DE102021126755A1

DE102021126755A1 - Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks, mit verringerter Intensitätslücke

Info

Publication number: DE102021126755A1
Application number: DE102021126755.2A
Authority: DE
Inventors: Nicolai Speker; Patrick Haug; Oliver Bocksrocker
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2021-10-15
Filing date: 2021-10-15
Publication date: 2023-04-20

Abstract

Ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks (10) mittels eines Laserstrahls (8), wobei der Laserstrahl (8) an einem Faserende (1) eines Lichtleitkabels (2) bereitgestellt wird, wobei das Lichtleitkabel (2) zumindest mit einer Kernfaser (3) mit einem Kernfaserdurchmesser KFD, einer die Kernfaser (3) ringförmig umgebenden Ringfaser (4) mit einem äußeren Ringfaserdurchmesser ARFD und einer zwischen Kernfaser (3) und Ringfaser (4) liegenden und die Kernfaser (3) umgebenden Mantelschicht (5) mit einer Mantelschichtdicke MSD ausgebildet ist, so dass der Laserstrahl (8) einen Kernstrahl (6) aus der Kernfaser (3) und einen Ringstrahl (7) aus der Ringfaser (4) umfasst, wobei der Laserstrahl (8) mit einem Abbildungsverhältnis AV in Richtung auf das Werkstück (10) zu in einer Fokusebene (11) fokussiert wird, wobei in der Fokusebene (11)- der Kernstrahl (6) einen Kernstrahldurchmesser KSD aufweist, innerhalb dessen 86% der Laserleistung des Kernstrahls (6) vorliegen,- der Ringstrahl (7) einen äußeren Ringstrahldurchmesser ARSD aufweist, innerhalb dessen 86% der Laserleistung des Ringstrahls (7) vorliegen, und- der Ringstrahl (7) einen inneren Ringstrahldurchmesser IRSD aufweist, auf dem eine gleiche über den Umfang gemittelte Strahlungsdichte des Ringstrahls (7) wie auf dem äußeren Ringstrahldurchmesser ARSD vorliegt, so dass sich eine Intensitätslücke (9) zwischen dem inneren Ringstrahldurchmesser IRSD und dem Kernstrahldurchmesser KSD mit einer Intensitätslückenbreite ILB=(IRSD-KSD)/2 ergibt, ist dadurch gekennzeichnet,dass MSD≤0,3*KFD und weiterhin ILB≤0,3*KSD, und dass MSD≤20µm, vorzugsweise <10µm, und ILB≤20µm*AV, vorzugsweise <10µm*AV. Mit der Erfindung kann die Bearbeitungsqualität eines Werkstücks verbessert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls,
wobei der Laserstrahl an einem Faserende eines Lichtleitkabels bereitgestellt wird,
wobei das Lichtleitkabel zumindest mit einer Kernfaser mit einem Kernfaserdurchmesser KFD, einer die Kernfaser ringförmig umgebenden Ringfaser mit einem äußeren Ringfaserdurchmesser ARFD und einer zwischen Kernfaser und Ringfaser liegenden und die Kernfaser umgebenden Mantelschicht mit einer Mantelschichtdicke MSD ausgebildet ist, so dass der Laserstrahl einen Kernstrahl aus der Kernfaser und einen Ringstrahl aus der Ringfaser umfasst,
wobei der Laserstrahl mit einem Abbildungsverhältnis AV in Richtung auf das Werkstück zu in einer Fokusebene fokussiert wird,
wobei in der Fokusebene

- der Kernstrahl einen Kernstrahldurchmesser KSD aufweist, innerhalb dessen 86% der Laserleistung des Kernstrahls vorliegen,
- der Ringstrahl einen äußeren Ringstrahldurchmesser ARSD aufweist, innerhalb dessen 86% der Laserleistung des Ringstrahls vorliegen, und
- der Ringstrahl einen inneren Ringstrahldurchmesser IRSD aufweist, auf dem eine gleiche über den Umfang gemittelte Strahlungsdichte des Ringstrahls wie auf dem äußeren Ringstrahldurchmesser ARSD vorliegt, so dass sich eine Intensitätslücke zwischen dem inneren Ringstrahldurchmesser IRSD und dem Kernstrahldurchmesser KSD mit einer Intensitätslückenbreite ILB=(IRSD-KSD)/2 ergibt.

Ein solches Verfahren ist aus K. Kleine, P. Kallage, F. Nagel, „Copper welding with high brightness center mode fiber lasers“, Präsentation auf der European Automotive Laser Applications 2021, bekannt geworden.
Die Bearbeitung von metallischen Werkstücken mittels eines Laserstrahls ist in der industriellen Fertigung, wie etwa in der Automobilindustrie, weit verbreitet. Häufig verwendete Bearbeitungsverfahren sind das Laserschweißen (auch als Laserstrahlschweißen bezeichnet), bei dem zwei oder mehrere Komponenten zu einem (gesamten) Werkstück dauerhaft miteinander verbunden werden können, und das Laserschneiden (auch als Laserstrahlschneiden bezeichnet), bei dem ein Werkstück geschnitten werden kann.
In der Regel wird bei der Bearbeitung von Werkstücken nach den oben genannten Bearbeitungsverfahren ein fokussierter Laserstrahl auf das Werkstück gerichtet. Die Leistung des Laserstrahls wird vom Werkstück absorbiert, wodurch die Temperatur des Materials des Werkstücks über den materialspezifischen Schmelzpunkt hinaus ansteigt und sich eine Schmelze des Materials bildet. Bei ausreichend hoher Strahlintensität des Laserstrahls verdampft ein Teil des geschmolzenen Materials und es bildet sich ein Hohlraum in der Tiefe des Werkstücks aus (auch als Dampfkapillare oder Keyhole bezeichnet), der mit Metalldampf gefüllt und von flüssiger Schmelze umgeben ist.
Bei der Bearbeitung von Werkstücken mit einfachen Laserstrahlen ist die Dampfkapillare oft instabil und/oder das Schmelzbad weist eine große Schmelzbaddynamik auf. Es kommt dann oft zu Defekten (wie Spritzern, Rissen und Poren), die die Qualität des Werkstücks verschlechtern oder das Werkstück unbrauchbar machen können. Durch Laserstrahlen, die einen Kernanteil und einen Ringanteil aufweisen, kann oft eine Verbesserung der Bearbeitungsqualität erreicht werden. Laserstrahlen mit Kernanteil und Ringanteil können beispielsweise mittels einer Mehrfachclad-Faser erzeugt werden (siehe beispielsweise DE 10 2010 003 750 A1 oder auch DE 10 2019 215 968 A1 ).
In jüngster Zeit wurde für die Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls mit Kernanteil und Ringanteil vermehrt vorgeschlagen, eine Intensitätslücke zwischen dem Kernanteil und dem Ringanteil groß zu wählen. Ein Beispiel hierfür ist die eingangs zitierte Präsentation von K. Kleine et al., bei der in einer Anwendung eine Intensitätslücke mit einer Breite, die ungefähr dem Kernstrahldurchmesser entspricht und ungefähr 50 µm breit ist, erkennbar ist; auch die weiteren gezeigten Intensitätslücken sind vergleichsweise breit.
Trotz Anwendung von Laserstrahlen mit Kernstrahl und Ringstrahl kommt es bei manchen Anwendungen vor, dass die Dampfkapillare zur Instabilität neigt und die Dynamik des Schmelzbades weiterhin groß ist. Es treten Defekte bei der Bearbeitung des Werkstücks auf, die die Werkstückqualität schmälern können und das Werkstück sogar unbrauchbar machen können.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls zur Verfügung zu stellen, durch welches die Bearbeitungsqualität verbessert werden kann.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass MSD≤0,3*KFD und weiterhin ILB≤0,3*KSD,
und dass MSD≤20 µm und ILB≤20µm*AV. Beispielsweise kann gelten:
MSD≤15 µm oder MSD≤12 µm bzw. ILB≤15 µm*AV oder ILB≤12 µm*AV. Bevorzugt kann gelten: MSD<10 µm bzw. ILB<10 µm*AV.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass die Mantelschichtdicke MSD des Lichtleitkabels sowie die Intensitätslückenbreite ILB des Laserstrahls jeweils eine bestimmte Größe unterschreiten, und weiter bestimmte Größenverhältnisse in Bezug auf den Kernfaserdurchmesser KFD und den Kernstrahldurchmesser KSD einhalten. Es wird entsprechend ein besonders kleiner Abstand zwischen der Kernfaser und der Ringfaser des Lichtleitkabels und ein besonders kleiner Abstand zwischen Kernstrahl und Ringstrahl des Laserstrahls gewählt. Dadurch, dass der Kernstrahl und der Ringstrahl nahe beieinander liegen, ist bei der Bearbeitung eines Werkstücks mittels des Laserstrahls eine gute, quasi vollständige Bestrahlung der Seitenwände bzw. des radial äußeren Bereichs der Dampfkapillare möglich. Es bildet sich insgesamt eine im Wesentlichen durchgehend konische Dampfkapillare aus, aus der das verdampfte Material leicht austreten kann, ohne auf das umgebende Schmelzbad merklich mechanisch einzuwirken. Entsprechend bleibt die Schmelzbaddynamik gering und die Dampfkapillare sehr stabil.
Bei der Bearbeitung von Werkstücken mit Laserstrahlen, die einen Kernstrahl und einen Ringstrahl mit einer großen dazwischen liegenden Intensitätslücke wie zuletzt häufiger im Stand der Technik vorgeschlagen aufweisen, können sich unvorteilhaft ausgeformte Dampfkapillaren ausbilden. Solche Dampfkapillaren weisen häufig Rücksprünge aus geschmolzenem Material auf, die sich im Bereich der Intensitätslücke bilden. Der Dampf kann dann nur schwer aus der Dampfkapillare bzw. aus deren zentralem, tief in das Material reichendem Teil entweichen. Der Materialdampf drückt dann auf den Rücksprung, was mechanische Kräfte in die Schmelze einleitet. Zudem kann sich im zentralen Teil der Dampfkapillare der Dampfdruck des verdampften Materials zeitweise erhöhen und plötzlich entladen, was zu Spritzern oder gar einem wiederkehrenden Kollabieren der Dampfkapillare führen kann. Insgesamt wird also oft ein unruhiges Schmelzbad erhalten, welches zu Defekten bei der Bearbeitung führen kann.
Demgegenüber steht das erfindungsgemäße Verfahren. Durch die radial nahezu durchgängige Bestrahlung der Seitenwände der Dampfkapillare (also des radial äußeren Bereichs um den zentralen, tief in das Material reichenden Teil der Dampfkapillare herum) durch den nahe am Kernstrahl liegenden Ringstrahl ergibt sich eine sich von radial außen nach radial innen stetig vertiefende, nahezu konische Öffnung der Dampfkapillare. Das verdampfte Material (meist Metalldampf) kann besonders leicht entweichen und wird am Entweichen nicht durch einen Rücksprung aus geschmolzenem Material gehindert, und es besteht auch keine Gefahr, dass ein solcher Rücksprung kollabiert. Hierdurch wird die Schmelzbaddynamik des die Dampfkapillare umgebenden Schmelzbades gering gehalten und die Bildung von Spritzern minimiert, die sich negativ auf die Qualität des Werkstücks auswirken können. Die durchgängige Bestrahlung der Seitenwände der Dampfkapillare führt zu einer ausreichend hohen Intensität im Bearbeitungsbereich („Prozesszone“) des Werkstücks, sodass stets ein ausreichend großer Dampfdruck zur stabilen Öffnung der Dampfkapillare gewährleistet werden kann. Hierdurch kann die Gefahr reduziert werden, dass die Dampfkapillare kollabiert und sich Poren bilden, die die Qualität des Werkstücks mindern können. Gleichzeitig kann eine präzise Bearbeitungstiefe im Werkstück erreicht werden.
Der Kernfaserdurchmesser KFD, der äußere Ringfaserdurchmesser ARFD und die Mantelschichtdicke MSD können durch ausmessen ermittelt werden. Die Bestimmung des Kernstrahldurchmessers KSD erfolgt in der Fokusebene des Laserstrahls nach dem 86%-Kriterium. Hierzu wird eine Kreisfläche um das Zentrum des Intensitätsprofils des Kernstrahls gelegt mit einem Durchmesser, so dass 86% der Laserleistung innerhalb der Kreisfläche liegen. Die Bestimmung des äu-ßeren Ringstrahldurchmessers ARSD erfolgt ebenfalls in der Fokusebene des Laserstrahls nach dem 86%-Kriterium. Hier wird eine Kreisfläche um das Zentrum des Intensitätsprofils des Ringstrahls gelegt mit einem Durchmesser, so dass 86% der Laserleistung innerhalb der Kreisfläche liegen. Der innere Ringstrahldurchmessers IRSD wird auf der innen liegenden Seite des Ringstrahls dort angesetzt, wo eine gleiche über den Umfang gemittelte Strahlungsdichte des Ringstrahls wie auf dem äußeren Ringstrahldurchmesser vorliegt.
Durch die geringe Mantelschichtdicke MSD kann bereits bei der Bereitstellung des Laserstrahls Einfluss auf die Größe des Kernstrahldurchmessers KSD, des äußeren Ringstrahldurchmessers ARSD und des inneren Ringstrahldurchmessers IRSD genommen werden. Hierdurch kann wiederum die Intensitätslückenbreite ILB beeinflusst werden. Man beachte, dass für die Intensitätslückenbreite ILB gilt, dass ILB≤20 µm*AV, vorzugsweise 10 µm*AV. Das Abbildungsverhältnis AV wirkt sich also auf das Kriterium für den absoluten Wert aus, den die Intensitätslückenbreite beim erfindungsgemäßen Verfahren unterschreiten muss.
Bei der Bearbeitung des Werkstücks mit dem Laserstrahl kann die Gesamtenergie des Laserstrahls grundsätzlich beliebig auf den Kernanteil und den Ringanteil aufgeteilt sein. Insbesondere kann (im zeitlichen Mittel während der Bearbeitung des Werkstücks) für eine Laserenergie des Kernanteils KA des Laserstrahls gelten 0%<KA<100%, oder auch 1%≤KA≤99%, bevorzugt 5%≤KA≤95%, besonders bevorzugt 10%≤KA≤90%. Entsprechend den Anforderungen an das Werkstück oder das Bearbeitungsverfahren kann die Laserenergie des Kernanteils KA flexibel gewählt werden.
Als Lichtleitkabel kann beispielsweise eine 2-in-1-Faser genutzt werden, die eine Kernfaser und eine Ringfaser umfasst. Im Rahmen der Erfindung wird bevorzugt als Laserquelle ein Faserlaser genutzt; alternativ kann beispielsweise auch ein Scheibenlaser als Laserquelle genutzt werden.
Bevorzugte Varianten der Erfindung
Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass MSD≤0,2*KFD und weiterhin ILB≤0,2*KSD,
bevorzugt MSD≤0,15*KFD und weiterhin ILB≤0,15*KSD,
besonders bevorzugt MSD≤0,1*KFD und weiterhin ILB≤0,1*KSD. Diese Größenverhältnisse haben sich in der Praxis bewährt. Durch die kleinere Mantelschichtdicke MSD und die geringere Intensitätslückenbreite ILB rücken der Kernanteil und der Ringanteil des Laserstrahls noch näher zusammen. Die Dampfkapillare
kann hierdurch noch besser stabilisiert werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass MSD≤9µm und ILB≤9µm*AV,
bevorzugt MSD≤7µm und ILB≤7µm*AV,
besonders bevorzugt MSD≤6µm und ILB≤6µm*AV. Diese Werte haben sich in der Praxis besonders bewährt und lassen sich einfach umsetzen. Der Kernanteil und der Ringanteil des Laserstrahls rücken noch näher zusammen, wodurch die Dampfkapillare noch besser stabilisiert werden kann. Typischerweise ist auch MSD≥5µm, und/oder ILB≥5µm*AV.
Ebenso bevorzugt ist eine Variante, die dadurch gekennzeichnet ist, dass für den Kernstrahldurchmesser KSD des Kernstrahls und für den äußeren Ringstrahldurchmesser ARSD des Ringstrahls in der Fokusebene gilt: $1 / 10 \leq KSD / ARSD \leq 1 / 2,$
bevorzugt 1/3 ≤ KSD/ARSD ≤ 1/5,
besonders bevorzugt KSD/ARSD =1/4. Diese Verhältnisse des Kernstrahldurchmessers KSD zum äußeren Ringstrahldurchmesser ARSD haben sich in der Praxis bewährt und führen in den meisten Anwendungsfällen zu stabilen Dampfkapillaren. Entsprechend der Materialien, die bearbeitet werden (wie Materialien auf Cu-Basis, Al-Basis oder Fe-Basis) können unterschiedliche Verhältnisse gewählt werden, etwa durch geeignete Wahl des Lichtleitkabels.
Weiterhin bevorzugt ist eine Variante, die vorsieht, dass in der für den Kernfaserdurchmesser KFD bei Single-Mode 10µm≤KFD≤50µm gilt, oder bei Multi-Mode 50µm≤KFD≤400µm gilt, bevorzugt 50µm≤KFD≤200µm, besonders bevorzugt KFD=50µm,
und dass für den äußeren Ringfaserdurchmesser ARFD bei Single Mode 20µm≤ARFD≤500µm gilt, bevorzugt 40µm≤ARFD≤200µm, oder bei Multi-Mode 40µm≤ARFD≤2000µm gilt, bevorzugt 80µm≤ARFD≤800µm, besonders bevorzugt ARFD=200µm. Dies sind für die Praxis bewährte Parameterbereiche, die sich leicht umsetzen lassen und mit denen Laserstrahlen guter Qualität für unterschiedliche Anwendungsgebiete des Verfahrens zur Verfügung gestellt werden können.
Auch bevorzugt ist eine Variante, bei der das oder die am Werkstück mit dem Laserstrahl bearbeiteten Materialien ausgewählt sind aus folgender Gruppe:

Cu, Cu-Legierung, insbesondere mit wenigstens 50 Gew% Cu, Al, Al-Legierung, insbesondere mit wenigstens 50 Gew% AI, Fe, Fe-Legierung, insbesondere mit wenigstens 50 Gew% Fe. Für diese Materialarten konnten durch die geringe Intensitätslückenbreite ILB zwischen Kernstrahl und Ringstrahl des Laserstrahls eine stabile Dampfkapillare während der Bearbeitung erzeugt und damit die Bildung von Spritzern und Poren verringert werden.

In einer Variante ist vorgesehen, dass zur Erzeugung des Laserstrahls ein Ausgangslaserstrahl mit einer Aufteilungsvorrichtung zum Teil in die Kernfaser und zum Teil in die Ringfaser des Lichtleitkabels eingespeist wird,
insbesondere wobei die Aufteilungsvorrichtung eine variable Aufteilungsvorrichtung ist, mit der eine Aufteilung des Ausgangslaserstrahls auf die Kernfaser und die Ringfaser veränderlich einstellbar ist, bevorzugt wobei die variable Aufteilungsvorrichtung einen verfahrbaren optischen Keil umfasst. Eine solche Aufteilungsvorrichtung ist in der Praxis einfach und kostengünstig umsetzbar. Außerdem ist lediglich ein Lasermodul („Laserquelle“) zur Erzeugung des bearbeitenden Laserstrahls nötig.
In einer alternativen Variante ist vorgesehen, dass zur Erzeugung des Laserstrahls der Kernstrahl mit einem ersten Lasermodul erzeugt wird und der Ringstrahl mit einem zweiten Lasermodul erzeugt wird,
wobei das erste Lasermodul einen ersten Vorlaserstrahl in die Kernfaser einspeist, und das zweite Lasermodul einen zweiten Vorlaserstrahl in die Ringfaser einspeist,
insbesondere wobei die Leistung des ersten Lasermoduls und die Leistung des zweiten Lasermoduls variabel einstellbar sind. Die Laserleistung beider Vorlaserstrahlen - und damit von Kernstrahl und Ringstrahl - kann dabei auf einfache Weise unabhängig voneinander eingestellt und verändert werden.
Bevorzugt ist eine Variante, in der mit dem Laserstrahl ein Laserschweißen des Werkstücks erfolgt. Bei geeigneter Wahl der Parameter für das Laserschweißen ist eine hohe Schweißgeschwindigkeit möglich. Insbesondere kann eine beim Laserschweißen entstehenden Schweißnaht eine gute Nahtqualität aufweisen. Zudem kann die Bildung von Spritzern und Poren während des Schweißens durch die Einrichtung der stabilen Dampfkapillare reduziert werden.
In einer Weiterentwicklung dieser Variante erfolgt das Laserschweißen des Werkstücks so, dass

- für eine Einschweißtiefe ET gilt 100µm ≤ ET ≤ 20mm, und/oder
- für ein Aspektverhältnis T: B einer Tiefe T zu einer Breite B einer erzeugten Schweißnaht gilt: T: B ≥ 0,5:1. Diese Parameter haben sich in der Praxis beim Laserschweißen besonders bewährt. Es kann eine sehr gute Qualität beim Laserschweißen erreicht werden und eine hohe Qualität, insbesondere Festigkeit und Haltbarkeit, der Schweißnaht erhalten werden.

Bevorzugt ist auch eine Weiterentwicklung, bei der beim Laserschweißen mindestens zwei metallische Komponenten, insbesondere auf Basis von Eisen, Kupfer und/oder Aluminium, verschweißt werden. Das Laserschweißen kann besonders gut bei metallischen Komponenten eingesetzt werden. Bei der Bearbeitung kann sich eine gleichmäßige Dampfkapillare und ein die Dampfkapillare umgebendes Schmelzbad ausbilden. Die metallischen Komponenten können gut miteinander verbunden werden. Man beachte, dass die mindestens zwei metallischen Komponenten aus dem gleichen Material bestehen können, oder dass die mindestens zwei metallischen Komponenten aus unterschiedlichem Material bestehen können.
Bevorzugt ist auch eine alternative Variante, in der mit dem Laserstrahl ein Laserschneiden des Werkstücks erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann qualitativ hochwertige Schnitte erzeugen. Bei geeigneter Wahl der Parameter für das Laserschneiden ist eine hohe Schneidgeschwindigkeit möglich. Die Einrichtung der stabilen Dampfkapillare kann insbesondere die Qualität einer beim Laserschneiden entstehenden Schnittflanke verbessern.
Besonders bevorzugt ist eine Variante, die dadurch gekennzeichnet ist, dass

- für ein Strahlparameterprodukt SPP des Laserstrahls bei Single-Mode 0,38mm*mrad≤SSP≤16mm*mrad gilt, bevorzugt mit SSP≤0,6mm*mrad, oder bei Multi-Mode SSP≤8mm*mrad gilt, und/oder
- für einen Kernstrahldurchmesser KSD' des Laserstrahls auf einer dem Laserstrahl zugewandten Werkstückoberfläche, innerhalb dessen 86% der Laserleistung des Kernstrahls vorliegen, bei Single-Mode 10µm≤KSD'≤300µm gilt, bevorzugt mit 30µm≤KSD'≤70µm, oder bei Multi-Mode 50µm≤KSD'≤1200µm gilt, und/oder
- der Laserstrahl mit wenigstens einem IR-Laser mit einer mittleren Wellenlänge MWL mit 800nm≤MWL≤1200nm, bevorzugt 1030nm≤MWL≤1070nm, oder wenigstens einem VIS-Laser, insbesondere mit einer mittleren Wellenlänge MWL mit 400nm≤MWL≤450nm oder 500nm≤MWL≤530nm, erzeugt wird, und/oder
- für das Abbildungsverhältnis AV gilt 1:1 ≤ AV ≤ 5:1, bevorzugt 1,5:1 ≤ AV ≤ 2:1. Mit diesen Parametern lässt sich die Erfindung gut in die Praxis umsetzen. Je nach Anwendung können die Parameter flexibel angepasst werden und eine gute Bearbeitungsqualität erzielt werden.

Vorteilhaft ist auch eine Variante, in der die Fokusebene in einer dem Laserstrahl zugewandten Werkstückoberfläche liegt. In der Fokusebene liegen in der Regel die besten Bearbeitungsbedingungen (insbesondere eine minimale Intensitätslücke) vor, wodurch die Bearbeitung des Werkstücks besonders präzise durchgeführt werden kann.
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallen auch ein Werkstück oder Teilstücke eines Werkstücks, bearbeitet mit einem erfindungsgemäßen, oben beschriebenen Verfahren. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens können das Werkstück oder Teilstücke des Werkstücks auf einfache und zuverlässige Weise qualitativ hochwertig bearbeitet werden. Die Dampfkapillare wird während der Bearbeitung stabilisiert, wodurch eine defektarme Bearbeitung erreicht werden kann.
Ebenso in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt weiterhin ein Lichtleitkabel,
wobei das Lichtleitkabel ein Faserende zur Bereitstellung eines Laserstrahls umfasst,
und wobei das Lichtleitkabel zumindest mit einer Kernfaser mit einem Kernfaserdurchmesser KFD, einer die Kernfaser ringförmig umgebende Ringfaser mit einem äußeren Ringfaserdurchmesser ARFD und einer zwischen Kernfaser und Ringfaser liegenden und die Kernfaser umgebenden Mantelschicht mit einer Mantelschichtdicke MSD ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass MSD≤0,3*KFD,
und dass MSD≤20µm, vorzugsweise MSD<10µm. Das so ausgestaltete Lichtleiterkabel ist geeignet, um einen Laserstrahl nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verfügung zu stellen. Entsprechend kann unter Verwendung des erfindungsgemäßen Lichtleitkabels eine besonders hochwertige Laserbearbeitung von Werkstücken erfolgen. Insbesondere kann auch gelten MSD≤0,2*KFD, bevorzugt MSD≤0,15*KFD, besonders bevorzugt MSD≤0,1*KFD. Ebenso kann insbesondere gelten MSD≤9µm, bevorzugt MSD≤7µm, besonders bevorzugt MSD≤6µm. Typischerweise ist auch MSD≥5µm. Das Lichtleitkabel kann in Form einer Taper-Faser ausgebildet sein, die durch Strecken einer Faser größeren Durchmessers herstellbar ist.
Weiterhin umfasst die vorliegende Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen, oben beschriebenen Lichtleitkabels in einem erfindungsgemäßen, oben beschriebenen Verfahren, insbesondere zur Bearbeitung eines erfindungsgemä-ßen, oben beschriebenen Werkstücks oder von Teilstücken eines Werkstücks. Mit der Erfindung kann eine besonders stabile Dampfkapillare bei der Bearbeitung von Werkstücken erzeugt werden. Dies ermöglicht eine hochwertige, defektarme, insbesondere spritzer- und porenarme Bearbeitung.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Figurenliste
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

1 zeigt eine schematische Aufsicht auf ein Faserende eines beispielhaften Lichtleitkabels zur Bereitstellung eines Laserstrahls für das erfindungsgemäße Verfahren;
2 erläutert einen beispielhaften Laserstrahl für das erfindungsgemäße Verfahren, wie er durch das Faserende, wie in 1 beschrieben, erzeugt werden kann, mit dem Intensitätsprofil des Kernstrahls (a), dem Intensitätsprofil des Ringstrahls (b) sowie dem Intensitätsprofil des gesamten Laserstrahls (c) in der Fokusebene und mit einer schematischen Darstellung des Laserstrahls im Querschnitt (d);
3a zeigt eine schematische Darstellung eines Laserstrahls im Querschnitt nach dem Stand der Technik und eine schematische Schnittansicht auf ein Werkstück, welches durch den Laserstrahl bearbeitet wird;
3b zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Laserstrahls im Querschnitt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und eine schematische Schnittansicht auf ein Werkstück, welches durch den Laserstrahl nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet wird;
4 erläutert eine beispielhafte Aufteilungsvorrichtung und ein Lichtleitkabel zur Aufteilung und zur Umformung eines Ausgangslaserstrahls in einen Laserstrahl für das erfindungsgemäße Verfahren;
5a zeigt in einer schematischen Aufsicht zwei beispielhafte metallische Komponenten, die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Laserschweißen miteinander verschweißt werden;
5b zeigt in einer schematischen Aufsicht ein beispielhaftes Werkstück, welches im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Laserschneiden geschnitten wird.

1 zeigt beispielhaft eine Aufsicht auf ein Faserende 1 eines Lichtleitkabels 2, mit dem ein Laserstrahl mit einem Kernstrahl und einem Ringstrahl für das erfindungsgemäße Verfahren bereitgestellt werden kann (siehe hierzu 2). Das Lichtleitkabel 2 ist hier als eine 2-in-1-Faser 2a ausgebildet. Die 2-in-1-Faser 2a weist hier eine Kernfaser 3 (durch die der Kernstrahl des Laserstrahls bereitgestellt wird) und eine sie umgebende Ringfaser 4 (durch die der Ringstrahl des Laserstrahls bereitgestellt wird) auf. Die Kernfaser 3 ist von einer Mantelschicht 5 (innerer schraffierter Bereich) umgeben. Die Ringfaser 4 ist von einer weiteren Mantelschicht 18 (äußerer schraffierter Bereich) umgeben.
Im hier gezeigten Beispiel hat die Kernfaser 3 einen Kernfaserdurchmesser KFD von 50 µm. Die Ringfaser 4 hat hier einen äußeren Ringfaserdurchmesser ARFD von 200 µm. Eine Mantelschichtdicke MSD der Mantelschicht 5 beträgt hier 6 µm. Die Mantelschichtdicke MSD kann gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise unterhalb von 10 µm liegen. Meist liegt die Mantelschichtdicke MSD oberhalb von 5 µm. Das Verhältnis von der Mantelschichtdicke MSD zum Kernfaserdurchmesser KFD beträgt hier 0,12, gemäß MSD/KFD = 6 µm/50 µm = 0,12. Erfindungsgemäß liegt für das erfindungsgemäße Verfahren das Verhältnis von der Mantelschichtdicke MSD zum Kernfaserdurchmesser KFD unterhalb oder bei einem Faktor von 0,3. Das Verhältnis vom Kernfaserdurchmesser KFD zum äußeren Ringfaserdurchmesser ARFD beträgt hier 0,25, gemäß KFD/ARFD = 50 µm/200 µm = 0,25.
Das hier gezeigte Lichtleitkabel 2 ist sowohl für Laser im Single-Mode, als auch für Laser im Multi-Mode geeignet. Typischerweise liegen für das erfindungsgemäße Verfahren die Kernfaserdurchmesser KFD zwischen 10 µm und 50 µm im Single-Mode und zwischen 50 µm und 400 µm im Multimode, und die äußeren Ringfaserdurchmesser ARFD zwischen 20 µm und 500 µm im Single-Mode und zwischen 40 µm und 2000 µm im Multi-Mode.
2 zeigt für das erfindungsgemäße Verfahren in einer beispielhaften Variante a) ein Diagramm des Intensitätsprofils des Kernstrahls 6 in der Fokusebene entlang einer Geraden G, b) ein Diagramm des Intensitätsprofils des Ringstrahls 7 in der Fokusebene entlang der Geraden G, c) ein Diagramm des Intensitätsprofils des gesamten Laserstrahls 8 in der Fokusebene entlang der Geraden G und d) eine schematische Darstellung des Laserstrahls 8 im Querschnitt. Die Gerade G verläuft hier parallel zur x-Achse durch das Zentrum des Laserstrahls 8 hindurch, wie im Querschnitt d) ersichtlich. Auf der Ordinate der Diagramme in a), b) und c) ist die Intensität in willkürlichen Einheiten aufgetragen und auf der Abszisse ist die x-Richtung aufgetragen (entsprechend der Geraden G, die hier parallel zur x-Richtung verläuft). Das Koordinatensystem in d) ist so gewählt, dass die x-Achse nach rechts und die y-Achse nach oben zeigt.
In a) ist das Intensitätsprofil des Kernstrahls 6 gezeigt. Das Intensitätsprofil des Kernstrahls 6 wurde hier durch ein Abschatten des Ringstrahls 7 erhalten. Der Kernstrahl 6 hat hier ein zentrales Intensitätsplateau.
Um einen Kernstrahldurchmesser KSD des Kernstrahls 6 zu bestimmen, wird das 86%-Kriterium angewendet. Das heißt, es wird eine Kreisfläche (hier durch gestrichelte Linien angedeutet) um ein Zentrum ZK des Kernstrahls 6 gelegt mit einem Durchmesser, so dass 86% der Laserleistung innerhalb der Kreisfläche liegen. Der Kernstrahldurchmesser KSD beträgt im hier gezeigten Beispiel ungefähr 50 µm.
In b) ist das Intensitätsprofil des Ringstrahls 7 gezeigt. Das Intensitätsprofil des Ringstrahls 7 wurde hier durch ein Abschatten des Kernstrahls 6 erhalten. Der Ringstrahl 7 hat hier ein ringartiges Intensitätsplateau.
Um einen äußeren Ringstrahldurchmesser ARSD des Ringstrahls 7 zu bestimmen, wird das 86%-Kriterium angewendet. Das heißt, es wird eine Kreisfläche (hier ebenfalls durch gestrichelte Linien angedeutet) um ein Zentrum ZR des Ringstrahls 7 gelegt mit einem Durchmesser, so dass 86% der Laserleistung innerhalb der Kreisfläche liegen. Der äußere Ringstrahldurchmesser ARSD beträgt im hier gezeigten Beispiel ungefähr 200 µm.
Ein innerer Ringstrahldurchmesser IRSD wird auf der innen liegenden Seite des Ringstrahls 7 dort angesetzt, wo eine gleiche über den Umfang gemittelte Strahlungsdichte des Ringstrahls 7 wie auf dem äußeren Ringstrahldurchmesser ARSD vorliegt. Der innere Ringstrahldurchmesser IRSD beträgt im hier gezeigten Beispiel ungefähr 62 µm.
In c) ist das Intensitätsprofil des gesamten Laserstrahls 8 gezeigt. Der Laserstrahl 8 setzt sich aus dem Kernstrahl 6 mit dem Kernstrahldurchmesser KSD=50 µm sowie aus dem Ringstrahl 7 mit dem inneren Ringstrahldurchmesser IRSD=62 µm und dem äußeren Ringstrahldurchmesser ARSD=200 µm zusammen. Zwischen dem Kernstrahl 6 und dem Ringstrahl 7 liegt eine Intensitätslücke 9 mit einer Intensitätslückenbreite ILB. Hier beträgt die Intensitätslückenbreite ILB=6 µm, gemäß (IRSD-KSD)/2 = (62 µm-50 µm)/2 = 6 µm. Die Intensitätslückenbreite ILB kann gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise unterhalb von 10 µm*AV liegen (mit AV: Abbildungsverhältnis).
In d) ist der in c) beschriebene Laserstrahl 8 im Querschnitt in der Fokusebene gezeigt, wie er mit dem Faserende des Lichtleitkabels aus 1 bereitgestellt wird. Der Kernstrahldurchmesser KSD, der innere Ringstrahldurchmesser IRSD und der äußere Ringstrahldurchmesser ARSD werden, wie oben in a) und b) beschrieben, nach dem 86%-Kriterium bestimmt und eine entsprechende Kreisfläche für den Kernstrahl 6 (innere gepunktete Kreisfläche) und eine entsprechende Ringfläche für den Ringstrahl 7 (äußere gepunktete Fläche) eingezeichnet.
Der Kernstrahl 6 ist ringförmig vom Ringstrahl 7 umgeben. Zwischen dem Kernstrahl 6 und dem Ringstrahl 7 liegt die Intensitätslücke 9. Die Intensitätslücke 9 umgibt den Kernstrahl 6 ringförmig.
Im hier gezeigten Beispiel sind der Kernstrahldurchmesser KSD (=50 µm) und der Kernfaserdurchmesser KFD (=50 µm), der äußere Ringstrahldurchmesser ARSD (=200) µm und der äußere Ringfaserdurchmesser ARFD (=200 µm) sowie die Intensitätslückenbreite ILD (=6 µm) und die Mantelschichtdichte MSD (=6 µm) gleich groß. Ein Abbildungsverhältnis AV beträgt hier 1:1. Typischerweise liegt für das erfindungsgemäße Verfahren das Abbildungsverhältnis AV zwischen 1:1 und 5:1.
Das Verhältnis von der Intensitätslückenbreite ILB zum Kernstrahldurchmesser KSD beträgt hier 0,12, gemäß ILB/KSD = 6 µm/50 µm = 0,12. Erfindungsgemäß liegt für das erfindungsgemäße Verfahren das Verhältnis von der Intensitätslückenbreite ILB zum Kernstrahldurchmesser KSD unterhalb oder bei einem Faktor von 0,3. Das Verhältnis vom Kernstrahldurchmesser KSD zum äußeren Ringstrahldurchmesser ARSD beträgt hier 0,25, gemäß KFD/ARFD = 50 µm/200 µm = 0,25. Typischerweise liegt für das erfindungsgemäße Verfahren das Verhältnis vom Kernstrahldurchmesser KSD zum äußeren Ringstrahldurchmesser ARSD oberhalb oder bei einem Faktor von 0,1 und unterhalb oder bei einem Faktor 0,5.
3a zeigt oben schematisch einen beispielhaften, fiktiven Laserstrahl 8 nach dem Stand der Technik im Querschnitt in der Fokusebene 11. Das Koordinatensystem für die Darstellung des Laserstrahls 8 ist so gewählt, dass die x-Achse nach rechts und die y-Achse nach oben zeigt. Weiterhin ist unten eine stark vereinfachte, schematische Schnittansicht eines Werkstücks 10 gezeigt, welches durch den Laserstrahl 8 bearbeitet wird. Das Koordinatensystem für die Schnittansicht auf das Werkstück 10 ist so gewählt, dass die x-Achse nach rechts und die z-Achse nach oben zeigt.
Im hier gezeigten Beispiel beträgt für Laserstrahl 8 der Kernstrahldurchmesser KSD=50 µm, der äußere Ringstrahldurchmesser ARSD=200 µm, der innere Ringstrahldurchmesser IRSD=130 µm, sowie die Intensitätslückenbreite ILB=40 µm. Die Intensitätslückenbreite ILD ist in dem gezeigten Beispiel des Standes der Technik also deutlich größer als in der Erfindung vorgeschlagen wird.
Das Werkstück 10 wird durch den eben beschriebenen Laserstrahl 8 bearbeitet. Zur Bearbeitung des Werkstücks 10 wird der Laserstrahl 8 in Richtung auf eine Werkstückoberfläche 10a des Werkstücks 10 zu in der Fokusebene 11 (gestrichelte Linie) fokussiert; im gezeigten Beispiel fällt die Werkstückoberfläche 10a mit der Fokusebene 11 zusammen. Der Kernstrahl 6 und der Ringstrahl 7 dringen von der Werkstückoberfläche 10a aus in das Werkstück 10. Es bildet sich durch die Wirkung von Kernstrahl 6 und Ringstrahl 7 eine Dampfkapillare 12 aus, die hier stark schematisch dargestellt ist. In der Umgebung der Dampfkapillare 12 wird das Material des Werkstücks 10 aufgeschmolzen, wodurch sich ein Schmelzbad 13 von flüssigem Material des Werkstücks 10 bildet.
Die Dampfkapillare 12 ist hier zusammengesetzt aus einem Innenbereich (zentraler Teil) 14 der Dampfkapillare 12 und einem Außenbereich (peripherer/radial äußerer Teil) 15 der Dampfkapillare 12. Der Innenbereich 14 wird hauptsächlich durch den Kernstrahl 6 ausgebildet. Der Außenbereich 15 wird hauptsächlich durch den Ringstrahl 7 ausgebildet.
Die große Intensitätslücke 9 im Stand der Technik bewirkt, dass zwischen dem Innenbereich 14 und dem Außenbereich 15 der Dampfkapillare 12 ein ausgeprägter Rücksprung 28 des Schmelzbads 13 vorliegt, da die Seitenwände 29 der Dampfkapillare 12 wegen der großen Intensitätslücke 9 nur unzureichend bestrahlt werden. Durch den Rücksprung 28 wird die Dampfkapillare 12 sozusagen zweigeteilt. Der Rücksprung 28 entsteht, weil im Bereich der ausgeprägten Intensitätslücke 9 kein oder nur wenig Material verdampft wird. Die Dampfkapillare 12 weist entsprechend eine ungleichmäßige Öffnung auf. Der Rücksprung 28 bewirkt eine unruhige Dynamik des Schmelzbads 13 und das verdampfte Material des Werkstücks 10 aus dem Innenbereich 14 kann nur schwer aus der Dampfkapillare 12 entweichen. Hierdurch können Defekte (wie Spritzer, Poren oder Risse) während der Bearbeitung entstehen, die die Qualität des Werkstücks 10 mindern oder das Werkstück 10 unbrauchbar machen.
3b zeigt oben schematisch den beispielhaften Laserstrahl 8 aus 2 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren im Querschnitt in der Fokusebene 11. Das Koordinatensystem für die Darstellung des Laserstrahls 8 ist so gewählt, dass die x-Achse nach rechts und die y-Achse nach oben zeigt. Weiterhin ist unten eine stark vereinfachte, schematische Schnittansicht durch ein Werkstück 10 gezeigt, welches durch den Laserstrahl 8 bearbeitet wird. Das Koordinatensystem für die Schnittansicht durch Werkstück 10 ist so gewählt, dass die x-Achse nach rechts und die z-Achse nach oben zeigt.
Der Laserstrahl 8 mit seinem Kernstrahl 6 und seinem Ringstrahl 7 erzeugen im Werkstück 10 wieder eine Dampfkapillare 12; anders als im Beispiel zuvor liegen die innere Kante des Ringstrahls 7 und die äußere Kante des Kernstrahls 6 hier jedoch dicht beisammen, mit einer Intensitätslückenbreite ILB von ca. 6µm; weiterhin ist hier KSD=50µm, ARSD=200µm und IRSD=62µm. Die Dampfkapillare 12 ist hier wiederum zusammengesetzt aus dem Innenbereich 14 der Dampfkapillare 12 und dem Außenbereich 15 der Dampfkapillare 12. Die kleine Intensitätslücke 9 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bewirkt jedoch, dass der Innenbereich 14 und der Außenbereich 15 der Dampfkapillare 12 ohne Rücksprünge 28 ineinander übergehen. Es kann praktisch radial durchgehend Material verdampft werden.
Durch den Ringstrahl 7 wird die gemeinsame Dampfkapillare 12 nach oben hin weit geöffnet und durch den Kernstrahl 6 wird eine Bearbeitung in die Tiefe des Werkstücks 10 möglich. Die Seitenwände 29 der Dampfkapillare 12 nehmen vom Außenbereich 15 auf den Innenbereich 14 zu gleichmäßig ab, wodurch eine nahezu konische Dampfkapillare 12 entsteht. Die Dampfkapillare 12, die auch als gemeinsame Dampfkapillare 12 bezeichnet werden kann, bildet eine Trichterform aus.
Durch die trichterförmige Ausgestaltung der gemeinsamen Dampfkapillare 12 tritt während der Bearbeitung des Werkstücks 10 das verdampfte Material besonders einfach aus der gemeinsamen Dampfkapillare 12 und insbesondere aus dem Innenbereich 14 aus. Die gemeinsame Dampfkapillare 12 wird also stabilisiert und stabil offen gehalten. Weiterhin wird eine Bildung von Defekten (wie etwa Spritzern und Poren) bei der Bearbeitung von Werkstück 10 mit einer in dieser Weise ausgebildeten gemeinsamen Dampfkapillare 12 verringert oder komplett verhindert. Gleichzeitig ist es möglich, eine konstante Bearbeitungstiefe im Werkstück 10 zu erhalten.
4 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Aufteilungsvorrichtung 16, die mit der Erfindung eingesetzt werden kann, mit dem (geschnitten dargestellten) Lichtleitkabel 2, einem Ausgangslaserstrahls 17 und dem Laserstrahl 8. Der Ausgangslaserstrahl 17 propagiert entlang einer Achse A.
Das Lichtleitkabel 2 weist die Kernfaser 3 (innerer gepunkteter Bereich) sowie die die Kernfaser 3 umgebende Mantelschicht 5 (innere zwei gestrichelte Bereiche) auf. An die Mantelschicht 5 schließt sich die Ringfaser 4 (äußere zwei gepunkteten Bereich) an, die von der weiteren Mantelschicht 18 (äußere zwei gestrichelte Bereiche) umgeben ist. An einem Faseranfang 19 wird der Ausgangslaserstrahl 17 in das Lichtleitkabel 2 eingekoppelt und am Faserende 1 des Lichtleitkabels 2 wird dann der Laserstrahl 8 für das erfindungsgemäße Verfahren bereit gestellt.
Der Ausgangslaserstrahl 17 wird von einer Laserquelle (nicht näher dargestellt) erzeugt. Der Ausgangslaserstrahl 17 breitet sich hier entlang der Achse A kollimiert aus und wird auf die Aufteilungsvorrichtung 16 gerichtet. Im hier gezeigten Beispiel ist die Aufteilungsvorrichtung 16 als eine variable Aufteilungsvorrichtung 16a ausgebildet, die eine Fokussierlinse 20 und einen verfahrbaren optischen Keil 21 umfasst.
Der optische Keil 21 ist hier zur Hälfte in einen Strahlengang 22 des Ausgangslaserstrahl 17 eingefahren. Hierdurch wird ein Teil des Ausgangslaserstrahls 17 vom optischen Keil 21 abgelenkt (gebrochen); dieser Teil wird als abgelenkter Teil 17a bezeichnet. Ein weiterer Teil des Ausgangslaserstrahls 17 ist am optischen Keil 21 vorbeigeführt; dieser Teil wird als unabgelenkter Teil 17b bezeichnet. Der unabgelenkter Teil 17b des Ausgangslaserstrahls 17 und der abgelenkte Teil 17a des Ausgangslaserstrahls 17 werden jeweils beide an der Fokussierlinse 20 gebrochen. Der unabgelenkte Teil 17b des Ausgangslaserstrahls 17 wird dabei auf die Kernfaser 3 fokussiert, in die Kernfaser 3 eingekoppelt und am Faserende 1 als Kernstrahl 6 bereitgestellt. Der abgelenkte Teil 17a des Ausgangslaserstrahls 17 wird auf die Ringfaser 4 fokussiert, in die Ringfaser 4 eingekoppelt und am Faserende 1 als Ringstrahl 7 bereitgestellt. Gemeinsam ergeben der Kernstrahl 6 und der Ringstrahl 7 dann den Laserstrahl 8 für das erfindungsgemäße Verfahren. Wird der optische Keil 21 in Querrichtung (senkrecht zur Achse A) verschoben, können die Anteile des Ausgangslaserstrahls 17, die auf die Kernfaser 3 und Ringfaser 4 flexibel verändert werden.
Alternativ und hier nicht gezeigt, kann der Laserstrahl 8 auch durch ein erstes Lasermodul und ein zweites Lasermodul erzeugt werden. Hierzu wird über das erste Lasermodul ein erster Vorlaserstrahl in die Kernfaser 3 eingespeist und der Kernstrahl 6 erzeugt. Über das zweite Lasermodul wird ein zweiter Vorlaserstrahl in die Ringfaser 4 eingespeist und der Ringstrahl 7 erzeugt. Die Leistung der Lasermodule kann dabei, je nach Anwendungsgebiet und bearbeitetem Material, entsprechend variiert werden.
5a zeigt in einer schematischen Aufsicht zwei metallische Komponenten 23a, 23b, die hier im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Laserschweißen zu einem Werkstück 10 miteinander verschweißt werden. Das Koordinatensystem ist so gewählt, dass die x-Achse nach rechts und die y-Achse nach oben zeigt.
Im hier gezeigten Beispiel liegt die erste metallische Komponente 23a (hier auf Basis von Kupfer) auf der zweiten metallischen Komponente 23b (hier auf der Basis von Aluminium) auf. Die Fokusebene des Laserstrahl 8 liegt auf einer Komponentenoberfläche 24 der oberen Komponente 23a. Ein Kernstrahldurchmesser KSD' des Kernstrahls 6 des Laserstrahls 8 auf der Komponentenoberfläche 24 beträgt hier ungefähr 50 µm. Typischerweise liegt für das erfindungsgemäße Verfahren der Kernstrahldurchmesser KSD' zwischen 10 µm und 300 µm im Single-Mode und zwischen 50 µm und 1200 µm im Multi-Mode. Ein innerer Ringstrahldurchmesser IRSD' des Ringstrahls 7 des Laserstrahls 8 beträgt hier ungefähr 62 µm. Ein äußerer Ringstrahldurchmesser ARSD' des Ringstrahls 7 des Laserstrahls 8 beträgt hier ungefähr 200 µm. Eine Intensitätslückenbreite ILB' beträgt hier ungefähr 6 µm, gemäß ILB' = (IRSD'-KSD')/2 = (62 µm-50 µm)/2 = 6 µm.
Der Laserstrahl 8 wird mit einer Vorschubgeschwindigkeit in eine Vorschubrichtung V bewegt, die hier parallel zur x-Achse ist. Der Bereich, der bereits von Laserstrahl 8 geschweißt wurde, weist eine Schweißnaht 25 auf. Beim Verschwei-ßen der zwei metallischen Komponenten 23a, 23b kann durch das erfindungsgemäße Verfahren eine qualitativ gute Schweißnaht 25 und eine gute Verschweißung der zwei metallischen Komponenten 23a, 23b bei gleichzeitig geringer Poren- und Spritzerbildung erreicht werden.
5b zeigt in einer schematischen Aufsicht ein Werkstück 10, welches hier im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Laserschneiden geschnitten wird und drei bereits abgeschnittene Teilstücke 26 des Werkstücks 10. Das Koordinatensystem ist so gewählt, dass die x-Achse nach rechts und die y-Achse nach oben zeigt.
Der Laserstrahl 8 ist hier zunächst auf einen Werkstückrand 10b gerichtet. Der Laserstrahl 8 wird dann mit einer Vorschubgeschwindigkeit in Vorschubrichtung V, die hier parallel zur y-Achse ist, in das Werkstück 10 hinein bewegt. Der Laserstrahl 8 fährt einmal über bzw. durch das Werkstück 10, um das Werkstück 10 zu durchtrennen.
Neben dem Werkstück 10 sind die drei Teilstück 26 gezeigt, welche bereits durch das Laserschneiden von Werkstück 10 abgetrennt wurden. Beim Laserschneiden des Werkstücks 10 kann durch das erfindungsgemäße Verfahren eine qualitativ gute Schnittkante 27 bei gleichzeitig geringer Defektbildung und insbesondere geringer Spritzerbildung erreicht werden.
Bezugszeichenliste

1: Faserende
2: Lichtleitkabel
2a: 2-in-1-Faser
3: Kernfaser
4: Ringfaser
5: Mantelschicht
6: Kernstrahl
7: Ringstrahl
8: Laserstrahl
9: Intensitätslücke
10: Werkstück
10a: Werkstückoberfläche
10b: Werkstückrand
11: Fokusebene
12: gemeinsame Dampfkapillare
13: Schmelzbad
14: Innenbereich
15: Außenbereich
16: Aufteilungsvorrichtung
16a: variable Aufteilungsvorrichtung
17: Ausgangslaserstrahl
17a: abgelenkter Teil
17b: unabgelenkter Teil
18: weitere Mantelschicht
19: Faseranfang
20: Fokussierlinse
21: optischer Keil
22: Strahlengang
23a, 23b: metallische Komponente
24: Komponentenoberfläche
25: Schweißnaht
26: Teilstück
27: Schnittkante
28: Rücksprung
29: Seitenwand
A: Achse
ARFD: äußerer Ringfaserdurchmesser
ARSD: äußerer Ringstrahldurchmesser
G: Gerade
ILB: Intensitätslückenbreite
IRSD: innerer Ringstrahldurchmesser
KFD: Kernfaserdurchmesser
KSD: Kernstrahldurchmesser (in der Fokusebene)
MSD: Mantelschichtdicke
V: Vorschubrichtung
ZK: Zentrum (Intensitätsprofil Kernstrahl)
ZR: Zentrum (Intensitätsprofil Ringstrahl)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010003750 A1 [0005]
DE 102019215968 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks (10) mittels eines Laserstrahls (8), wobei der Laserstrahl (8) an einem Faserende (1) eines Lichtleitkabels (2) bereitgestellt wird, wobei das Lichtleitkabel (2) zumindest mit einer Kernfaser (3) mit einem Kernfaserdurchmesser KFD, einer die Kernfaser (3) ringförmig umgebenden Ringfaser (4) mit einem äußeren Ringfaserdurchmesser ARFD und einer zwischen Kernfaser (3) und Ringfaser (4) liegenden und die Kernfaser (3) umgebenden Mantelschicht (5) mit einer Mantelschichtdicke MSD ausgebildet ist, so dass der Laserstrahl (8) einen Kernstrahl (6) aus der Kernfaser (3) und einen Ringstrahl (7) aus der Ringfaser (4) umfasst, wobei der Laserstrahl (8) mit einem Abbildungsverhältnis AV in Richtung auf das Werkstück (10) zu in einer Fokusebene (11) fokussiert wird, wobei in der Fokusebene (11) - der Kernstrahl (6) einen Kernstrahldurchmesser KSD aufweist, innerhalb dessen 86% der Laserleistung des Kernstrahls (6) vorliegen, - der Ringstrahl (7) einen äußeren Ringstrahldurchmesser ARSD aufweist, innerhalb dessen 86% der Laserleistung des Ringstrahls (7) vorliegen, und - der Ringstrahl (7) einen inneren Ringstrahldurchmesser IRSD aufweist, auf dem eine gleiche über den Umfang gemittelte Strahlungsdichte des Ringstrahls (7) wie auf dem äußeren Ringstrahldurchmesser ARSD vorliegt, so dass sich eine Intensitätslücke (9) zwischen dem inneren Ringstrahldurchmesser IRSD und dem Kernstrahldurchmesser KSD mit einer Intensitätslückenbreite ILB=(IRSD-KSD)/2 ergibt, dadurch gekennzeichnet, dass MSD≤0,3*KFD und weiterhin ILB≤0,3*KSD, und dass MSD≤20µm, vorzugsweise <10µm, und ILB≤20µm*AV, vorzugsweise <10µm*AV.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass MSD≤0,2*KFD und weiterhin ILB≤0,2*KSD, bevorzugt MSD≤0,15*KFD und weiterhin ILB≤0,15*KSD, besonders bevorzugt MSD≤0,1*KFD und weiterhin ILB≤0,1*KSD.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass MSD≤9µm und ILB≤9µm*AV, bevorzugt MSD≤7µm und ILB≤7µm*AV, besonders bevorzugt MSD≤6µm und ILB≤6µm*AV.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Kernstrahldurchmesser KSD des Kernstrahls (6) und für den äußeren Ringstrahldurchmesser ARSD des Ringstrahls (7) in der Fokusebene (11) gilt: $1 / 10 \leq KSD / ARSD \leq 1 / 2,$
bevorzugt 1/3 ≤ KSD/ARSD ≤ 1/5, besonders bevorzugt KSD/ARSD =1/4.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Kernfaserdurchmesser KFD bei Single-Mode 10µm≤KFD≤50µm gilt, oder bei Multi-Mode 50µm≤KFD≤400µm gilt, bevorzugt 50µm≤KFD≤200µm, besonders bevorzugt KFD=50µm, und dass für den äußeren Ringfaserdurchmesser ARFD bei Single Mode 20µm≤ARFD≤500µm gilt, bevorzugt 40µm≤ARFD≤200µm, oder bei Multi-Mode 40µm≤ARFD≤2000µm gilt, bevorzugt 80µm≤ARFD≤800µm, besonders bevorzugt ARFD=200µm.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die am Werkstück (10) mit dem Laserstrahl (8) bearbeiteten Materialien ausgewählt sind aus folgender Gruppe: Cu, Cu-Legierung, insbesondere mit wenigstens 50 Gew% Cu, Al, Al-Legierung, insbesondere mit wenigstens 50 Gew% Al, Fe, Fe-Legierung, insbesondere mit wenigstens 50 Gew% Fe.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Laserstrahls (8) ein Ausgangslaserstrahl (17) mit einer Aufteilungsvorrichtung (16) zum Teil in die Kernfaser (3) und zum Teil in die Ringfaser (4) des Lichtleitkabels (2) eingespeist wird, insbesondere wobei die Aufteilungsvorrichtung (16) eine variable Aufteilungsvorrichtung (16a) ist, mit der eine Aufteilung des Ausgangslaserstrahls (17) auf die Kernfaser (3) und die Ringfaser (4) veränderlich einstellbar ist, bevorzugt wobei die variable Aufteilungsvorrichtung (16a) einen verfahrbaren optischen Keil (21) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Laserstrahls (8) der Kernstrahl (6) mit einem ersten Lasermodul erzeugt wird und der Ringstrahl (7) mit einem zweiten Lasermodul erzeugt wird, wobei das erste Lasermodul einen ersten Vorlaserstrahl in die Kernfaser (3) einspeist, und das zweite Lasermodul einen zweiten Vorlaserstrahl in die Ringfaser (4) einspeist, insbesondere wobei die Leistung des ersten Lasermoduls und die Leistung des zweiten Lasermoduls variabel einstellbar sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Laserstrahl (8) ein Laserschweißen des Werkstücks (10) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserschweißen des Werkstücks (10) so erfolgt, dass - für eine Einschweißtiefe ET gilt 100µm ≤ ET ≤ 20mm, und/oder - für ein Aspektverhältnis T: B einer Tiefe T zu einer Breite B einer erzeugten Schweißnaht (25) gilt: T:B ≥ 0,5:1.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass beim Laserschweißen mindestens zwei metallische Komponenten (23a, 23b), insbesondere auf Basis von Eisen, Kupfer und/oder Aluminium, verschweißt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Laserstrahl (8) ein Laserschneiden des Werkstücks (10) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung des Werkstücks (10) so erfolgt, dass - für ein Strahlparameterprodukt SPP des Laserstrahls (8) bei Single-Mode 0,38mm*mrad≤SSP≤16mm*mrad gilt, bevorzugt mit SSP≤0,6mm*mrad, oder bei Multi-Mode SSP≤8mm*mrad gilt, und/oder - für einen Kernstrahldurchmesser KSD' des Laserstrahls (8) auf einer dem Laserstrahl (8) zugewandten Werkstückoberfläche (10a), innerhalb dessen 86% der Laserleistung des Kernstrahls (8) vorliegen, bei Single-Mode 10µm≤KSD'≤300µm gilt, bevorzugt mit 30µm≤KSD'≤70µm, oder bei Multi-Mode 50µm≤KSD'≤1200µm gilt, und/oder - der Laserstrahl (8) mit wenigstens einem IR-Laser mit einer mittleren Wellenlänge MWL mit 800nm≤MWL≤1200nm, bevorzugt 1030nm≤MWL≤1070nm, oder wenigstens einem VIS-Laser, insbesondere mit einer mittleren Wellenlänge MWL mit 400nm≤MWL≤450nm oder 500nm≤MWL≤530nm, erzeugt wird, und/oder - für das Abbildungsverhältnis AV gilt 1:1 ≤ AV ≤ 5:1, bevorzugt 1,5:1 ≤ AV≤2:1.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokusebene (11) in einer dem Laserstrahl (8) zugewandten Werkstückoberfläche (10a) liegt.
Werkstück (10) oder Teilstücke (26) eines Werkstücks (10), bearbeitet mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Lichtleitkabel (2), wobei das Lichtleitkabel (2) ein Faserende (1) zur Bereitstellung eines Laserstrahls (8) umfasst, und wobei das Lichtleitkabel (2) zumindest mit einer Kernfaser (3) mit einem Kernfaserdurchmesser KFD, einer die Kernfaser (3) ringförmig umgebende Ringfaser (4) mit einem äußeren Ringfaserdurchmesser ARFD und einer zwischen Kernfaser (3) und Ringfaser (4) liegenden und die Kernfaser (3) umgebenden Mantelschicht (5) mit einer Mantelschichtdicke MSD ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass MSD≤0,3*KFD, und dass MSD≤20µm, vorzugsweise <10µm.
Verwendung eines Lichtleitkabels (2) nach Anspruch 16 in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, insbesondere zur Bearbeitung eines Werkstücks (10) oder von Teilstücken (26) eines Werkstücks (10) nach Anspruch 15.