (19) between the optical element (22) in the upper cover element (29) of the process chamber housing (25) and a processing plane (23) by actuating the bellows and/or by adjusting the height the workpiece holder (21) is set within the process space (36) of the vacuum process chamber (20).