Verfahren zum Stumpfstoßschweißen mitels eines UKP-Laserstrahls sowie aus Einzelteilen zusammengefügtes optisches Element
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stumpfstoßschweißen zweier insbeson- dere plattenförmiger Werkstücke aus Glas, insbesondere Quarzglas, mittels eines gepulsten Laserstrahls, insbesondere UKP-Laserstrahls, der parallel zur Fügeflä- che der beiden Werkstücke in das Werkstückmaterial eingestrahlt wird und der im Bereich der gemeinsamen Fügefläche in das Werkstückmaterial fokussiert wird,
um die beiden Werkstücke im Bereich ihrer gemeinsamen Fügefläche lokal aufzu- schmelzen, sowie auch ein aus mehreren miteinander laserverschweißten Einzel- teilen zusammengefügtes optisches Element
Ultrakurz gepulste (UKP)-Laserstrahlung mit Pulsdauern kleiner als 500 ps, insbe- sondere im Femtosekundenbereich, wird zunehmend für die Materialbearbeitung eingesetzt. Die Besonderheit der Materialbearbeitung mit UKP-Laserstrahlung liegt in den hohen Spitzenleistungen/Spitzenintensitäten der Laserstrahlung mit dem Werkstück. Dadurch bedingt lassen sich im Festkörper extreme thermische Ungleichgewichte erzeugen, z.B zwischen Elektronen und Atom/Ion-Rümpfen, die dann zu einzigartigen Abtrags- oder Formationsmechanismen führen.
Das Laserschweißen von lasertransparenten Gläsern oder auch anderen, für den Laserstrahl transparenten, teiltransparenten oder streuenden Materialien mittels ultrakurzer Laserpulse ermöglicht eine stabile Verbindung ohne zusätzlichen Ma- terialeinsatz, ist aber durch laserinduzierte transiente sowie permanente Spannun- gen limitiert. Zum Stumpfstoßverbinden zweier lasertransparenter Werkstücke, wie z.B, Gläser oder Kristalle, wird ein z.B. mittig in das Volumen der beiden Werk- stück fokussierter UKP-Laserstrahl entlang der Fügelinie bewegt, um die beiden Werkstücke im Bereich ihrer Grenzfläche lokal aufzuschmelzen und dadurch im Volumen der beiden Werkstücke eine insbesondere durchgängige horizontale Schweißnaht zu erzeugen. Die Schweißnaht ist durch eine von außen als
Schweißblase erkennbare Schmelzzone gebildet, die vom Laserfokus ausgeht und sich entgegen der Richtung des einfallenden Laserstrahls tropfenförmig er- streckt, also auf der laserfokuszugewandten Seite spitz in den Laserfokus zuläuft und auf der laserfokusabgewandten Seite halbkugelförmig abschließt. Zur Steige- rung der Anbindungsfläche werden mehrere Schweißnähte in Bahnen nebenein- ander gesetzt. Diese bekannte Art zu schweißen ermöglicht gasdichte Schweiß- nähte und Fügeverbindungen mit hohen Festigkeiten und wird zum Fügen von z.B Schutzgläsern eingesetzt
Hintergrund ist das lokale Aufschmelzen des Materials mittels ultrakurzer Laser- pulse. Fokussiert man ultrakurze Laserpulse in das Volumen von Glas, z.B.
Quarzglas, führt die im Laserfokus vorliegende hohe Intensität zu nichtlinearen
Absorptionsprozessen, wodurch, in Abhängigkeit der Laserparameter, verschie- dene Materialmodifikationen induziert werden können. Durch diese nichtlinearen Absorptionsprozesse werden freie Ladungsträger erzeugt, die in Folge quasi li- near absorbieren. So entsteht lokal ein Plasma, welches die Schmelzzone aus- bildet. Platziert man die Modifikation im Bereich der Grenzfläche zweier Gläser, generiert die abkühlende Schmelze eine stabile Verbindung beider Gläser. Auf- grund des sehr lokalen Fügeprozesses sind die laserinduzierten Spannungen ty- pischerweise gering, wodurch auch in ihren thermischen Eigenschaften stark verschiedene Gläser verschweißt werden können. Auch können andere transpa- rente Materialien wie Kristalle mit teilweise noch stärker abweichenden thermi- schen und mechanischen Eigenschaften miteinander bzw. mit Gläsern ver- schweißt werden.
Die vorliegende Erfindung stellt sich demgegenüber die Aufgabe, ein Stumpfstoß- schweißverfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass lasertransparente Werkstücke mit möglichst minimaler optischer Beeinträchtigung zusammengefügt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Laserfokus des in das Werkstückmaterial fokussierten Laserstrahls in oder entgegen der Strahlrich- tung des Laserstrahls bewegt wird, um im Bereich der Fügefläche eine sich ent- lang der Strahlrichtung erstreckende Schweißnaht zu erzeugen. Vorzugsweise weist der UKP-Laserstrahl Laserstrahlung mit Pulsdauern kleiner als 50 ps, bevor- zugt kleiner 1 ps, insbesondere im Femtosekundenbereich, auf.
Erfindungsgemäß können Schweißnähte auch durch eine Vorschubbewegung des Laserfokus in oder entgegen der Strahlrichtung erzeugt werden. Diese Vorschub- bewegung des Laserfokus kann beispielsweise durch eine Bewegung des Laser- bearbeitungskopfs in oder entgegen der Strahlrichtung des Laserstrahls und/oder durch eine Vorschubbewegung von Lichtleitfaser und Lochelement in oder entge- gen der Strahlrichtung des Laserstrahls erfolgen, aber auch eine Brennweitenän- derung der Fokussieroptik ist möglich. Dabei wurde gefunden, dass durch zuvor bereits geschweißtes Material hindurch geschweißt werden kann, was Korrekturen
falscher Schweißungen möglich macht. Erfindungsgemäß ist es auch möglich, ge- krümmte oder leicht gekrümmte Flächen unter leichter Bewegung in X-Richtung während der Z-Schweißung zu verschweißen. Vorzugsweise erfolgt die Vorschubbewegung des Laserfokus in bzw. entgegen der Strahlrichtung kontinuierlich, kann aber auch schrittweise mit oder ohne Pau- sen zwischen den einzelnen Schritten erfolgen. Im letzteren Fall führt das Schwei- ßen ohne Pausen dazu, dass in dem noch vom vorhergehenden Schritt heißen Material geschweißt wird, und das Schweißen mit Pausen dazu, dass wegen der zeitlichen Verzögerung zum vorhergehenden Schritt in bereits abgekühltem Mate- rial geschweißt wird. Wie Versuche gezeigt haben, führt insbesondere das konti- nuierliche Laserschweißen entgegen der Strahlrichtung zu einer rissfreien durch- gängigen Schweißnaht. Vorzugsweise wird bei einem Vorschub entgegen der Strahleinfallsrichtung mit ei- nem kontinuierlichen Vorschub im Bereich von 0,5 mm/s bis 100 mm/s, bevorzugt 5 mm/s bis 30 mm/s, besonders bevorzugt mit ca. 20 mm/s, gearbeitet.
Vorzugsweise wird bei der Schweißung eine Schweißnaht mit einem Nahtdurch- messer von 5-500 gm, bevorzugt 50 gm bis 100 gm, erzeugt.
Um den Toleranzbereich zu vergrößern, wird bevorzugt der Vorschubrichtung des Laserfokus in oder entgegen der Strahlungsrichtung des Laserstrahls noch eine Querverschiebung (xy-Verschiebung) des Laserfokus überlagert (sogenanntes Wobbeln).
Es ist möglich, bei der Schweißung mit Einzelpulsen zu arbeiten. Vorzugsweise wird bei der Schweißung mit Pulspaketen gearbeitet, die mehrere Einzelpulse auf- weisen. Ein Pulszug besteht aus vielen Einzelpulsen, wobei im Pulszug die Einzel- pulse eine Einzelpulsrepetitionsrate von Puls zu Puls aufweisen. Pulspakete be- stehen aus mindestens zwei Einzelpulsen. Hier gibt es auch eine Einzelpulsrepeti- tionsrate. Desweiteren gibt es auch eine Pulspaket-zu-Pulspaket-Repetitionsrate. Bevorzugt sind die Einzelpulse in einem Pulspaket gleich. Die Anzahl Einzelpulse in einem Pulspaket beträgt beispielsweise zwischen 2 und 20, bevorzugt ca. 5.
Beispielsweise können die Pulspaket-zu-Pulspaket-Repetitionsraten 50-200 kHz, bevorzugt ca. 125 kHz, und die mittlere Pulsleistung 1-20 W, bevorzugt ca. 10 W, betragen. Die Einzelpulsrepetitionsrate im Pulspaket beträgt typischerweise meh- rere MHz.
Der Laserstrahl kann schräg oder, was bevorzugt ist, rechtwinklig auf die dem La- serstrahl zugewandte Werkstückseite gerichtet sein. In beiden Fällen erstreckt sich die Schweißnaht in Dickenrichtung der Werkstücke. Für eine zuverlässige Fügeverbindung können mehrere Schweißnähte voneinan- der beabstandet entlang der Fügelinie der beiden Werkstücke erzeugt werden.
In einer bevorzugten Verfahrensvariante wird während der Bewegung des Laser- fokus in bzw. entgegen der Strahlrichtung der Laserstrahl relativ zu den beiden Werkstücken nicht weiterbewegt. Im Fall einer Vorschubbewegung des Laserfokus in Strahlrichtung wird durch zuvor bereits geschweißtes Material geschweißt, was, wie Versuche gezeigt haben, problemlos möglich ist.
In einer anderen Verfahrensvariante wird während der Bewegung des Laserfokus in bzw. entgegen der Strahlrichtung der Laserstrahl relativ zu den beiden Werkstü- cken in einer parallel oder quer zur Fügelinie der beiden Werkstücke verlaufenden Vorschubrichtung bewegt. Dabei sollte vorteilhaft die Fokusgeschwindigkeit, mit welcher der Laserfokus in oder entgegen der Strahlrichtung bewegt wird, größer als die Vorschubgeschwindigkeit sein, mit welcher der Laserstrahl parallel oder quer zur Fügelinie bewegt wird.
Vorzugsweise sind die beiden Werkstücke aus Glas, insbesondere Quarzglas, aus Polymer, Glaskeramik, Kristallen oder Kombinationen davon und/oder mit opaken Materialien gebildet.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch ein mit dem erfindungsgemä- ßen Stumpfstoßschweißen aus mindestens zwei Einzelteilen zusammengefügtes optisches Element aus Glas, insbesondere Quarzglas,, wobei zwei Einzelteile mit-
einander mittels mindestens einer sich in Dickenrichtung der beiden Einzelteile er- streckenden Schweißnaht laserverschweißt sind. Die Schweißnaht kann sich rechtwinklig oder auch schräg zu einer Oberfläche des optischen Elements erstre- cken und eine Länge von mindestens 50 mm, insbesondere von mindestens 1 mm, aufweisen. Dabei kann die Schweißnaht als eine durchgehende Linie oder als eine aus beabstandeten Einzelschweißpunkten oder -strecken bestehende, unterbro- chene Linie ausgebildet sein. Vorzugsweise erstreckt sich die Schweißnaht fast über die gesamte Werkstückdicke und endet so vor den beiden Werkstückseiten, dass kein Materialaustritt entsteht und ein sauberer Prozess gefahren wird. Dies hängt von der Größe der Schweißnaht bzw. Schweißblase ab. Bevorzugt sind mehrere sich in Dickenrichtung der beiden Einzelteile erstreckende Schweißnähte voneinander beabstandet entlang der Fügelinie der beiden Einzelteile angeordnet.
Erfindungsgemäß können so Großoptiken, die bisher teuer aus einem großen Substrat gefertigt werden, nunmehr kostengünstig aus Einzelteilen gefügt werden, die über mehrere vertikale Schweißnähte miteinander laserverschweißt sind. Im Gegensatz zu horizontalen Schweißnähten beeinträchtigen vertikale Schweiß- nähte die Optik nicht linienhaft, sondern nur punktuell. Die Ausdehnung der Schweißnaht im optischen Element ist gering und damit die Gefahr von Änderung der optischen Eigenschaften der Optik minimiert.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Laserbearbeitungsmaschine zum erfindungsgemä- ßen Stumpfstoßschweißen zweier lasertransparenter Werkstücke mittels eines Laserstrahls, wobei eines der beiden Werkstücke im Bereich von vertikalen Schweißnähten aufgebrochen dargestellt ist;
Fign. 2a-2c schematisch unterschiedliche vertikale Vorschubbewegungen des Laserfokus in Strahlrichtung des Laserstrahls beim erfindungsgemä- ßen Stumpfstoßschweißen, um eine Schweißnaht zu erzeugen, in ei- ner Schnittansicht entlang der Fügefläche der beiden laserver- schweißten Werkstücke;
Fign. 3a-3c Fotos von vertikalen Schweißnähten, die in einem monolithischen
Glasblock mit den in Fign. 2a-2c gezeigten, vertikalen Vorschubbe- wegungen des Laserfokus erzeugt wurden;
Fign. 4a-4c schematisch unterschiedliche vertikale Vorschubbewegungen des
Laserfokus entgegen der Strahlrichtung des Laserstrahls beim erfin- dungsgemäßen Stumpfstoßschweißen, um eine vertikale Schweiß- naht zu erzeugen, in einer Schnittansicht entlang der Fügefläche der beiden laserverschweißten Werkstücke; und
Fign. 5a-5c Fotos von vertikalen Schweißnähten, die in einem monolithischen
Glasblock mit den in Fign. 4a-4c gezeigten, vertikalen Vorschubbe- wegungen des Laserfokus erzeugt wurden.
Die in Fig. 1 gezeigte Laserbearbeitungsmaschine 1 dient zum Stumpfstoßschwei- ßen zweier im Stumpfstoß aneinander anliegender, plattenförmiger Werkstücke 2 mittels eines Laserstrahls 3. Die beiden Werkstücke 2 sind beispielsweise aus Glas, insbesondere Quarzglas, aus Polymer, Glaskeramik, kristallin oder aus Kombinationen davon und/oder mit opaken Materialien gebildet.
Die Laserbearbeitungsmaschine 1 umfasst einen UKP-Laser 4 zum Erzeugen des Laserstrahls 3 in Form von UKP-Laserpulsen 5 mit Pulsdauern kleiner als 10 ps, insbesondere in Form von Femtosekundenpulsen, einen horizontalen Werkstück- tisch 6, auf dem die beiden zu verschweißenden Werkstücke 2 nebeneinander aufliegen, sowie einen in X-Y-Richtung bewegbaren und in Richtung des Doppel- pfeils 7 höhenverfahrbaren Laserbearbeitungskopf 8 mit einer Fokussieroptik 9 zum Fokussieren des unten aus dem Laserbearbeitungskopf 8 austretenden La- serstrahls 3. Alternativ oder zusätzlich zu dem in X-Y-Richtung bewegbaren Laser- bearbeitungskopf 8 kann auch der Werkstücktisch 6 in X-Y-Richtung bewegt wer- den.
Beim Stumpfstoßschweißen der beiden Werkstücke 2 wird der Laserstrahl 3 recht- winklig auf die dem Laserbearbeitungskopf 8 zugewandte Werkstückoberseite 10a gerichtet und im Bereich der gemeinsamen Fügefläche 11 der beiden Werkstücke 2 in das Werkstückmaterial fokussiert, um die beiden Werkstücke 2 im Bereich der
Fügefläche 11 lokal aufzuschmelzen. Dabei wird der Laserfokus F des Laser- strahls 3 in oder entgegen der Strahlrichtung 12 des Laserstrahls 3 bewegt, um im Bereich der Fügefläche 11 eine sich in Strahlrichtung 12 erstreckende, vertikale Schweißnaht 13 zu erzeugen. Der Laserfokus F des fokussierten Laserstrahls 3 befindet sich dabei an der Fügefläche 11 oder nahe an dieser Fügefläche 11 im Volumen eines der beiden Werkstückes 2. Idealerweise startet der Prozess schon vor dem Laserfokus F, um Leistungstoleranz zu haben. Beim Stumpfstoßschwei- ßen ist es bevorzugt, in der Nähe oder sehr nah an der Fügefläche 11 zu arbeiten. Vorzugsweise erstreckt sich die vertikale Schweißnaht 13 fast über die gesamte Werkstückdicke und endet so vor der Werkstückoberseite und -Unterseite 10a,
10b, dass kein Materialaustritt entsteht und ein sauberer Prozess gefahren wird. Dies hängt von der Größe der Schweißnaht 13 bzw. der Schweißblase ab. Statt wie in Fig. 1 rechtwinklig zur Werkstückoberseite 10a kann der Laserstrahl 3 auch schräg auf die Werkstückoberseite 10a gerichtet werden, so dass die im Werk- stückvolumen erzeugte Schweißnaht schräg zur Werkstückoberseite 10a verläuft (z.B. 45°-Schweißung). Die Werkstückunterseite 10b der beiden Werkstückes 2 kann beispielsweise beschichtet sein, z.B. mit einer hochreflektierenden Beschich- tung. Fign. 2a-2c zeigen schematisch unterschiedliche vertikale Vorschubbewegungen des Laserfokus F im Werkstückvolumen in Strahlrichtung 12, wobei während die- ser vertikalen Vorschubbewegung des Laserfokus F der Laserstrahl 3 relativ zu den beiden Werkstücken 2 stillsteht. In Fig. 2a wird der Laserfokus F in Strahlrich- tung 12 kontinuierlich (z.B. mit einer vertikalen Vorschubgeschwindigkeit von 20 mm/s) und in den Fign. 2b, 2c schrittweise ohne Pausen (Fig. 2b) und mit einer zeitlichen Pause (z.B. 2 s) zwischen den Schritten (Fig. 2c) bewegt. Der Laser- strahl 3 kann, wie in Fign. 2a-2c gezeigt, rechtwinklig oder aber auch schräg auf die Werkstückoberseite 10a auftreffen.
Fign, 3a-3c sind Fotos von in einem monolithischen Glasblock gezogenen, verti- kalen Schweißnähten 13, die mit den in Fign. 2a-2c gezeigten, vertikalen Vor- schubbewegungen des Laserfokus F erzeugt wurden. Wie in den Fign. 3a-3c ge- zeigt, führt sowohl die kontinuierliche als auch die schrittweise Bewegung des La- serfokus F in Strahlrichtung 12 zu einer aus Erstarrungsblasen (diese entstehen aufgrund lokaler Materialverdichtungen) bzw. Einzelschweißpunkten 14 gebilde- ten, vertikalen Schweißnaht 13, die sich in Dickenrichtung D der beiden Werkstü- cke 2 erstreckt. Dabei ist festzustellen, dass ein Einzelschweißpunkt 14 auch durch zuvor bereits erzeugte Einzelschweißpunkte 14 hindurch gesetzt werden kann. In Fig. 3b wird der jeweils nächste Einschweißpunkt 14 in dem noch vom vorhergehenden Einzelschweißpunkt 14 heißen Material erzeugt, wohingegen in Fig. 3c der jeweils nächste Einschweißpunkt 14 wegen der zeitlichen Verzögerung zum vorhergehenden Einzelschweißpunkt 14 in dem bereits abgekühlten Material erzeugt wird. Ein nennenswerter Unterschied der Schweißnaht 13 in heißprozes- siertem Material (Fig. 3b) und in abgekühltem Material (Fig. 3c) ist nicht festzustel- len Im Ergebnis führen die kontinuierliche und die schrittweise Bewegung des La- serfokus F in Strahlrichtung 12 zu einer vertikalen Schweißnaht 13 Dabei entste- hen Blasen (Voids) 14 beim Erstarren der Schweißnaht 13 aufgrund von schneller Ausdehnung und Abkühlung. Diese Blasen 14 sind eigentlich ungewollt, können aber nicht verhindert werden.
Fign. 4a-4c zeigen schematisch unterschiedliche vertikale Vorschubbewegungen des Laserfokus F im Werkstückvolumen entgegen der Strahlrichtung 12, wobei während dieser vertikalen Vorschubbewegung des Laserfokus F der Laserstrahl 3 relativ zu den beiden Werkstücken 2 stillsteht, ln Fig. 4a wird der Laserfokus F entgegen der Strahlrichtung 12 kontinuierlich (z.B. mit einer vertikalen Vorschub- geschwindigkeit von 20 mm/s) und in den Fign. 4b, 4c schrittweise ohne Pausen (Fig. 4b) und mit einer zeitlichen Pause (z.B. 2 s) zwischen den Schritten (Fig. 4c) bewegt.
Fign. 5a-5c sind Fotos von in einem monolithischen Glasblock gezogenen, verti- kalen Schweißnähten 13, die mit den in Fign. 4a-4c gezeigten, vertikalen Vor- schubbewegungen des Laserfokus F erzeugt wurden. Wie in Fig 5a gezeigt, führt die kontinuierliche Bewegung des Laserfokus F entgegen der Strahlrichtung 12 zu
einer durchgehenden, vertikalen Schweißnaht 13 ohne erkennbare Erstarrungs- blasen bzw. Einzelschweißpunkte. In Fig. 5b wird jeweils in dem noch vom vorher- gehenden Schritt heißen Material und in Fig. 5c wegen der zeitlichen Verzögerung zum vorhergehenden Schritt in bereits abgekühltem Material geschweißt. Fign. 5b und 5c zeigen jeweils eine aus von Erstarrungsblasen unterbrochene, vertikale Schweißnaht 13 mit deutlichen Rissen entlang der gesamten Schweißnaht 13. Im Ergebnis führt somit nur die kontinuierliche Bewegung des Laserfokus F entgegen der Strahlrichtung 12 zu einer durchgängigen, rissfreien vertikalen Schweißnaht 13, die sich in Dickenrichtung D der beiden Werkstücke 2 erstreckt.
Wie in Fig. 1 gezeigt, können mehrere vertikale Schweißnähte 13 voneinander be- abstandet entlang der Fügelinie 15 der beiden Werkstücke erzeugt werden. Statt gerade wie in Fig. 1 gezeigt, kann die Fügelinie 15 auch nicht gerade verlaufen.
Während der vertikalen Vorschubbewegung des Laserfokus F in bzw. entgegen der Strahlrichtung 12 kann der Laserstrahl 3 auch relativ zu den beiden Werkstü- cken 2 in einer parallel oder quer zur Fügelinie 15 verlaufenden Vorschubrichtung bewegt werden, z.B. indem der Laserbearbeitungskopf 8 entsprechend in der X- und Y-Richtung bewegt wird. Dabei sollte allerdings die Fokusgeschwindigkeit, mit welcher der Laserfokus F in oder entgegen der Strahlrichtung 12 bewegt wird, grö- ßer als die Vorschubgeschwindigkeit sein, mit welcher der Laserstrahl 3 in Vor- schubrichtung bewegt wird.
Mit dem oben beschriebenen Stumpfstoßschweißen können beispielsweise ein- zelne Spiegelelemente 2 (z.B. für eine Linienoptik) zu einem großen Spiegel zu- sammengefügt werden, indem entlang der Fügelinie eine oder mehrere vertikale Schweißnähte gesetzt werden. Auch können schlechte horizontale Schweißnähte durch vertikale Schweißnähte korrigiert werden, die durch eine horizontale
Schweißnaht hindurch gesetzt werden. Die Schweißnaht kann auch eine Kreis- form oder sonstige Freiformkontur haben. Es ist auch möglich, leicht gekrümmte Flächen unter leichter Bewegung in X-Richtung während der Z-Schweißung zu verschweißen.