WO2020254615A1 - Verfahren und vorrichtung zur bearbeitung eines werkstücks mit hochdynamischer bewegung des laserstrahles zwischen unterschiedlichen räumlichen bereichen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur bearbeitung eines werkstücks mit hochdynamischer bewegung des laserstrahles zwischen unterschiedlichen räumlichen bereichen Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method for machining at least one workpiece with heat-accumulating processes, in particular for welding two workpieces by means of a machining beam, with at least one of the workpieces being transparent to the
  • the invention also relates to the welding of two transparent workpieces such as glasses, ceramics or other crystalline or polymer-based materials using a pulsed laser beam.
  • pulsed lasers For laser welding workpieces made of transparent materials and in particular for welding workpieces made of glass or ceramics, it is known to use pulsed lasers and in particular ultrashort pulse lasers.
  • the pulsed laser beam is focused in, on or below a workpiece in which, due to the absorption of the laser energy, the material of one or both of the workpieces of a process zone is melted and the gap between the two workpieces is bridged by the melt, so that in this way after the material has solidified again, a weld seam between the two
  • Workpieces is formed without a further use of material would be necessary. In other words, welding takes place using the materials already present in the workpieces.
  • welding can also be achieved in an area between the workpieces resting against one another.
  • the machining beam is focused through one of the transparent workpieces between the workpieces, so that a
  • Melting of the material can be achieved at the interface between the workpieces.
  • Page 1 of 31 The energy introduced into the process zone and the associated high temperatures within the material lead to tensions and / or cracks, which can reduce the quality of the joined materials, at least in the area of the weld seam.
  • Feed rate between the process zone or processing beam and the workpieces can be varied in a subsequent quality control, for example by means of a microscope through microscopic examinations of the welds and the other areas of the joined workpieces after the actual
  • the processing beam is focused by appropriate optics and the associated beam shaping in the material of one of the workpieces, in both workpieces and / or in the area of an interface between the two adjacent workpieces, with the position and shape of the focus formed in this way Can be part of the optimization process.
  • One challenge in optimization is to reduce the stresses induced by the laser beam in the joint partners, which can prevent a stable connection between the joint partners.
  • a method for processing at least one workpiece is proposed, the workpiece being acted upon by a processing beam, preferably a pulsed laser beam, particularly preferably an ultrashort pulse laser beam, the
  • Processing beam to form a process zone is moved highly dynamically between at least two different spatial areas.
  • a process zone is a limited volume of material in the workpiece
  • the spatial areas into which the processing beam is moved are preferably so far apart that the respective foci do not overlap and therefore the conventional, purely local input of thermal energy is avoided. At the same time, however, the foci are so close to one another that the energy input through the processing beam moving into the different spatial areas leads to an energy accumulation in the
  • the individual spatial areas are spaced apart from one another, but coupled with one another to such an extent that heat accumulation is achieved.
  • the volume of material in the process zone can be accumulated by the
  • the process zone can be adjusted accordingly through the positioning of the spatial areas in which the machining beam is moved, can be defined.
  • the process zone can move relative to the workpiece through a relative movement of the laser optics and the workpiece and / or by actively influencing the laser optics. This can be used to form a spatially extending material modification, for example to form a weld seam.
  • heat diffusion effects in the material of the workpiece or the workpieces can be better taken into account.
  • the energy introduced into the process zone by means of the processing beam and thus the temperature increase can partially diffuse into the surrounding volumes of the workpiece while the workpiece is being exposed to the processing beam in another of the spatial areas of the process zone, so that the actual through the machining beam introduced focus resulting temperature gradient in the material of the workpiece is weakened and thus the occurrence of temperature stresses can be reduced.
  • the absorption behavior within the process zone or the melted material volume in the process zone depends on the intensity distribution and of course on the overall average laser energy input.
  • the initial absorption of the laser energy by the material in the process zone initially takes place in the focus of the processing beam moved into the respective spatial area.
  • the method is based on the knowledge that in the laser processing of transparent materials, for example the welding of workpieces made of glass by means of the
  • Machining beams for example pulsed laser beams, by means of which high intensities can be achieved in the respective beam focus, non-linear absorption effects can be achieved in the transparent material.
  • pulsed laser beams by means of which high intensities can be achieved in the respective beam focus, non-linear absorption effects can be achieved in the transparent material.
  • the energy introduced into the separate spatial areas of the process zone by means of the respective pulses accumulates so that the material melts locally due to corresponding heat accumulation effects.
  • an absorbing plasma initially of the size of the respective one arises
  • Processing beam is oriented and on which the processing beam impinges, however, occurs increased absorption.
  • the plasma volume can thus continue to absorb energy due to the increased absorption of the machining beam and the resulting energy input into the plasma volume on the plasma surface, so that the volume of the plasma can continue to grow, this increase in the plasma volume being directed mainly along and in the direction of the machining beam towards the beam source.
  • the plasma can propagate in an elongated shape along the machining beam. From this, an elongated bubble formed by the plasma can be formed.
  • the nonlinear absorption of the machining beam on the plasma can be influenced by the high
  • the electrons can send energy to the
  • the processing beam can preferably act on different spatial areas of the process zone. In this way, the greatest possible exposure to the process zone can be achieved, so that the temperatures occurring in the materials can be locally reduced in the individual foci of the processing beams, but the temperature required for melting the respective material is still generated in the process zone.
  • the processing beam can preferably impact different spatial areas of the process zone sequentially and / or randomly and / or chaotically.
  • the foci of the processing beam move through the process zone in such a way that different spatial areas of the process zone are acted upon by one or more processing beams over time. In this way, too high energies can be avoided in a single location, so that the accumulation of voltages can be reduced.
  • a processing beam emanating from a beam source can be moved by means of an acousto-optical deflector and / or divided into at least two separate processing partial beams.
  • the processing beam can be divided and deflected with high dynamics and any sequence, so that excessive energies can be avoided in a single location, so that the accumulation of voltages is reduced can.
  • the acousto-optic deflector can be acted upon by a sequentially and / or randomly and / or chaotically varying sound wave. In this way, the different spatial areas in the process zone can be acted upon in such a way that excessive energies can be avoided at a single location, so that the accumulation of voltages can be reduced.
  • two acousto-optical deflectors rotated by 90 ° relative to one another can be provided, by means of which the processing beam is deflected in a plane perpendicular to the processing beam. This allows the processing beams to be introduced into the process zone in a spatially very flexible manner.
  • the processing beam can preferably be shaped by means of a beam shaper before it acts on the different spatial areas. This allows an advantageous
  • a highly dynamic movement of the processing beam is understood here, inter alia, as one in which the processing beam is moved between the respective spatial areas of the process zone at a frequency of at least 100 kHz.
  • the processing beam acts on the different spatial areas of the process zone at the stated frequency.
  • the movement of the machining beam preferably takes place at a frequency of 100 kHz up to 10 MHz.
  • a highly dynamic movement of the processing beam is understood to mean, among other things, such a movement in which the movement from one spatial area of the process zone exposed to the processing beam to another spatial area of the process zone exposed to the processing beam takes a maximum of 10 ps.
  • the movement of the processing beam preferably lasts between 10 ps and 0.1 ps from one spatial area to another spatial area of the process zone.
  • a highly dynamic movement of the processing beam is particularly advantageously understood here to mean, inter alia, one in which the movement from one spatial area of the process zone to which the processing beam is applied to another spatial area of the process zone is made possible, that initially at least one laser pulse, preferably a predetermined pulse train and / or all laser pulses of a burst, is / are introduced into the material of the workpiece in an area of the process zone, then the machining beam is introduced into the workpiece in a highly dynamic manner next spatial area of the process zone is moved and then a further laser pulse, preferably a predetermined further pulse train and / or all laser pulses of a further burst is introduced into the material of the workpiece in this spatial area of the process zone.
  • laser pulses preferably the laser pulses of a predetermined pulse train and / or all laser pulses from bursts, can be introduced one after the other in a defined manner into the different spatial areas of the process zone.
  • the movement of the processing beam is thus preferably interrupted until the laser pulse, preferably the predetermined pulse train and / or the laser pulses of a burst have been introduced into the spatial area of the process zone and is only then moved to the next spatial area of the process zone.
  • the highly dynamic movement of the processing beam is preferably synchronized with the provision of the laser pulses and / or pulse trains and / or bursts, so that the highly dynamic movement of the processing beam only takes place in the pauses between the laser pulses and / or pulse trains and / or bursts.
  • the frequency of the movement of the highly dynamic processing can also be higher and, for example, above 10 MHz.
  • the highly dynamic movement of the processing beam between the different spatial areas for processing can, for example, by means of an acousto-optical
  • AOD Deflector
  • a movement of the laser beam in one spatial direction can be achieved by means of an AOD and beam shaping or beam splitting can be achieved by means of a second AOD.
  • a first AOD and a second AOD can be used to achieve a beam deflection in two spatial directions and one or two further AODs to achieve a beam splitting in one or two directions.
  • the movement of the processing beam and / or its shaping can also be achieved by means of an SLM (spatial light modulator) or diffractive optics.
  • the individual spatial areas can be exposed to the processing beam in a predetermined sequence.
  • a predetermined pattern of spatial areas can be traversed with the machining beam in a highly dynamic manner.
  • the spatial areas can also be scanned in a highly dynamic manner with a chaotic or random pattern.
  • the individual spatial areas of the process zone can be arranged offset from one another by 1–10 ⁇ m, for example.
  • the processing beam can be offset from one another by 1 - 10 pm within the process zone in order to then apply the next laser pulse or the next laser pulse train or the next burst.
  • the workpieces can be processed, for example, in the form of joining, in particular welding, the workpieces to one another.
  • the machining beam By introducing the machining beam into the process zone, the material of the work piece (s) is / are melted and a weld seam is formed accordingly after the material has solidified again.
  • the proposed method can also be used to introduce further modifications to the surface of the material of the workpiece or of the workpieces.
  • a method for welding at least two workpieces is preferably proposed, at least one of the workpieces being transparent for a machining beam, preferably for a pulsed laser beam, particularly preferably for an ultrashort pulse laser beam, with a process zone in the workpieces in a process zone exposed to the machining beam
  • Weld seam is formed. Because the processing beam acts on different spatial areas of the process zone, it is possible to provide a distribution of the intensity of the introduced laser energy within the process zone so that the stresses induced by the processing beam in the material of the workpieces can be reduced or at least redistributed to such an extent that a Improvement in the quality of the joined workpieces can be achieved and a large process zone can form.
  • a weld seam is made linearly and continuously, so that along this modification introduced by laser-induced melting areas, the temperature-induced stresses also accumulate in the materials of the joint partners.
  • the accumulation of the temperature-induced stresses can be reduced by the exposure of different spatial areas of the process zone by the machining beam moved into the different spatial areas, since the temperature input does not take place continuously, but through the
  • Exposure to the different spatial areas is interrupted.
  • the temperature required for melting the material in the process zone is not introduced into the material starting from a single focus, but rather in spatial areas within the process zone which are spatially separated from one another and which are nevertheless thermally coupled to one another to the extent that heat can accumulate in the material.
  • the highly dynamic deflection of the processing beam which acts on different spatial areas of the process zone and accordingly leads to spatially separated absorption areas within the process zone, which nevertheless influence each other thermally, the accumulated stresses occurring in the material of the workpieces can be reduced or these spatially be distributed in such a way that their influence on the stability of the joint is reduced. This can prevent the occurrence of
  • Machining beam induced tensions in the joining partners can be reduced and thus an increased strength of the joint can be achieved.
  • the laser-induced heat that is introduced into the material can be individually adapted to the materials of the joining partners and to the other process parameters such as the geometry of the weld seam to be produced.
  • the process zone acted upon by the machining beam and the workpieces can preferably be moved relative to one another to form the weld seam. Applying a relative movement of the process zone with respect to the workpiece during the welding process results in a weld seam extending in the direction of movement after the previously melted material has solidified.
  • the machining beam is preferably divided into at least two separate machining partial beams and at least two machining partial beams are then applied in each case
  • the processing partial beams can, as described above for the (individual) processing beam, also be moved highly dynamically into different spatial areas of the process zone.
  • the application of the different spatial areas of the process zone can then take place in a correspondingly highly dynamic manner.
  • Processing partial beams take place, so that in each case at least two different spatial areas of the process zone are acted upon simultaneously with the processing partial beams and then, for example, after the two spatial areas have been exposed to one
  • the partial processing beams are moved in a highly dynamic manner and correspondingly at least two further spatial areas of the process zone are exposed to the partial processing beams.
  • a device for machining at least one workpiece is proposed, a beam source for providing a machining beam, preferably a pulsed laser beam, particularly preferably an ultrashort pulse laser beam, and an optical system for applying the machining beam to at least one workpiece, the optical system being designed for this purpose and is set up to move the machining beam in a highly dynamic manner between at least two different spatial areas of the at least one workpiece to form a process zone.
  • a beam source for providing a machining beam, preferably a pulsed laser beam, particularly preferably an ultrashort pulse laser beam
  • an optical system for applying the machining beam to at least one workpiece, the optical system being designed for this purpose and is set up to move the machining beam in a highly dynamic manner between at least two different spatial areas of the at least one workpiece to form a process zone.
  • Device are included in their respective device-like form in order to achieve the advantages described for the method and to develop the device.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a section of a device for machining a workpiece in a first exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the application of different spatial areas of a process zone by means of laser pulses
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a section of a device for carrying out a method for welding two workpieces in another
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a section of a device for carrying out a method for welding two workpieces in another
  • FIG. 1 a section of a device 1 for machining a workpiece, here for machining two workpieces 110, 120, is shown schematically.
  • the device 1 is used for
  • machining can be, for example, a modification of the surface of the workpiece or a lift-off method.
  • the proposed method can also be used to introduce further modifications into the material of the workpiece or the material of the workpieces 110, 120.
  • Machining is preferably provided for welding at least two workpieces 110, 120.
  • a machining beam 2 is provided by a beam source (not shown here), the beam source preferably being provided in the form of a pulsed laser, preferably an ultra-short pulsed laser.
  • the parameters of the beam source and the downstream optics can be selected as follows, for example:
  • the first optical element 30 can accordingly provide beam expansion, collimation, focusing, spatial and / or temporal beam shaping, etc., which is suitable for processing the processing beam 2 in such a way that the acousto-optical deflector 32 can be operated appropriately.
  • An acousto-optic deflector which in the exemplary embodiment shown in FIG. 1 is shown very schematically as an acousto-optic deflector 32 combined from two individual acousto-optic deflectors 320, 322, is understood in the present case to mean an active optical element in which by the introduction of sound waves, a deflection of an incoming machining beam can be achieved.
  • An acousto-optic deflector is also known as an AOD.
  • An acousto-optic deflector can be provided, for example, in the form of a transparent crystal cuboid, for example in the form of quartz glass or another crystal, into which structure-borne sound is entered by means of an acoustic coupler, for example by means of a piezo crystal. Due to the density fluctuations formed in the transparent cuboid by the structure-borne sound, an optical grating is formed correspondingly, on which diffraction of the incident light takes place.
  • the light in the acousto-optic deflector 32, the light can be diffracted at the optical grating formed in the crystal by the sound waves generated by the density fluctuations.
  • the actual deflection of the incident light or the diffraction of the incident light of the processing beam emanating from the beam source is therefore dependent on the frequency of the acoustic oscillation introduced into the acousto-optical deflector 32 or on the wavelength of the acoustic wave and thus on the one formed in this way Lattice constants of the density fluctuations formed in the cuboid.
  • the introduced frequency of the introduced acoustic oscillation and thus the lattice constant the actual deflection of the incident light beam of the processing beam can be varied accordingly.
  • Oscillation can also be achieved with an intensity modulation in such a way that, with a higher amplitude, the corresponding density fluctuations are more pronounced and thus the diffraction orders are more pronounced.
  • both a variable angular deflection of the light beam and a variation of the intensity of the individual diffraction orders can be achieved in the acousto-optical deflector 32 via the input of sound energy.
  • the acousto-optic deflector 32 (or the combination of the two acousto-optic deflectors 320, 322) is arranged correspondingly after the first optical element 30.
  • the processed by the first optical element 30 is arranged correspondingly after the first optical element 30.
  • Processing beam 2 is thus deflected by the acousto-optic deflector 32 or the two acousto-optic deflectors 320, 322 in accordance with the respective settings and in particular the introduced frequency and the introduced amplitude.
  • Processing beam 2 ′′ are shown schematically in FIG. 1 for each of the first diffraction orders. Those in higher diffraction orders are not shown in the figure for the sake of simplicity.
  • the two deflected processing beams 2 ′, 2 ′′ in FIG. 1 thus symbolize two of the many deflections possible by the acousto-optical detector 32, each of which moves one after the other into a spatial area 220, 222 of the process zone 200 into the material of the workpieces 1 10, 120 be introduced.
  • the acousto-optical detector 32 By introducing other frequencies into the AOD (s) 32, other deflections can of course also be achieved, so that other spatial areas of the process zone 200 can also be exposed to the then deflected processing beam.
  • the movement of the deflected processing beams 2, 2 ′′ in such a way that they are introduced into the different spatial areas 220, 230 of the process zone 200 can take place in a highly dynamic manner. This can be done particularly well by means of the acousto-optical deflector 32
  • the frequency of the movement of the machining beam corresponds to a frequency of the change in the excitation frequency, i.e. a frequency of the
  • a highly dynamic movement of the machining beam for example by means of one or more AODs 32, 320, 322 is understood to mean, inter alia, one in which the deflected processing beam is moved between the respective spatial areas of the process zone with a frequency of at least 100 kHz (the
  • Excitation frequency of an AOD with this frequency The movement of the deflected machining beam preferably takes place at a frequency of 100 kHz up to 10 MHz.
  • a movement of the deflected processing beam can thus be achieved via a corresponding control of the AOD (s) 32, 320, 322 with the frequencies mentioned.
  • the movement from one spatial area 220 of the process zone 200 acted upon by the deflected processing beam 2 to another spatial area 230 of the process zone 200 acted upon by the deflected machining beam 2 ′′ preferably lasts at most 10 ps.
  • the change in the excitation frequency of the AOD 32 lasts at most 10 ps.
  • the movement of the deflected processing beam 2 ‘, 2 ′′ between 10 ps and 0.1 ps from one spatial area 220 to another spatial area 230 of the process zone 200 is particularly preferred.
  • the acousto-optic deflector 32 shown in FIG. 1 is accordingly constructed in two parts and two acousto-optic deflectors 320, 322 arranged one after the other in the beam path are provided, which are rotated 90 ° to each other in the embodiment shown in order to deflect of the machining beam 2 in the plane lying perpendicular to the machining beam 2 (ie an X / Y plane).
  • the two acousto-optic deflectors 32 can also be oriented at a different angle to one another - however, the 90 ° orientation enables easier control, the deflection then taking place in accordance with the desired X / Y deflection.
  • Deflector 32 deflected machining beams 2 ‘, 2 ′′ are prepared for further processing by means of a second optical element 34, which in the embodiment shown is also shown schematically in the form of a lens.
  • a second optical element 34 which in the embodiment shown is also shown schematically in the form of a lens.
  • Processing beams 2 ‘, 2 ′′ are collimated by means of the second optical element 34 for propagation into the far field.
  • the second optical element 34 can accordingly achieve, for example, a collimation of the processing beams 2, 2 ′′ emanating from the acousto-optical deflector 32.
  • a half-wave plate is preferably provided between the two acousto-optic deflectors. Since in the acousto-optical deflector 32 there is no complete decoupling of the incoming processing beam 2 exclusively into the processing beam 2, '2' separated by the respective diffraction angle of the first diffraction order, but also in the zeroth
  • a diaphragm 36 is provided to eliminate the zeroth diffraction order.
  • the aperture 36 can also serve to raise rays in higher
  • a jet cleaning element is introduced into the beam path through the diaphragm 36, by means of which undesired components can be removed from the jet.
  • the third optical element 38 achieves a focusing of the machining beams 2 ′′, 2 ′′ provided with a local offset into the material of the workpiece 110, 120 or into the process zone 200 located in the workpieces 110, 120.
  • a very rapid movement of the processing beam 2 ‘, 2 ′′ can be achieved, with the processing beam 2‘, 2 ′′ then being able to be introduced into different spatial areas 220, 230 of the process zone 200.
  • FIG. 2 the application of laser pulses 250 to different spatial areas 220, 230 of the process zone 200 is shown in a very schematic diagram.
  • the laser pulses 250 are combined very schematically in the diagram to form bursts 252 that are separate from one another.
  • the bursts 252 each last a period of time TB.
  • a burst 252 is introduced into a different spatial area 220, 230, 240 of the process zone 200.
  • the individual bursts 252 are introduced one after the other into the different spatial areas 220, 230, 240.
  • the processing beam is deflected by a corresponding control of an AOD 32 so that successive bursts 252 in
  • the bursts 252 of the processing beam 2 and the control of the AODs are preferably synchronized with one another such that a change in the excitation frequency of the AODs takes place in the respective pulse pauses TP between the bursts 252.
  • the excitation frequency is set for the AODs and only then is a laser pulse or a burst or a pulse train sent through the AODs.
  • laser pulses preferably the laser pulses of a predetermined pulse train and / or all laser pulses from bursts, can be introduced one after the other in a defined manner into the different spatial areas 220, 230, 240 of the process zone 200.
  • the movement of the processing beam is thus preferably interrupted until the laser pulse, preferably the predetermined pulse train and / or the laser pulses of a burst have been introduced into the spatial area 220 of the process zone 200 being formed and only then becomes the next spatial area 230 of the process zone 200 emotional.
  • FIG. 3 schematically shows a section of a device 1 for carrying out a method for welding two workpieces 110, 120, likewise shown schematically, by means of a machining beam 2.
  • the workpieces 1 10, 120 can be transparent workpieces, with at least the workpiece 1 10 lying on top in the beam direction having to be transparent to the machining beam if welding is to be carried out at an interface 100 between the upper workpiece 110 and the lower workpiece 120 .
  • weld seam 210 which in the exemplary embodiment shown has an essentially linear and continuous extension.
  • differently shaped weld seams for joining the workpieces 110, 120 are also conceivable, for example in a curved or curved shape or through the formation of individual segments or weld points.
  • a transparent workpiece is understood to mean one that is suitable for the
  • Processing beam 2 is transparent. In other words, the machining beam 2 can pass through a transparent workpiece without significant weakening or scattering.
  • a processing beam 2 is shown schematically, which emanates from a beam source not shown in the figure and which can be provided in the form of a pulsed laser beam.
  • An ultrashort pulse laser can particularly preferably be used to provide the machining beam 2.
  • a pulsed laser beam with wavelengths of 1030 nm or 1064 nm or 515 nm or 532 nm with pulses in the femtosecond range or picosecond range and with frequencies of the repetition rate of 100 kHz up to several MHz can be used.
  • the laser for generating the pulsed laser beam can also be operated in burst mode.
  • the first optical element 30 can accordingly provide beam expansion, collimation, focusing, beam shaping in the time domain, etc., which is suitable for conditioning the processing beam 2 in such a way that the acousto-optical deflector 32 can be operated appropriately.
  • An acousto-optic deflector which is shown very schematically in the exemplary embodiment at reference number 32, is understood in the present case to be an active optical element in which an incoming sound wave is deflected
  • An acousto-optic deflector is also known as an AOD.
  • An acousto-optic deflector can be provided, for example, in the form of a transparent crystal cuboid, for example in the form of quartz glass or another crystal, into which structure-borne sound is entered by means of an acoustic coupler, for example by means of a piezo crystal. Due to the density fluctuations formed in the transparent cuboid by the structure-borne sound, an optical grating is formed correspondingly, on which diffraction of the incident light takes place.
  • the light in the acousto-optic deflector 32, the light can be diffracted at the optical grating formed in the crystal by the density fluctuations generated by the sound waves.
  • the actual deflection of the incident light or the diffraction of the incident light of the processing beam emanating from the beam source is therefore dependent on the frequency of the acoustic oscillation introduced into the acousto-optical deflector 32 or on the wavelength of the acoustic wave and thus on the one formed in this way Lattice constants of the density fluctuations formed in the cuboid.
  • the introduced frequency of the introduced acoustic oscillation and thus the lattice constant the actual deflection of the incident light beam of the processing beam can be varied accordingly.
  • Oscillation can also be achieved with an intensity modulation in such a way that, with a higher amplitude, the corresponding density fluctuations are more pronounced and thus the diffraction orders are more pronounced.
  • both a variable angular deflection of the light beam and a variation of the intensity of the individual diffraction orders can be achieved in the acousto-optical deflector 32 via the input of sound energy.
  • the acousto-optical deflector 32 is arranged correspondingly after the first optical element 30.
  • the processing beam 2 processed by the first optical element 30 is thus deflected by the acousto-optical deflector 32 in FIG
  • Processing partial beams which are shown schematically in FIG. 3 in the form of processing partial beams 20, 22 of the first order of diffraction, divided and deflected. The ones in higher
  • the processing partial beams 20, 22 deflected by means of the acousto-optical deflector 32 are prepared for further processing by means of a second optical element 34, which in the embodiment shown is also shown schematically in the form of a lens.
  • the processing partial beams 20, 22 can be collimated by means of the second optical element 34 for propagation into the far field.
  • the second optical element 34 can accordingly achieve, for example, a collimation of the processing partial beams 20, 22 emanating from the acousto-optical deflector 32.
  • the two acousto-optic deflectors 32 can also be aligned at a different angle to one another - however, the alignment at 90 ° enables easier control.
  • a half-wave plate is preferably provided between the two acousto-optic deflectors.
  • a diaphragm 36 is provided to eliminate the zeroth diffraction order.
  • the diaphragm 36 can also serve to sub-beams in higher
  • the third optical element 38 achieves a focusing of the partial processing beams 20, 22 provided with a spatial offset.
  • the processing partial beams 20, 22 are focused on a beam shaper 40, which is provided, for example, in the form of a phase-sensitive element, for example a spatial light modulator (SLM), which is also referred to as a spatial modulator for light.
  • SLM spatial light modulator
  • the spatial structure of short laser pulses can be shaped via such an SLM. In particular, it can be used to form laser pulses in Bessel form or in the form of several Gaussian spots.
  • the beam shaper 40 can also be another active optical element around the
  • the processing partial beams 20, 22 can be shaped in their beam structure in such a way that they have a predetermined spatial structure, for example.
  • the patterns or structures for the application of the processing beam 2 or the processing partial beams 20, 22 to the different spatial areas of the process zone can also be specified.
  • the processing partial beams 20, 22 can also be divided into further processing partial beams not shown in the schematic exemplary embodiment, or predetermined patterns or patterns can be generated from each of the processing partial beams 20, 22.
  • Processing partial beams then pass through a further optical element 42, which in the exemplary embodiment shown in FIG. 3 is again shown in the form of a lens.
  • a further optical element 42 By means of the further optical element 42, each of the individual ones is focused
  • Processing beams which have either only been split by the acousto-optical deflector 32 or also additionally by the beam shaper 40, take place in the process zone 200 that is being formed.
  • the individual optical elements 30 to 38, 40 and 42 can be organized in a common optical system 400. With the exception of the acousto-optical deflector 32, all other optical elements are optional.
  • the forming process zone 200 lies at least partially in one or in both of the
  • the one of the processing partial beams 20 is in a first spatial region 220 of the
  • Process zone 200 is focused, whereas another of the processing partial beams 22 is focused into a second spatial area 230 of the process zone 200.
  • the spatial area 220 acted upon by the first processing partial beam 20 is at a distance from the spatial area 230 acted upon by the second processing partial beam 22, since the processing partial beams 20, 22 also have a spatial offset from one another.
  • the two areas 220, 230 acted upon by the processing partial beams 20, 22, however, are preferably only spaced so far apart that there is a thermal coupling of the two areas 220, 230. It can thus be achieved that the material present in the process zone 200 of one or both of the workpieces 1 10, 120 by the entry of the
  • Laser energy is melted by the processing partial beams 20, 22 despite the spatial spacing of the two areas 220, 230.
  • the device 3 accordingly comprises the optical system 400, through which the pulsed machining beam 2 then in the form of the machining partial beams 20, 22 onto the workpieces 1 10.120.
  • the processing partial beams 20, 22 are focused into the spatial areas 220, 230 in a process zone 200 located in one or both workpieces 110, 120, whereby the intensity of the processing partial beams 20, 22 is highest in the foci located in the process zone 200, In contrast, lower in the respective surrounding areas.
  • Material processing in the process zone 200 takes place in that the material present in the process zone 200 melts due to the high intensity of the processing partial beams 20, 22 in their respective foci.
  • welding of two material areas that were previously present separately in the process zone 200 and that are now cohesively connected to one another by the melting can be achieved.
  • the very high intensities that can be achieved in the foci provided by the optical system 400 in the glass material of the at least one workpiece 1 10, 120 achieve non-linear absorption effects.
  • heat accumulation effects occur in the glass material, as a result of which there is a local melting of the glass material in the process zone 200.
  • the method is based on the knowledge that when welding workpieces 1, 10, 120 made of glass by means of a pulsed machining beam 2, for example a pulsed laser beam, preferably an ultrashort pulse laser, non-linear absorption effects can be achieved in the glass due to the high intensities that can be achieved in the respective beam focus . If corresponding repetition rates are used for the pulsed machining beam, the energy introduced into the process zone 200 by means of the respective pulses accumulates, so that the glass material melts locally due to corresponding heat accumulation effects. This creates the pulsed in the vicinity of the respective geometric focus
  • Machining partial beams 20, 22 produce a highly absorbent plasma initially in the size of the focus volume.
  • the forming process zone 200 is accordingly placed in the workpieces 110, 120 in such a way that it is arranged close to the interface 100 or includes the interface 100.
  • the processing partial beams 20, 22 are processed accordingly by means of the correspondingly designed and set up optical system 400 and are focused into the process zone 200 that is being formed.
  • the material of one, several or all of the workpieces 110, 120 is then melted in the process zone 200, and then after the renewed solidification of the previously melted Materials to achieve a welding of the workpieces 1 10, 120 through the melted and then solidified material.
  • the positioning of the individual spatial areas 220, 230 in the process zone 200 can be varied in that different deflections of the processing partial beams 20, 22 in the acousto-optic deflector 32 are achieved by coupling varying sound waves into the acousto-optic deflector 32. Both the frequencies and the intensities of the sound waves coupled into the acousto-optic deflector 32 can be varied.
  • a corresponding sequence of deflections of the processing partial beams 20, 22 can then be achieved, which in turn occurs in a sequence of different spatial offsets of the processing partial beams, which in turn in a sequence of exposure to different spatial areas 220 , 230 of the process zone 200 results.
  • Sound waves are achieved that the process zone 200 is acted upon by the processing partial beams 20, 22 in a sequence of different regions 220, 230 that are spaced apart from one another.
  • the volume of the process zone 200 can be scanned by means of the acousto-optical deflector 32.
  • the sequence of the different frequencies coupled into the acousto-optical deflector 32 can consist of a fixed sequence and / or be chaotic and / or random within predetermined limits.
  • the acousto-optic deflector 32 functions in the one shown
  • Embodiment like a scanner, by means of which a division of the processing beam 2 originally emanating from the beam source is made possible into two processing partial beams 20, 22, which are processed accordingly in their beam shape via the subsequent optics and then in spatial areas determined by means of the acousto-optical deflector 32 220, 230 of the process zone 200 impinge.
  • the position of the spatial regions 220, 230 in the process zone 200 can also be varied.
  • the acousto-optic deflector 32 and the subsequent ones Optics in particular the shape of the aperture 36 and the shape of the beam shaper 40, can furthermore be achieved by means of the acousto-optical deflector 32 that the different spatial areas 220, 230 of the process zone 200 are addressed one after the other or sequentially or simultaneously.
  • the high dynamics of the acousto-optic deflector 32 also enables the respective deflection of the partial beams 20, 22 to be switched quickly such that the spatial areas 220, 230 of the process zone 200 can be shifted quickly or one after the other
  • a sequential or chaotic or random or otherwise designed control of the acousto-optical deflector 32 can lead to the fact that, although sufficient energy is introduced into the process zone 200 that is formed, in order to reduce the amount of work required for the melting of the work piece (s) 110, 120 to achieve the necessary temperatures, which leads to a melting of the material, for example at an interface between the workpieces 110, 120.
  • Displacement direction X relative to the workpieces 110, 120 to move in the
  • Workpieces 110, 120 draw in a linear or curved weld seam 210. Either the workpieces 110, 120 or the
  • Machining partial beams 20, 22 or both are displaced in opposite directions along the displacement direction X. Other movements can also be carried out parallel to the plane formed by the interface 100 in order to draw in correspondingly more complex shapes of weld seams 210. As a result of the movement of the machining partial beams 20, 22 relative to the workpieces 110, 120, the expansion of the weld seam 210 in the
  • Direction of movement X can be determined.
  • the scan speeds that can be achieved with the acousto-optical deflector 32 are very high, the energy required for reliable melting and thus a reliable connection of the Workpieces can reach each other, but at the same time due to the distributed input of energy and avoidance a continuously linear introduction of the laser energy along the desired weld seam 210, the avoidance of stresses can be achieved.
  • the processing beam 2 originally coming from the beam source is divided into at least two processing partial beams 20, 22 and the processing beam is applied in different spatial areas 220, 230 of the process zone 200, and in particular a dynamic application of the different spatial areas 220, 230 takes place , it can be avoided that the weld seam 210 in the
  • Heating zone as it occurs through the introduction of a continuous beam with a laser beam in conventional welding processes, introduces increased stresses. Rather, in the proposed method, the local heating is repeatedly interrupted and shifted to a different spatial area 220, 230 within the process zone 200, so that the
  • Heat input at a single spot which coincides with the focus of the processing partial beam 20, 22, is interrupted and accordingly is also not introduced continuously at the one spot.
  • the process zone 200 in different spatial areas 220, 230 which change sequentially and / or chaotically and / or randomly over the course of time and along the weld seam to be achieved, is nevertheless supplied with the necessary energy to generate the weld seam.
  • the distance between the different spatial areas 220, 230 of the process zone 200 is usually selected such that there is a thermal coupling between the different spatial areas 220, 230. It can thus be achieved that the melt required for joining the workpieces 110, 120 is formed in the process zone 200, while a high local energy input along a single, continuous, continuous welding line is avoided.
  • FIG. 4 the device and the method for machining two workpieces 1 10, 120 are shown again in a second detailing.
  • the workpieces 110, 120 are made of glass - for example in the form of two glass panes - which are arranged on a common interface 100 arranged between the two workpieces 110, 120 and are welded to one another at a section of the interface 100 will.
  • at least part of the underside 114 of the upper workpiece 110 shown in FIG. 3 lies on the Top 122 of lower workpiece 120.
  • the upper side 122 of the lower workpiece 120 and the lower side 114 of the upper workpiece 110 correspondingly together form the interface 100 in which the welding is to be carried out or has been carried out.
  • the two workpieces 110 and 120 can be pressed together in the area of the formation of the interface 100 in order to achieve a preliminary positioning and fixation of the two workpieces 110 and 120 with respect to one another even before the welding.
  • the two workpieces 1 10, 120 are essentially transparent to the pulsed machining beam 2 or the
  • the pulsed machining partial beams 20, 22, which are provided for carrying out the welding can pass through the workpieces 110 and 120 and in particular also through the upper workpiece 110 to the
  • Such a welding within a workpiece volume formed by at least two workpieces is not possible in the case of materials that are opaque to a machining beam.
  • the lower workpiece 120 can, however, also be designed to be opaque for the machining beam 2 or the machining partial beams 20, 22. However, the processing partial beams 20, 22 can still pass through the upper, for the processing partial beams 20, 22, glass workpiece 110 to the interface 100 between the two workpieces 110, 120 in order to carry out welding.
  • the structure of the optical system 400 otherwise corresponds to that described for FIG.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten mindestens eines Werkstücks (110, 120), wobei das Werkstück (110 120) mit einem Bearbeitungsstrahl (2), bevorzugt einen gepulsten Laserstrahl, besonders bevorzugt einem Ultrakurzpulslaserstrahl, beaufschlagt wird, wobei der Bearbeitungsstrahl (2, 2', 2") zur Ausbildung einer Prozesszone (200) hochdynamisch zwischen mindestens zwei unterschiedlichen räumlichen Bereichen (220, 230) bewegt wird.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR BEARBEITUNG
EINES WERKSTÜCKS MIT HOCHDYNAMISCHER BEWEGUNG DES LASERSTRAHLES ZWISCHEN UNTERSCHIEDLICHEN RÄUMLICHEN BEREICHEN
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten mindestens eines Werkstücks mit wärmeakkumulierenden Prozessen, insbesondere zum Verschweißen zweier Werkstücke mittels eines Bearbeitungsstrahls, wobei mindestens eines der Werkstücke transparent für den
Bearbeitungsstrahl ist. Die Erfindung betrifft insbesondere auch das Verschweißen zweier transparenter Werkstücke wie beispielsweise Gläser, Keramiken oder anderer kristalliner oder polymerbasierter Materialien unter Verwendung eines gepulsten Laserstrahls.
Stand der Technik
Zum Laserschweißen von Werkstücken aus transparenten Materialien und insbesondere zum Verschweißen von Werkstücken aus Glas oder Keramik ist es bekannt, gepulste Laser und insbesondere Ultrakurzpulslaser zu verwenden. Der gepulste Laserstrahl wird in, auf oder unterhalb eines Werkstück fokussiert, in welchem aufgrund der Absorption der Laserenergie das Material eines oder beider der Werkstücke einer Prozesszone aufgeschmolzen wird und entsprechend der Spalt zwischen den beiden Werkstücken durch die Schmelze überbrückt wird, so dass auf diese Weise nach dem erneuten Erstarren des Materials eine Schweißnaht zwischen den beiden
Werkstücken ausgebildet wird, ohne dass ein weiterer Materialeinsatz notwendig wäre. Mit anderen Worten findet eine Verschweißung unter Verwendung der bereits in den Werkstücken vorhandenen Materialien statt.
Aufgrund der Transparenz zumindest eines, beider oder aller Werkstücke für den
Bearbeitungsstrahl kann eine Verschweißung auch in einem Bereich zwischen den aneinander anliegenden Werkstücken erreicht werden. Dabei wird der Bearbeitungsstrahl durch eines der transparenten Werkstücke hindurch zwischen den Werkstücken fokussiert, so dass ein
Aufschmelzen des Materials an der zwischen den Werkstücken liegenden Grenzfläche erreicht werden kann.
Beim Verschweißen von transparenten Materialien miteinander kann es dabei aufgrund der in die
Seite 1 von 31 Prozesszone eingebrachten Energie und den damit einhergehenden hohen Temperaturen innerhalb des Materials zu Spannungen und/oder zu Rissen kommen, welche die Qualität der gefügten Materialien zumindest im Bereich der Schweißnaht reduzieren können.
Es ist daher bekannt, Laserschweißprozesse zum Fügen von transparenten Materialien iterativ zu optimieren, wobei unterschiedliche Bearbeitungsparameter wie beispielsweise die Pulsdauer und/oder die Pulsenergie des gepulsten Laserstrahls und/oder die relative
Vorschubgeschwindigkeit zwischen Prozesszone beziehungsweise Bearbeitungsstrahl und den Werkstücken variiert werden können, um in einer nachfolgenden Qualitätskontrolle, beispielsweise mittels eines Mikroskops durch mikroskopische Untersuchungen an den Schweißnähten und den übrigen Bereichen der miteinander gefügten Werkstücke nach Abschluss des eigentlichen
Schweißprozesses, das Qualitätsniveau zu ermitteln und dann die entsprechenden
Prozessparameter durch deren Variation iterativ zu optimieren.
Der Bearbeitungsstrahl wird dabei durch entsprechende Optiken und eine damit einhergehende Strahlformung in das Material eines der Werkstücke, in beide Werkstücke und/oder in den Bereich einer Grenzfläche zwischen den beiden aneinander anliegenden Werkstücken fokussiert, wobei auch die Lage und Form des auf diese Weise ausgebildeten Fokus Teil des Optimierungsprozesses sein kann.
Eine Herausforderung bei der Optimierung ist es, durch den Laserstrahl induzierte Spannungen in den Fügepartnern zu reduzieren, welche eine stabile Verbindung der Fügepartner verhindern können.
Andere Laserbearbeitungsprozesse, die auf Wärmeakkumulation basieren wie z.B. die Modifikation von Werkstückoberflächen oder Volumina sowie Laser-Lift-Off Verfahren sehen sich auch mit dem Problem der durch den Laserstrahl induzierten Spannungen im Werkstück konfrontiert.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von dem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Bearbeiten mindestens eines Werkstücks anzugeben, wobei das Verfahren und die Vorrichtung die Qualität des bearbeiteten Werkstücks beziehungsweise der bearbeiteten Werkstücke weiter verbessern soll.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der vorliegenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren. Entsprechend wird ein Verfahren zum Bearbeiten mindestens eines Werkstücks vorgeschlagen, wobei das Werkstück mit einem Bearbeitungsstrahl, bevorzugt einem gepulsten Laserstrahl, besonders bevorzugt einem Ultrakurzpulslaserstrahl, beaufschlagt wird, wobei der
Bearbeitungsstrahl zur Ausbildung einer Prozesszone hochdynamisch zwischen mindestens zwei unterschiedlichen räumlichen Bereichen bewegt wird.
Durch die hochdynamische Bewegung des Bearbeitungsstrahls in mindestens zwei räumliche Bereiche der Prozesszone ist es möglich, die Energie des Bearbeitungsstrahls über eine größere Fläche beziehungsweise ein größeres Volumen des Materials des Werkstücks zu verteilen, um auf diese Weise das Auftreten von starken Temperaturspannungen in dem Material des Werkstücks zu reduzieren beziehungsweise diese zu verteilen und eine effizientere Bearbeitung des Materials zu erreichen.
Der aus dem Stand der Technik bekannte rein lokale Eintrag von Wärmeenergie in einem einzigen Fokus in das Material des Werkstücks wird damit durch das vorgeschlagene Verfahren hochdynamisch auf ein größeres Volumen und/oder eine größere Oberfläche verteilt.
Unter Prozesszone wird vorliegend ein begrenztes Materialvolumen in dem Werkstück
beziehungsweise ein mindestens zwei Werkstücke überlappendes begrenztes Materialvolumen verstanden, in welches mittels der Laserpulse des Bearbeitungsstrahls Energie eingetragen wird. In dem die Prozesszone ausbildenden Materialvolumen findet damit ein Energieeintrag statt, der zu einer Wärmeakkumulation und damit zu einer Materialänderung in dem Materialvolumen führt. Die räumlichen Bereiche, in welche der Bearbeitungsstrahl bewegt wird, sind bevorzugt so weit voneinander entfernt, dass eine Überlappung der jeweiligen Foki nicht stattfindet und daher der herkömmliche rein lokale Eintrag von Wärmeenergie vermeiden wird. Gleichzeitig liegen die Foki aber dennoch so nah aneinander, dass der Energieeintrag durch den in die unterschiedlichen räumlichen Bereiche bewegten Bearbeitungsstrahl zu einer Energieakkumulation in der
Prozesszone führt.
Mit anderen Worten sind die einzelnen räumlichen Bereiche zwar voneinander beabstandet, aber soweit miteinander gekoppelt, dass eine Wärmeakkumulation erreicht wird.
Beispielsweise kann das Materialvolumen in der Prozesszone durch den akkumulierten
Wärmeeintrag aufschmelzen und nach dem erneuten Erstarren eine permanente Materialänderung in dem Werkstück oder in den Werkstücken hervorrufen.
Die Prozesszone kann entsprechend durch die Positionierung der räumlichen Bereiche, in welche der Bearbeitungsstrahl bewegt wird, definiert werden. Durch eine Relativbewegung von Laseroptik und Werkstück und/oder durch eine aktive Beeinflussung der Laseroptik kann sich die Prozesszone relativ zum Werkstück durch diese bewegen. Dies kann zur Ausbildung einer sich räumlich erstreckenden Materialmodifikation, beispielsweise zur Ausbildung einer Schweißnaht, verwendet werden.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren können unter anderem Wärmediffusionseffekte in dem Material des Werkstücks beziehungsweise der Werkstücke besser berücksichtigt werden. Mit anderen Worten kann die mittels des Bearbeitungsstrahls in die Prozesszone eingebrachte Energie und damit die Temperaturerhöhung teilweise in umliegende Volumina des Werkstücks diffundieren während die Beaufschlagung des Werkstücks mit dem Bearbeitungsstrahl gerade in einem anderen der räumlichen Bereiche der Prozesszone stattfindet, so dass der bezüglich des eigentlichen durch den Bearbeitungsstrahl eingebrachten Fokus entstehende Temperaturgradient in dem Material des Werkstücks abgeschwächt wird und damit das Auftreten von Temperaturspannungen reduziert werden kann.
Das Absorptionsverhalten innerhalb der Prozesszone beziehungsweise des aufgeschmolzenen Materialvolumens in der Prozesszone hängt dabei von der Intensitätsverteilung und natürlich von der insgesamt eingetragenen, mittleren Laserenergie ab. Die initiale Absorption der Laserenergie durch das Material in der Prozesszone findet dabei zunächst jeweils im Fokus des in den jeweiligen räumlichen Bereich bewegten Bearbeitungsstrahls statt.
Dabei liegt dem Verfahren die Erkenntnis zu Grunde, dass bei der Laserbearbeitung transparenter Materialien, beispielsweise dem Verschweißen von Werkstücken aus Glas mittels der
Bearbeitungsstrahlen, beispielsweise gepulster Laserstrahlen, durch die erreichbaren hohen Intensitäten im jeweiligen Strahlfokus nichtlineare Absorptionseffekte im transparenten Material erreicht werden können. Werden entsprechende Repetitionsraten für den gepulsten
Bearbeitungsstrahl verwendet, akkumuliert sich die mittels der jeweiligen Pulse in die separaten räumlichen Bereiche der Prozesszone eingetragene Energie, sodass es durch entsprechende Wärmeakkumulationseffekte zu einem lokalen Aufschmelzen des Materials kommt. Dadurch entsteht in der Nähe des geometrischen Fokus des in den jeweiligen räumlichen Bereich bewegten Bearbeitungsstrahls ein absorbierendes Plasma zunächst in der Größe des jeweiligen
Fokusvolumens.
An der Plasmaoberfläche, welche die Prozesszone begrenzt und insbesondere in dem Bereich der Plasmaoberfläche, welche in Richtung der jeweils auf das Plasma auftreffenden
Bearbeitungsstrahls orientiert ist und auf welche der Bearbeitungsstrahl auftrifft, tritt jedoch eine verstärkte Absorption auf. Damit kann das Plasmavolumen aufgrund der erhöhten Absorption des Bearbeitungsstrahls und dem sich dadurch ergebenden Energieeintrag in das Plasmavolumen an der Plasmaoberfläche weiter Energie absorbieren, so dass das Volumen des Plasmas weiter anwachsen kann, wobei sich dieses Anwachsen des Plasmavolumens hauptsächlich entlang des Bearbeitungsstrahls gerichtet und in Richtung auf die Strahlquelle zu erstreckt. Mit anderen Worten kann sich das Plasma in einer länglichen Form entlang des Bearbeitungsstrahls ausbreiten. Daraus kann eine langgezogene Blase, die durch das Plasma geformt ist, ausgebildet werden.
Auf diese Weise kann sich ein Absorptionsvolumen ausbilden, welches das ursprüngliche
Fokusvolumen um ein Vielfaches übersteigen kann.
Die nichtlineare Absorption des Bearbeitungsstrahls an dem Plasma kann von der hohen
Elektronentemperatur in dem Plasma herrühren. Die Elektronen können Energie an die
Atomrümpfe abgeben, was zu Gitterschwingungen und einer zusätzlichen Erwärmung des Materials durch Wärmeakkumulation führen kann.
Bevorzugt kann der Bearbeitungsstrahl unterschiedliche räumliche Bereiche der Prozesszone beaufschlagen. Auf diese Weise kann eine möglichst breite Beaufschlagung der Prozesszone erreicht werden, so dass in den einzelnen Foki der Bearbeitungsstrahlen die in den Materialien auftretenden Temperaturen lokal reduziert sein können, aber in der Prozesszone dennoch die notwendige Temperatur zum Aufschmelzen des jeweiligen Materials erzeugt wird.
Bevorzugt kann der Bearbeitungsstrahl jeweils sequentiell und/oder zufällig und/oder chaotisch unterschiedliche räumliche Bereiche der Prozesszone beaufschlagen. Mit anderen Worten bewegen sich die Foki des Bearbeitungsstrahls jeweils derart durch die Prozesszone, dass unterschiedliche räumliche Bereiche der Prozesszone im Zeitablauf von einem oder auch mehreren Bearbeitungsstrahlen beaufschlagt werden. Damit kann auch das Einträgen von zu hohen Energien an einem einzigen Ort vermieden werden, so dass die Akkumulierung von Spannungen reduziert werden kann.
Bevorzugt kann ein von einer Strahlquelle ausgehender Bearbeitungsstrahl mittels eines akusto- optischen Deflektors bewegt und/oder in mindestens zwei separate Bearbeitungsteilstrahlen aufgeteilt werden. Durch die Verwendung eines akusto-optischen Deflektors kann die Aufteilung und Ablenkung des Bearbeitungsstrahls mit einer hohen Dynamik und einer beliebigen Sequenz vorgenommen werden, so dass der Eintrag von zu hohen Energien an einem einzigen Ort vermieden werden kann, so dass die Akkumulierung von Spannungen reduziert werden kann. Besonders bevorzugt kann der akusto-optische Deflektor mit einer sequentiell und/oder zufällig und/oder chaotisch variierenden Schallwelle beaufschlagt werden. Damit kann entsprechend eine Beaufschlagung der unterschiedlichen räumlichen Bereiche in der Prozesszone so erreicht werden, dass der Eintrag von zu hohen Energien an einem einzigen Ort vermieden werden kann, so dass die Akkumulierung von Spannungen reduziert werden kann.
Besonders bevorzugt können zwei um 90° gegeneinander gedrehte akusto-optische Deflektoren vorgesehen sein, mittels welchen eine Ablenkung des Bearbeitungsstrahls in einer auf den Bearbeitungsstrahl senkrechten Ebene durchgeführt wird. Damit können die Bearbeitungsstrahlen räumlich sehr flexibel in die Prozesszone eingebracht werden.
Bevorzugt kann der Bearbeitungsstrahl jeweils mittels eines Strahlformers geformt werden, bevor er die unterschiedlichen räumlichen Bereiche beaufschlagt. Damit lässt sich eine vorteilhafte
Strahlform erreichen, mittels derer die Akkumulation von Spannungen im Material der Werkstücke reduziert werden kann
Unter einer hochdynamischen Bewegung des Bearbeitungsstrahls wird hierin unter anderem eine solche verstanden, bei welcher der Bearbeitungsstrahl zwischen den jeweiligen räumlichen Bereichen der Prozesszone mit einer Frequenz von mindestens 100 kHz bewegt wird. Mit anderen Worten beaufschlagt der Bearbeitungsstrahl die unterschiedlichen räumlichen Bereiche der Prozesszone in der genannten Frequenz. Bevorzugt findet die Bewegung des Bearbeitungsstrahls mit einer Frequenz von 100 kHz bis zu 10 MHz statt.
Unter einer hochdynamischen Bewegung des Bearbeitungsstrahls wird hierin in einer alternativen Betrachtung unter anderem entsprechend eine solche verstanden, bei welcher die Bewegung von einem mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagten räumlichen Bereich der Prozesszone zu einem anderen mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagten räumlichen Bereich der Prozesszone höchstens 10ps dauert. Bevorzugt dauert die Bewegung des Bearbeitungsstrahls zwischen 10ps und 0,1 ps von einem räumlichen Bereich zu einem anderen räumlichen Bereich der Prozesszone.
Besonders vorteilhaft wird unter einer hochdynamischen Bewegung des Bearbeitungsstrahls hierin in einer weiteren alternativen Betrachtung unter anderem eine solche verstanden, bei weicher es die Bewegung von ein einem mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagten räumlichen Bereich der Prozesszone zu einem anderen mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagten räumlichen Bereich der Prozesszone ermöglicht, dass zunächst mindestens ein Laserpuls, bevorzugt ein vorgegebener Pulszug und/oder alle Laserpulse eines Bursts, in einem Bereich der Prozesszone in das Material das Werkstücks eingebracht wird/werden, dann der Bearbeitungsstrahl hochdynamisch in den nächsten räumlichen Bereich der Prozesszone bewegt wird und dann in diesem räumlichen Bereich der Prozesszone ein weiterer Laserpuls, bevorzugt ein vorgegebener weiterer Pulszug und/oder alle Laserpulse eines weiteren Bursts in das Material des Werkstücks eingebracht wird.
Mit anderen Worten können durch die hochdynamische Bewegung des Bearbeitungsstrahls jeweils Laserpulse, bevorzugt die Laserpulse eines vorgegebenen Pulszugs und/oder alle Laserpulse von Bursts, nacheinander in die unterschiedlichen räumlichen Bereiche der Prozesszone definiert eingebracht werden.
Damit wird die Bewegung des Bearbeitungsstrahls bevorzugt entsprechend solange unterbrochen, bis der Laserpuls, bevorzugt der vorgegebene Pulszug und/oder die Laserpulse eines Bursts in den räumlichen Bereich der Prozesszone eingebracht wurden und wird erst dann zu dem nächsten räumlichen Bereich der Prozesszone bewegt.
In dieser alternativen Betrachtung ist die hochdynamische Bewegung des Bearbeitungsstrahls bevorzugt synchronisiert mit der Bereitstellung der Laserpulse und/oder Pulszüge und/oder Bursts, so dass die hochdynamische Bewegung des Bearbeitungsstrahls nur in den Pausen zwischen den Laserpulsen und/oder Pulszügen und/oder Bursts stattfindet.
Damit können entsprechend die bereits oben beschriebenen vorteilhaften Effekte erreicht werden, die zu einer Verbesserung der Qualität des bearbeiteten Werkstücks und/oder des Fügeprozesses zweier oder mehrerer Werkstücke miteinander führen.
Die Frequenz der Bewegung der hochdynamischen Bearbeitung kann auch höher liegen und beispielsweise über 10 MHz liegen.
Die hochdynamische Bewegung des Bearbeitungsstrahls zwischen den unterschiedlichen räumlichen Bereichen zur Bearbeitung kann beispielsweise mittels eines akusto-optischen
Deflektors (AOD), bevorzugt mittels zwei unter einem Winkel, bevorzugt senkrecht zueinander, und senkrecht zu der Strahlrichtung angeordnete AODs erreicht werden, so dass eine schnelle Bewegung des Bearbeitungsstrahls erreicht werden kann. Durch die Verwendung zweier unter einem Winkel oder bevorzugt senkrecht zueinander angeordneter AODs kann eine Ablenkung in der senkrecht zu dem Bearbeitungsstrahl stehenden (zweidimensionalen) Ebene erreicht werden, so dass die hochdynamische Bewegung des Bearbeitungsstrahls über die Oberfläche oder durch das Volumen des Werkstücks beziehungsweise der Werkstücke stattfinden kann. Bei der
Verwendung nur eines AOD kann eine Bewegung entlang einer (eindimensionalen) Linie erreicht werden. In einer alternativen Ausgestaltung kann mittels eines AODs eine Bewegung des Laserstrahls in einer Raumrichtung und mittels eines zweiten AODs eine Strahlformung oder Strahlteilung erreicht werden.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann mittels eines ersten AODs und eines zweiten AODs eine Strahlablenkung in zwei Raumrichtungen und ein oder zwei weiterer AODs eine Strahlteilung in einer beziehungsweise zwei Richtungen erreicht werden.
Die Bewegung des Bearbeitungsstrahls und/oder dessen Formung kann auch mittels eines SLM (spatial light modulator) oder einer diffraktiven Optik erreicht werden.
Mittels der hochdynamischen Bewegung des Bearbeitungsstrahls können die einzelnen räumlichen Bereiche in einer vorgegebenen Reihenfolge mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagt werden. Mit anderen Worten kann ein vorgegebenes Muster an räumlichen Bereichen hochdynamisch mit dem Bearbeitungsstrahl abgefahren werden. Die räumlichen Bereiche können auch mit einem chaotischen oder zufälligen Muster hochdynamisch abgefahren werden.
Die einzelnen räumlichen Bereiche der Prozesszone können beispielsweise um 1 - 10 pm zueinander versetzt angeordnet sein. Mit anderen Worten kann nach jedem Laserpuls oder jedem Laserpulszug oder jedem Burst der Bearbeitungsstrahl innerhalb der Prozesszone um 1 - 10 pm zueinander versetzt werden, um dann eine Beaufschlagung mit dem nächsten Laserpuls oder dem nächsten Laserpulszug oder dem nächsten Burst durchzuführen.
Die Bearbeitung der Werkstücke kann beispielsweise in Form eines Fügens, insbesondere eines Verschweißens, der Werkstücke miteinander stattfinden. Dabei wird durch das Einbringen des Bearbeitungsstrahls in die Prozesszone ein Aufschmelzen des Materials des oder der Werkstücke erreicht und nach dem erneuten Erstarren des Materials entsprechend eine Schweißnaht ausgebildet.
Mittels des vorgeschlagenen Verfahrens können auch weitere Modifikationen auf der Oberfläche der in das Material des Werkstücks oder der Werkstücke eingebracht werden.
Bevorzugt wird ein Verfahren zum Verschweißen mindestens zweier Werkstücke vorgeschlagen, wobei mindestens eines der Werkstücke transparent für einen Bearbeitungsstrahl, bevorzugt für einen gepulsten Laserstrahl, besonders bevorzugt für einen Ultrakurzpulslaserstrahl, ist, wobei in den Werkstücken in einer mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagten Prozesszone eine
Schweißnaht ausgebildet wird. Dadurch, dass der Bearbeitungsstrahl jeweils unterschiedliche räumliche Bereiche der Prozesszone beaufschlagt ist es möglich, innerhalb der Prozesszone eine Verteilung der Intensität der eingebrachten Laserenergie so bereitzustellen, dass die durch den Bearbeitungsstrahl induzierten Spannungen im Material der Werkstücke reduziert oder zumindest soweit umverteilt werden können, dass eine Verbesserung der Qualität der gefügten Werkstücke erreicht werden kann und eine große Prozesszone sich bilden kann.
In der Prozesszone können auf diese Weise entsprechend mehrere Absorptionsbereiche mittels des Bearbeitungsstrahls adressiert werden, so das eine gezieltere Initiierung beziehungsweise Führung der durch den Bearbeitungsstrahl induzierten Temperatur und damit der jeweils aufgeschmolzen Bereiche erreicht werden kann.
In den herkömmlichen Fügeverfahren wird eine Schweißnaht linear und durchgehend eingebracht, so dass sich entlang dieser durch laserinduzierte Schmelzbereiche eingebrachten Modifikation auch die temperaturinduzierten Spannungen in den Materialien der Fügepartner akkumulieren. Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren kann durch das Beaufschlagen unterschiedlicher räumlicher Bereiche der Prozesszone durch den in die unterschiedlichen räumlichen Bereiche bewegten Bearbeitungsstrahl das Akkumulieren der temperaturinduzierten Spannungen reduziert werden, da der Temperatureintrag nicht durchgehend stattfindet, sondern durch die
Beaufschlagung der unterschiedlichen räumlichen Bereiche unterbrochen wird.
Mit anderen Worten wird die für das Aufschmelzen des Materials in der Prozesszone notwendige Temperatur nicht ausgehend von einem einzigen Fokus aus in das Material eingebracht, sondern an räumlich voneinander getrennten beziehungsweise zueinander beabstandeten räumlichen Bereichen innerhalb der Prozesszone, welche dennoch soweit thermisch miteinander gekoppelt sind, dass eine Wärmeakkumulation in dem Material stattfinden kann.
Damit können durch die hochdynamische Ablenkung des Bearbeitungstrahls, welcher jeweils unterschiedliche räumliche Bereiche der Prozesszone beaufschlagt und entsprechend zu räumlich voneinander separierten Absorptionsgebieten innerhalb der Prozesszone führt, welche sich aber dennoch thermisch beeinflussen, die in dem Material der Werkstücke auftretenden akkumulierten Spannungen reduziert werden beziehungsweise diese räumlich so verteilt werden, dass ihr Einfluss auf die Stabilität der Fügung reduziert ist. Damit kann das Auftreten von durch den
Bearbeitungsstrahl induzierten Spannungen in den Fügepartnern reduziert werden und damit eine erhöhte Festigkeit der Fügung erreicht werden.
Weiterhin kann auch mit gegenüber den herkömmlichen Verfahren erhöhten Energien geschweißt werden, da sich die Spannungen im Material nicht so sehr akkumulieren. Auf diese Weise kann auch der Durchsatz erhöht werden.
Mittels der Beaufschlagung jeweils unterschiedlicher räumlicher Bereiche der Prozesszone mittels des hochdynamischen Bearbeitungsstrahls kann entsprechend die laserinduzierte Wärme, welche in das Material eingetragen wird, individuell und an die Materialien der Fügepartner sowie an die übrigen Prozessparameter wie beispielsweise die Geometrie der herzustellenden Schweißnaht angepasst werden.
Bevorzugt kann die von dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagte Prozesszone und die Werkstücke zur Ausbildung der Schweißnaht relativ zueinander bewegt werden. Durch das Aufbringen einer relativen Bewegung der Prozesszone bezüglich des Werkstücks während des Schweißprozesses ergibt sich nach dem Erstarren des vorher aufgeschmolzenen Materials entsprechend eine sich in der Bewegungsrichtung erstreckende Schweißnaht.
Bevorzugt wird der Bearbeitungsstrahl in mindestens zwei separate Bearbeitungsteilstrahlen aufgeteilt und mindestens zwei Bearbeitungsteilstrahlen beaufschlagen dann jeweils
unterschiedliche räumliche Bereiche der Prozesszone.
Die Bearbeitungsteilstrahlen können, wie oben zu dem (einzelnen) Bearbeitungsstrahl beschrieben, ebenfalls jeweils hochdynamisch in unterschiedliche räumliche Bereiche der Prozesszone bewegt werden.
Die Beaufschlagung der unterschiedlichen räumlichen Bereiche der Prozesszone kann dann entsprechend hochdynamisch stattfinden.
Mit anderen Worten kann eine hochdynamische Bewegung der mindestens zwei
Bearbeitungsteilstrahlen stattfinden, so dass jeweils mindestens zwei unterschiedliche räumliche Bereiche der Prozesszone gleichzeitig mit den Bearbeitungsteilstrahlen beaufschlagt werden und dann, beispielsweise nach dem Beaufschlagen der beiden räumlichen Bereiche mit einem
Laserpuls oder einem Laserpulszug oder einem Burst, die Bearbeitungsteilstrahlen hochdynamisch bewegt werden und entsprechend mindestens zwei weitere räumliche Bereiche der Prozesszone mit den Bearbeitungsteilstrahlen beaufschlagt werden.
Die oben genannte Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des
unabhängigen Vorrichtungsanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den sich darauf beziehenden Unteransprüchen, der vorliegenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren. Entsprechend wird eine Vorrichtung zur Bearbeitung mindestens eines Werkstücks vorgeschlagen, wobei eine Strahlquelle zur Bereitstellung eines Bearbeitungsstrahls, bevorzugt eines gepulsten Laserstrahls, besonders bevorzugt eines Ultrakurzpulslaserstrahls, und ein optisches System zur Beaufschlagung mindestens eines Werkstücks mit dem Bearbeitungsstrahl vorgesehen sind, wobei das optische System dazu ausgebildet und eingerichtet ist, den Bearbeitungsstrahl zur Ausbildung einer Prozesszone hochdynamisch zwischen mindestens zwei unterschiedlichen räumlichen Bereichen des mindestens einen Werkstücks zu bewegen.
Mittels der vorgeschlagenen Vorrichtung können die oben zum Verfahren genannten vorteilhaften Wirkungen erreicht werden.
Die oben bezüglich des Verfahrens beschriebenen Ausgestaltungen können auch in der
Vorrichtung in ihrer jeweiligen vorrichtungsmäßigen Ausprägung mit aufgenommen werden, um die zum Verfahren beschriebenen Vorteile zu erreiche und um die Vorrichtung weiterzubilden.
Kurze Beschreibung der Figuren
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende
Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks in einem ersten Ausführungsbeispiel;
Figur 2 eine schematische Darstellung der Beaufschlagung unterschiedlicher räumlicher Bereiche einer Prozesszone mittels Laserpulsen;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Verschweißen von zwei Werkstücken in einem weiteren
Ausführungsbeispiel; und
Figur 4 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Verschweißen von zwei Werkstücken in einem weiteren
Ausführungsbeispiel.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführunqsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
In Figur 1 ist schematisch ein Ausschnitt einer Vorrichtung 1 zur Bearbeitung eines Werkstücks, hier zur Bearbeitung zweier Werkstücke 1 10, 120, gezeigt. Die Vorrichtung 1 dient zur
Durchführung eines Verfahrens zur Bearbeitung der Werkstücke 1 10, 120, wobei die Bearbeitung beispielsweise eine Modifikation der Oberfläche des Werkstücks oder ein Lift-off Verfahren sein kann. Mittels des vorgeschlagenen Verfahrens können auch weitere Modifikationen in das Material des Werkstücks oder das Material der Werkstücke 110, 120 eingebracht werden.
Bevorzugt ist die Bearbeitung zum Verschweißen mindestens zweier Werkstücke 110, 120 vorgesehen.
Ein Bearbeitungsstrahl 2 wird von einer hier nicht gezeigten Strahlquelle bereit gestellt, wobei die Strahlquelle bevorzugt in Form eines gepulsten Lasers, bevorzugt eines ultrakurzgepulsten Lasers, bereitgestellt wird.
Die Parameter der Strahlquelle und der nachgelagerten Optik können dabei beispielsweise wie folgt gewählt sein:
- Wellenlänge zwischen 200 nm und 5000 nm
- Repetitionsrate zwischen 100 Hz und 50 MHz (optional Bursts wobei die Repetitionsrate der Pulse im Burst zwischen 1 MHz und 50GHz liegen kann)
- Laserpulsdauer zwischen 10 fs und 50 ps
- Fokussierung so, dass Fluenz in den jeweiligen räumlichen Bereichen >0.01 J/cm2
(Modifikationsschwelle im Volumen typischerweise zwischen 1-5 J/cmz)
- Relativer Vorschub des/der Werkstücke zum Bearbeitungsstrahl zwischen 0.01 und 1000 mm/s
Der von der entsprechend nicht gezeigten Strahlquelle beispielsweise in Form des genannten gepulsten Lasers ausgehende Bearbeitungsstrahl 2 wird in der Vorrichtung 1 zum Durchführen der Bearbeitung des Materials des Werkstücks 110 oder der Werkstücke 110, 120 in einem ersten optischen Element 30, welches in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Linse 30 symbolisiert ist, so aufbereitet, dass ein im Strahlengang nachfolgender akusto-optischer Deflektor 32 geeignet betrieben werden kann. Das erste optische Element 30 kann entsprechend eine Strahlaufweitung, eine Kollimierung, eine Fokussierung, eine räumliche und/oder zeitliche Strahlformung etc. bereitstellen, welche dazu geeignet ist, den Bearbeitungsstrahl 2 so aufzubereiten, dass der akusto-optische Deflektor 32 geeignet betrieben werden kann.
Unter einem akusto-optischen Deflektor, welcher in dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel als ein aus zwei einzelnen akusto-optischen Deflektoren 320, 322 kombiniert zusammengesetzter akusto-optischer Deflektor 32 sehr schematisch gezeigt ist, wird vorliegend ein aktives optisches Element verstanden, in welchem durch das Einbringen von Schallwellen eine Ablenkung eines eintreffenden Bearbeitungsstrahls erreicht werden kann. Ein akusto-optischer Deflektor wird auch als AOD bezeichnet.
Ein akusto-optischer Deflektor kann beispielsweise in Form eines transparenten Kristallquaders vorgesehen sein, beispielsweise in Form eines Quarzglases oder eines anderen Kristalls, in welchen mittels eines Akustokopplers, beispielsweise mittels eines Piezokristalls, Körperschall eingetragen wird. Durch die in dem durchsichtigen Quader durch den Körperschall ausgebildeten Dichteschwankungen wird entsprechend ein optisches Gitter ausgebildet, an welchem eine Beugung des einfallenden Lichtes stattfindet.
Mit anderen Worten kann in dem akusto-optischen Deflektor 32 eine Beugung des Lichts an den im Kristall durch die Schallwellen erzeugten Dichteschwankungen ausgebildeten optischen Gitter stattfinden.
Damit ist die tatsächliche Ablenkung des einfallenden Lichts beziehungsweise die Beugung des einfallenden Lichtes des von der Strahlquelle ausgehenden Bearbeitungsstrahls abhängig von der Frequenz der in den akusto-optischen Deflektor 32 eingebrachten akustischen Schwingung beziehungsweise von der Wellenlänge der akustischen Welle und damit von der auf diese Weise ausgebildeten Gitterkonstanten der in dem Quader ausgebildeten Dichteschwankungen. Durch eine Variation der eingebrachten Frequenz der eingebrachten akustischen Schwingung und damit der Gitterkonstanten kann entsprechend die tatsächliche Ablenkung des einfallenden Lichtstrahls des Bearbeitungsstrahls variiert werden.
Über die Amplitude der in den akusto-optischen Deflektor 32 eingebrachten akustischen
Schwingung hingegen kann auch eine Intensitätsmodulation dahingehend erreicht werden, dass bei einer stärkeren Amplitude die entsprechenden Dichteschwankungen stärker ausgeprägt sind und damit die Beugungsordnungen stärker ausgeprägt werden. Mit anderen Worten kann in dem akusto-optischen Deflektor 32 über den Eintrag von Schallenergie sowohl eine variable Winkelablenkung des Lichtstrahls als auch eine Variation der Intensität der einzelnen Beugungsordnungen erreicht werden.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 1 ist der akusto-optische Deflektor 32 (beziehungsweise die Kombination der beiden akusto-optischen Deflektoren 320, 322) entsprechend nach dem ersten optischen Element 30 angeordnet. Der durch das erste optische Element 30 aufbereitete
Bearbeitungsstrahl 2 wird damit von dem akusto-optischen Deflektor 32 beziehungsweise den beiden akusto-optischen Deflektoren 320, 322 entsprechend der jeweiligen Einstellungen und insbesondere der eingebrachten Frequenz und der eingebrachten Amplitude abgelenkt.
Ein durch eine erste Einstellung des akusto-optischen Deflektors 32 abgelenkter Bearbeitungsstrahl 2‘ und ein durch eine andere Einstellung des akusto-optischen Deflektors 32 abgelenkter
Bearbeitungsstrahl 2“ sind in der Figur 1 schematisch für die jeweils erste Beugungsordnung gezeigt. Die in höheren Beugungsordnungen sind in der Figur aus Gründen der Vereinfachung nicht gezeigt.
Die beiden abgelenkten Bearbeitungsstrahlen 2‘, 2“ in der Figur 1 symbolisieren damit zwei der vielen durch den akusto-optischen Detektor 32 möglichen Ablenkungen, die jeweils nacheinander in einen räumlichen Bereich 220, 222 der Prozesszone 200 in das Material der Werkstücke 1 10, 120 eingebracht werden. Durch das Einbringen anderer Frequenzen in den oder die AODs 32 können natürlich auch andere Ablenkungen erreicht werden, so dass auch andere räumliche Bereiche der Prozesszone 200 mit dem dann abgelenkten Bearbeitungsstrahl beaufschlagt werden können.
Die Bewegung der abgelenkten Bearbeitungsstrahlen 2‘, 2“ so, dass sie in die unterschiedlichen räumlichen Bereiche 220, 230 der Prozesszone 200 eingebracht werden, kann hochdynamisch erfolgen. Dies lässt sich besonders gut mittels des akusto-optischen Deflektors 32
(beziehungsweise der beiden nacheinander geschalteten akusto-optischen Deflektoren 320, 322) erreichen, da durch diese Bauelemente ein Bewegen mit besonders hohen Frequenzen ermöglicht wird. Dabei muss unterschieden werden zwischen der (Anregungs-) Frequenz der akustischen Welle, die in dem akusto-optischen Deflektor 32 die Gitterbildung übernimmt, und der Frequenz Bewegung des Bearbeitungsstrahls. Die Frequenz der Bewegung des Bearbeitungsstrahls entspricht einer Frequenz der Änderung der Anregungsfrequenz, also einer Frequenz des
Umschaltens von einer Anregungsfrequenz zu einer nachfolgenden Anregungsfrequenz.
Unter einer hochdynamischen Bewegung des Bearbeitungsstrahls, beispielsweise mittels eines oder mehrerer AODs 32, 320, 322 wird unter anderem eine solche verstanden, bei welcher der abgelenkte Bearbeitungsstrahl zwischen den jeweiligen räumlichen Bereichen der Prozesszone mit einer Frequenz von mindestens 100 kHz bewegt wird (entsprechend ändert sich die
Anregungsfrequenz eines AODs mit dieser Frequenz). Bevorzugt findet die Bewegung des abgelenkten Bearbeitungsstrahls mit einer Frequenz von 100 kHz bis zu 10 MHz statt. Über eine entsprechende Ansteuerung des oder der AODs 32, 320, 322 mit den genannten Frequenzen kann damit eine Bewegung des abgelenkten Bearbeitungsstrahls erreicht werden.
Die Bewegung von einem mit dem abgelenkten Bearbeitungsstrahl 2‘ beaufschlagten räumlichen Bereich 220 der Prozesszone 200 zu einem anderen mit dem abgelenkten Bearbeitungsstrahl 2“ beaufschlagten räumlichen Bereich 230 der Prozesszone 200 dauert bevorzugt höchstens 10ps.
Mit anderen Worten dauert die Änderung der Anregungsfrequenz des AODs 32 höchstens 10ps Besonders bevorzugt dauert die Bewegung des abgelenkten Bearbeitungsstrahls 2‘, 2“ zwischen 10ps und 0,1 ps von einem räumlichen Bereich 220 zu einem anderen räumlichen Bereich 230 der Prozesszone 200.
Der in der Figur 1 gezeigte akusto-optischen Deflektor 32 ist entsprechend zweiteilig aufgebaut und es sind zwei im Strahlengang nacheinander angeordnete akusto-optische Deflektoren 320, 322 vorgesehen, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel um 90° zueinander gedreht sind, um auf diese Weise eine Ablenkung des Bearbeitungsstrahls 2 in der senkrecht zu dem Bearbeitungsstrahl 2 liegenden Ebene (also einer X/Y-Ebene) zu erreichen. Natürlich können die beiden akusto- optischen Deflektoren 32 auch um einen anderen Winkel zueinander ausgerichtet sein - allerdings ermöglicht die Ausrichtung um 90° eine einfachere Ansteuerung, wobei die Auslenkung dann entsprechend der gewünschten X/Y Auslenkung stattfinden kann.
Die mittels des aus den einzelnen AODs 320, 3220 zusammengesetzten akusto-optischen
Deflektors 32 abgelenkten Bearbeitungsstrahlen 2‘, 2“ werden mittels eines zweiten optischen Elementes 34, welches in der gezeigten Ausführungsform ebenfalls schematisch in Form einer Linse gezeigt ist, für die weitere Verarbeitung aufbereitet. Beispielsweise können die
Bearbeitungsstrahlen 2‘, 2“ mittels des zweiten optischen Elements 34 für eine Propagation ins Fernfeld kollimiert werden.
Das zweite optische Element 34 kann entsprechend beispielsweise eine Kollimierung der von dem akusto-optischen Deflektor 32 ausgehenden Bearbeitungsstrahlen 2‘, 2“ erreichen.
Bevorzugt ist in einer solchen Anordnung zweier akusto-optischer Delektoren eine Halbwellenplatte zwischen den beiden akusto-optischen Deflektoren vorgesehen. Da in dem akusto-optischen Deflektor 32 keine vollständige Auskopplung des eintreffenden Bearbeitungsstrahls 2 ausschließlich in die durch den jeweiligen Beugungswinkel der ersten Beugungsordnung separierten Bearbeitungsstrahl 2,‘2“, sondern auch in der nullten
Beugungsordnung, also kollinear zu dem von der Strahlquelle eintreffenden Bearbeitungsstrahl 2, ebenfalls noch eine Strahlintensität vorliegt, ist zur Eliminierung der nullten Beugungsordnung, eine Blende 36 vorgesehen. Die Blende 36 kann auch dazu dienen, Strahlen in höheren
Beugungsordnungen zu eliminieren, um eine saubere Auskopplung nur der ersten
Beugungsordnung zu erreichen.
Mit anderen Worten ist durch die Blende 36 ein Strahlreinigungselement in den Strahlengang eingebracht, mittels dessen unerwünschte Anteile aus dem Strahl entfernt werden können.
Mittels eines im Strahlengang nach dem zweiten optischen Element 34 und der Blende 36 angeordneten dritten optischen Elements 38, welches in der Figur 1 ebenfalls in Form einer Linse dargestellt ist, werden dann die eine Beabstandung von der nullten Beugungsordnung
aufweisenden, also einen Ortsversatz aufweisenden Bearbeitungsstrahlen 2‘, 2“ erneut fokussiert. Mit anderen Worten wird durch das dritte optische Element 38 eine Fokussierung der mit einem Ortsversatz versehenen Bearbeitungsstrahlen 2“, 2“ in das Material des Werkstücks 1 10, 120 beziehungsweise in die in den Werkstücken 1 10, 120 liegende Prozesszone 200 erreicht.
Durch die Anwendung des akusto-optischen Deflektors 32 kann entsprechend ein sehr schnelles Bewegen des Bearbeitungsstrahls 2‘, 2“ erreicht werden, wobei der Bearbeitungsstrahl 2‘, 2“ dann entsprechend in unterschiedliche räumliche Bereiche 220, 230 der Prozesszone 200 eingebracht werden kann.
In Figur 2 wird in einem sehr schematischen Diagramm die Beaufschlagung unterschiedlicher räumlicher Bereiche 220, 230 der Prozesszone 200 mit Laserpulsen 250 gezeigt. Dabei sind die Laserpulse 250 in dem Diagramm sehr schematisch zusammengefasst zu voneinander getrennten Bursts 252. Die Bursts 252 dauern jeweils eine Zeitdauer TB.
In der Figur 2 wird jeweils ein Burst 252 in einen anderen räumlichen Bereich 220, 230, 240 der Prozesszone 200 eingebracht. Die einzelnen Bursts 252 werden zeitlich nacheinander in die unterschiedlichen räumlichen Bereiche 220, 230, 240 eingebracht.
In den Pausen TP zwischen den Bursts 252 wird der Bearbeitungsstrahl durch eine entsprechende Ansteuerung eines AOD 32 so umgelenkt, dass aufeinanderfolgende Bursts 252 in
unterschiedlichen räumlichen Bereichen 220, 230, 240 in das Werkstück eingebracht werden. Bevorzugt sind die Bursts 252 des Bearbeitungsstrahls 2 und die Ansteuerung der AODs so miteinander synchronisiert, dass eine Änderung der Anregungsfrequenz der AODs in den jeweiligen Pulspausen TP zwischen den Bursts 252 stattfindet. Entsprechend wird zunächst die neue
Anregungsfrequenz für die AODs eingestellt und dann erst wieder ein Laserpuls oder ein Burst oder ein Pulszug durch die AODs geschickt.
Mit anderen Worten können durch die hochdynamische Bewegung des Bearbeitungsstrahls jeweils Laserpulse, bevorzugt die Laserpulse eines vorgegebenen Pulszugs und/oder alle Laserpulse von Bursts, nacheinander in die unterschiedlichen räumlichen Bereiche 220, 230, 240 der Prozesszone 200 definiert eingebracht werden.
Damit wird die Bewegung des Bearbeitungsstrahls bevorzugt entsprechend solange unterbrochen, bis der Laserpuls, bevorzugt der vorgegebene Pulszug und/oder die Laserpulse eines Bursts in den räumlichen Bereich 220 der sich bildendenProzesszone 200 eingebracht wurden und wird erst dann zu dem nächsten räumlichen Bereich 230 der Prozesszone 200 bewegt.
In Figur 3 ist schematisch ein Ausschnitt einer Vorrichtung 1 zur Durchführung eines Verfahrens zum Verschweißen zweier ebenfalls schematisch gezeigter Werkstücke 110,120 mittels eines Bearbeitungsstrahls 2 gezeigt.
Bei den Werkstücken 1 10,120 kann es sich um transparente Werkstücke handeln, wobei zumindest das in Strahlrichtung oben liegende Werkstück 1 10 transparent für den Bearbeitungsstrahl sein muss, wenn an einer Grenzfläche 100 zwischen dem oberen Werkstück 110 und dem unteren Werkstück 120 eine Verschweißung durchgeführt werden soll.
Die eigentliche Verschweißung ist hier schematisch in Form einer Schweißnaht 210 gezeigt, welche in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine im Wesentlichen lineare und durchgängige Erstreckung aufweist. Es sind aber auch anders geformte Schweißnähte zum Fügen der Werkstücke 110, 120 denkbar, beispielsweise in einer gebogenen oder geschwungenen Form oder durch die Ausbildung von einzeln Segmenten oder Schweißpunkten.
Hierin wird unter einem transparenten Werkstück ein solches verstanden, welches für den
Bearbeitungsstrahl 2 transparent ist. Mit anderen Worten kann der Bearbeitungsstrahl 2 ohne signifikante Abschwächung oder Streuung durch ein transparentes Werkstück hindurchtreten.
Die Lage einer zwischen den Werkstücken 110, 120 mittels des Bearbeitungsstrahls 2 erzeugten Schweißnaht 210 sowie die Struktur der Vorrichtung 1 oder 3 zur Durchführung des Verfahrens zum Verschweißen der Werkstücke 220, 230 wird in Bezug auf die Figur 4 noch einmal detailliert gezeigt.
In Figur 3 ist schematisch ein Bearbeitungsstrahl 2 gezeigt, welcher von einer in der Figur nicht gezeigten Strahlquelle ausgeht und welcher in Form eines gepulsten Laserstrahls vorgesehen sein kann. Besonders bevorzugt kann ein Ultrakurzpulslaser zur Bereitstellung des Bearbeitungsstrahls 2 verwendet werden.
Beispielsweise kann hierfür ein gepulster Laserstrahl mit Wellenlängen von 1030nm oder 1064nm oder 515nm oder 532nm mit Pulsen im Femtosekundenbereich oder Pikosekundenbereich und mit Frequenzen der Repetitionsrate von 100kHz bis zu mehreren MHz verwendet werden. Der Laser zur Erzeugung des gepulsten Laserstrahls kann auch im Burstmodus betrieben werden.
Der von der hier nicht gezeigten Strahlquelle beispielsweise in Form des genannten Lasers ausgehende Bearbeitungsstrahl 2 wird in der Vorrichtung 1 zum Durchführen der Verschweißung in einem ersten optischen Element 30, welches in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Linse 30 symbolisiert ist, so aufbereitet, dass ein im Strahlengang nachfolgender akusto-optischer Deflektor 32 geeignet betrieben werden kann. Das erste optische Element 30 kann entsprechend eine Strahlaufweitung, eine Kollimierung, eine Fokussierung, eine Strahlformung im Zeitbereich etc. bereitstellen, welche dazu geeignet ist, den Bearbeitungsstrahl 2 so aufzubereiten, dass der akusto- optische Deflektor 32 geeignet betrieben werden kann.
Unter einem akusto-optischen Deflektor, welcher in dem Ausführungsbeispiel beim Bezugszeichen 32 sehr schematisch gezeigt ist, wird vorliegend ein aktives optisches Element verstanden, in welchem durch das Einbringen von Schallwellen eine Ablenkung eines eintreffenden
Bearbeitungsstrahls erreicht werden kann. Ein akusto-optischer Deflektor wird auch als AOD bezeichnet.
Ein akusto-optischer Deflektor kann beispielsweise in Form eines transparenten Kristallquaders vorgesehen sein, beispielsweise in Form eines Quarzglases oder eines anderen Kristalls, in welchen mittels eines Akustokopplers, beispielsweise mittels eines Piezokristalls, Körperschall eingetragen wird. Durch die in dem durchsichtigen Quader durch den Körperschall ausgebildeten Dichteschwankungen wird entsprechend ein optisches Gitter ausgebildet, an welchem eine Beugung des einfallenden Lichtes stattfindet.
Mit anderen Worten kann in dem akusto-optischen Deflektor 32 eine Beugung des Lichts an den im Kristall durch die Schallwellen erzeugten Dichteschwankungen ausgebildetem optischen Gitter stattfinden. Damit ist die tatsächliche Ablenkung des einfallenden Lichts beziehungsweise die Beugung des einfallenden Lichtes des von der Strahlquelle ausgehenden Bearbeitungsstrahls abhängig von der Frequenz der in den akusto-optischen Deflektor 32 eingebrachten akustischen Schwingung beziehungsweise von der Wellenlänge der akustischen Welle und damit von der auf diese Weise ausgebildeten Gitterkonstanten der in dem Quader ausgebildeten Dichteschwankungen. Durch eine Variation der eingebrachten Frequenz der eingebrachten akustischen Schwingung und damit der Gitterkonstanten kann entsprechend die tatsächliche Ablenkung des einfallenden Lichtstrahls des Bearbeitungsstrahls variiert werden.
Über die Amplitude der in den akusto-optischen Deflektor 32 eingebrachten akustischen
Schwingung hingegen kann auch eine Intensitätsmodulation dahingehend erreicht werden, dass bei einer stärkeren Amplitude die entsprechenden Dichteschwankungen stärker ausgeprägt sind und damit die Beugungsordnungen stärker ausgeprägt werden.
Mit anderen Worten kann in dem akusto-optischen Deflektor 32 über den Eintrag von Schallenergie sowohl eine variable Winkelablenkung des Lichtstrahls als auch eine Variation der Intensität der einzelnen Beugungsordnungen erreicht werden.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 3 ist der akusto-optische Deflektor 32 entsprechend nach dem ersten optischen Element 30 angeordnet. Der durch das erste optische Element 30 aufbereitete Bearbeitungsstrahl 2 wird damit vom akusto-optischen Deflektor 32 in
Bearbeitungsteilstrahlen, die in der Figur 3 schematisch in Form der Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 der ersten Beugungsordnung gezeigt sind, aufgeteilt und abgelenkt. Die in höheren
Beugungsordnungen sind nicht gezeigt.
Die mittels des akusto-optischen Deflektors 32 abgelenkten Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 werden mittels eines zweiten optischen Elementes 34, welches in der gezeigten Ausführungsform ebenfalls schematisch in Form einer Linse gezeigt ist, für die weitere Verarbeitung aufbereitet. Beispielsweise können die Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 mittels des zweiten optischen Elements 34 für eine Propagation ins Fernfeld kollimiert werden.
Das zweite optische Element 34 kann entsprechend beispielsweise eine Kollimierung der von dem akusto-optischen Deflektor 32 ausgehenden Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 erreichen.
Anstelle des in der Figur 3 gezeigten einen akusto-optischen Deflektors 32 können auch zwei im Strahlengang nacheinander angeordnete akusto-optische Deflektoren vorgesehen sein, die beispielsweise um 90° zueinander gedreht sind, um auf diese Weise eine Ablenkung in der senkrecht zu dem Bearbeitungsstrahl 2 liegenden Ebene zu erreichen. Natürlich können die beiden akusto-optischen Deflektoren 32 auch um einen anderen Winkel zueinander ausgerichtet sein - allerdings ermöglicht die Ausrichtung um 90° eine einfachere Ansteuerung.
Bevorzugt ist in einer solchen Anordnung zweier akusto-optischer Delektoren eine Halbwellenplatte zwischen den beiden akusto-optischen Deflektoren vorgesehen.
Da in dem akusto-optischen Deflektor 32 keine vollständige Auskopplung des eintreffenden Bearbeitungsstrahls 2 ausschließlich in die durch den jeweiligen Beugungswinkel der ersten Beugungsordnung separierten Teilstrahlen 20, 22 erfolgt, sondern auch in der nullten
Beugungsordnung, also kollinear zu dem von der Strahlquelle eintreffenden Bearbeitungsstrahl 2, ebenfalls noch eine Strahlintensität vorliegt, ist zur Eliminierung der nullten Beugungsordnung, eine Blende 36 vorgesehen. Die Blende 36 kann auch dazu dienen, Teilstrahlen in höheren
Beugungsordnungen zu eliminieren, um eine saubere Auskopplung nur der ersten
Beugungsordnung zu erreichen.
Mittels eines im Strahlengang nach dem zweiten optischen Element 34 und der Blende 36 angeordneten dritten optischen Elements 38, welches in der Figur 3 ebenfalls in Form einer Linse dargestellt ist, werden dann die eine Beabstandung von der nullten Beugungsordnung
aufweisenden, also einen Ortsversatz aufweisenden Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 erneut fokussiert. Mit anderen Worten wird durch das dritte optische Element 38 eine Fokussierung der mit einem Ortsversatz versehenen Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 erreicht.
Die Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 werden auf einen Strahlformer 40 fokussiert, welcher beispielsweise in Form eines phasensensitiven Elementes, beispielsweise eines Spatial Light Modulators (SLM) der auch als räumlicher Modulator für Licht bezeichnet wird, vorgesehen ist. Über einen solchen SLM kann die räumliche Struktur kurzer Laserpulse geformt werden. Insbesondere können damit Laserpulse in Besselform oder in Form mehrerer Gauß-Spots geformt werden.
Der Strahlformer 40 kann auch ein anderes aktives optisches Element sein, um den
Bearbeitungsstrahl zu formen.
Mittels des Strahlformers 40 können die Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 in ihrer Strahlstruktur so geformt werden, dass sie beispielsweise eine vorgegebene räumliche Struktur aufweisen. Mittels des Strahlformers 40 können auch die Muster oder Strukturen für die Beaufschlagung der unterschiedlichen räumlichen Bereiche der Prozesszone mit dem Bearbeitungsstrahl 2 oder den Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 vorgegeben werden. Mittels des Strahlformers 40 können die Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 auch in weitere, in dem schematischen Ausführungsbeispiels nicht gezeigte, Bearbeitungsteilstrahlen aufgeteilt werden oder es können aus jedem der Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 vorgegebene Muster oder Patterns erzeugt werden.
Nach dem Strahlformer 40 treten die durch den Strahlformer 40 entsprechend geformten
Bearbeitungsteilstrahlen dann durch einen weiteres optisches Element 42 hindurch, das in dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wiederum in Form einer Linse gezeigt ist. Mittels des weiteren optischen Elements 42 findet eine Fokussierung jedes der einzelnen der
Bearbeitungsstrahlen, welche entweder nur durch den akusto-optischen Deflektor 32 oder auch zusätzlich durch den Strahlformer 40 aufgeteilt wurden, in die sich bildende Prozesszone 200 statt.
Die einzelnen optischen Elemente 30 bis 38, 40 und 42 können in einem gemeinsamen optischen System 400 organisiert sein. Bis auf den akusto-optischen Deflektor 32 sind alle weiteren optischen Elemente optional.
Die sich bildende Prozesszone 200 liegt zumindest teilweise in einem oder in beiden der
Werkstücke 1 10, 120. Durch die Fokussierung der einen Ortsversatz aufweisenden
Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 in die sich Prozesszone 200 mittels des weiteren optischen Elements 42 findet entsprechend auch eine Fokussierung der Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 in unterschiedliche räumliche Bereiche 220, 230 der sich Prozesszone 200 statt. Mit anderen Worten wird der eine der Bearbeitungsteilstrahlen 20 in einen ersten räumlichen Bereich 220 der
Prozesszone 200 fokussiert, wohingegen ein anderer der Bearbeitungsteilstrahlen 22 in einen zweiten räumlichen Bereich 230 der Prozesszone 200 fokussiert wird.
Der von dem ersten Bearbeitungsteilstrahl 20 beaufschlagte räumliche Bereich 220 ist dabei beabstandet von dem von dem zweiten Bearbeitungsteilstrahl 22 beaufschlagten räumlichen Bereich 230, da die Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 ebenfalls einen Ortsversatz zueinander aufweisen. Die beiden von den Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 beaufschlagten Bereiche 220, 230 sind aber bevorzugt nur so weit voneinander beabstandet, dass eine thermische Kopplung der beiden Bereiche 220, 230 vorliegt. Damit kann erreicht werden, dass das in der Prozesszone 200 vorliegende Material eines oder beider der Werkstücke 1 10, 120 durch den Eintrag der
Laserenergie durch die Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 trotz der räumlichen Beabstandung der beiden Bereiche 220, 230 aufgeschmolzen wird.
Die Vorrichtung 3 umfasst entsprechend das optische System 400, durch welches hindurch der gepulste Bearbeitungsstrahl 2 dann in Form der Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 auf die Werkstücke 1 10,120 auftrifft. Die Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 werden in die räumlichen Bereiche 220, 230 in einer in einem oder beiden Werkstücken 1 10, 120 liegenden Prozesszone 200 fokussiert, wodurch die Intensität der Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 in den in der Prozesszone 200 liegenden Foki jeweils am höchsten ist, in den jeweils umgebenden Bereichen hingegen niedriger. Die
Materialbearbeitung in der Prozesszone 200 findet dadurch statt, dass es aufgrund der hohen Intensität der Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 ihren jeweiligen Foki zu einem Aufschmelzen des in der Prozesszone 200 vorliegenden Materials kommt. Dadurch kann beim nachfolgenden Abkühlen beispielsweise ein Verschweißen zweier vorher in der Prozesszone 200 getrennt vorliegender und nun durch das Aufschmelzen stoffschlüssig miteinander verbundener Materialbereiche erreicht werden.
Bei der Verwendung eines gepulsten Bearbeitungsstrahls 2, insbesondere bei der Verwendung eines Ultrakurzpulslasers, werden durch die sehr hohen erreichbaren Intensitäten in den durch das optische System 400 bereitgestellten Foki im Glasmaterial des mindestens einen Werkstücks 1 10, 120 nichtlineare Absorptionseffekte erreicht. Beim Verwenden geeigneter Repetitionsraten des gepulsten Bearbeitungsstrahls 2 kommt es zu Wärmeakkumulationseffekten im Glasmaterial, wodurch es zu einem lokalen Aufschmelzen des Glasmaterials in der Prozesszone 200 kommt.
Dabei liegt dem Verfahren die Erkenntnis zu Grunde, dass beim Verschweißen von Werkstücken 1 10, 120 aus Glas mittels eines gepulsten Bearbeitungsstrahls 2, beispielsweise eines gepulsten Laserstrahls, bevorzugt eines Ultrakurzpulslasers, durch die erreichbaren hohen Intensitäten im jeweiligen Strahlfokus nichtlineare Absorptionseffekte im Glas erreicht werden können. Werden entsprechende Repetitionsraten für den gepulsten Bearbeitungsstrahl verwendet, akkumuliert sich die mittels der jeweiligen Pulse in die Prozesszone 200 eingetragene Energie, sodass es durch entsprechende Wärmeakkumulationseffekte zu einem lokalen Aufschmelzen des Glasmaterials kommt. Dadurch entsteht in der Nähe des jeweiligen geometrischen Fokus der gepulsten
Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 ein hochabsorbierendes Plasma zunächst in der Größe des Fokusvolumens.
Um ein Verbinden der Werkstücke 1 10 und 120 zu erreichen, wird die sich bildende Prozesszone 200 entsprechend so in die Werkstücke 1 10, 120 gelegt, dass sie nahe der Grenzfläche 100 angeordnet ist oder die Grenzfläche 100 umfasst. Dazu werden mittels des entsprechend ausgebildeten und eingerichteten optischen Systems 400 die Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 entsprechend aufbereitet und in die sich bildende Prozesszone 200 hinein fokussiert.
In der Prozesszone 200 findet dann das Aufschmelzen des Materials eines, mehrerer oder aller Werkstücke 1 10, 120 statt, um dann nach dem erneuten Erstarren des vormals aufgeschmolzenen Materials eine Verschweißung der Werkstücke 1 10, 120 durch das aufgeschmolzene und dann erstarrte Material zu erreichen.
Die Positionierung der einzelnen räumlichen Bereiche 220, 230 in der Prozesszone 200 kann dadurch variiert werden, dass unterschiedliche Ablenkungen der Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 in dem akusto-optischen Deflektor 32 dadurch erreicht werden, dass in den akusto-optischen Deflektor 32 variierende Schallwellen eingekoppelt werden. Dabei können sowohl die Frequenzen als auch die Intensitäten der in den akusto-optischen Deflektor 32 eingekoppelten Schallwellen variiert werden.
Durch eine entsprechende Abfolge von in den akusto-optischen Deflektor 32 eingekoppelten Frequenzen kann dann eine entsprechende Abfolge von Ablenkungen der Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 erreicht werden, welche wiederum in einer Abfolge unterschiedlicher Ortsversätze der Bearbeitungsteilstrahlen, welche wiederum in einer Abfolge der Beaufschlagung unterschiedlicher räumlicher Bereiche 220, 230 der Prozesszone 200 resultiert.
Damit kann über die Steuerung der in den akusto-optischen Deflektor 32 eingekoppelten
Schallwellen erreicht werden, dass die Prozesszone 200 in einer Abfolge von unterschiedlichen voneinander beabstandeten Bereichen 220, 230 mit den Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 beaufschlagt wird.
Mit anderen Worten kann das Volumen der Prozesszone 200 mittels des akusto-optischen Deflektors 32 abgescannt werden.
Die Abfolge der in den akusto-optischen Deflektor 32 eingekoppelten unterschiedlichen Frequenzen kann aus einer festgelegten Sequenz bestehen und/oder in vorgegebenen Grenzen chaotisch und/oder zufällig ausgebildet sein.
Mit anderen Worten fungiert der akusto-optische Deflektor 32 in dem gezeigten
Ausführungsbeispiel wie ein Scanner, mittels dessen eine Aufteilung des ursprünglich von der Strahlquelle ausgehenden Bearbeitungsstrahls 2 in zwei Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 ermöglicht wird, welche über die nachfolgende Optik entsprechend in ihrer Strahlform aufbereitet werden und dann in mittels des akusto-optischen Deflektors 32 bestimmten räumlichen Bereichen 220, 230 der Prozesszone 200 auftreffen. Durch eine Variation der Ablenkung der Teilstrahlen 20, 22 in dem akusto-optischen Deflektor 32 kann auch die Position der räumlichen Bereiche 220, 230 in der Prozesszone 200 variiert werden.
Durch eine entsprechende Ausbildung des akusto-optischen Deflektors 32 und der nachfolgenden Optik, insbesondere der Form der Blende 36 und der Ausprägung des Strahlformers 40 kann weiterhin erreicht werden, dass mittels des akusto-optischen Deflektors 32 die unterschiedlichen räumlichen Bereiche 220, 230 der Prozesszone 200 nacheinander oder sequenziell oder gleichzeitig angesprochen werden.
Die hohe Dynamik des akusto-optischen Deflektors 32 ermöglicht weiterhin ein schnelles Schalten der jeweiligen Ablenkung der Teilstrahlen 20, 22 derart, dass die räumlichen Bereiche 220, 230 der Prozesszone 200 schnell verschoben werden können beziehungsweise nacheinander
unterschiedliche Muster beziehungsweise Patterns abgefahren werden können.
Dabei kann eine sequentiell oder chaotisch oder zufällig oder in anderer Art und Weise gestaltete Steuerung des akusto-optischen Deflektors 32 dazu führen, dass zwar hinreichend viel Energie in die sich bildende Prozesszone 200 eingetragen wird, um die für das Aufschmelzen des oder der Werkstücke 110, 120 notwendigen Temperaturen zu erreichen, welche zu einem Aufschmelzen des Materials beispielsweise an einer Grenzfläche zwischen den Werkstücken 110, 120 führt.
Gleichzeitig wird aber das durchgehende und unterbrechungsfreie Auftreten von hohen lokalen Temperaturen über einen zu langen Zeitraum hinweg vermeiden, so dass der Eintrag von temperaturinduzierten Spannungen in die Werkstücke 110, 120 und insbesondere in an die Prozesszone 200 oder an den Schmelzbereich angrenzenden Bereiche der Werkstücke 110, 120 reduziert wird.
Die auf die Werkstücke 110,120 auftreffenden Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 sind in der
Verschiebungsrichtung X relativ zu den Werkstücken 110, 120 verschiebbar, um in den
Werkstücken 110,120 eine linear oder gebogen geformte Schweißnaht 210 einzuziehen. Dabei können zur Ausbildung der Verschiebung entweder die Werkstücke 110, 120 oder die
Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 oder auch beide gegenläufig entlang der Verschiebungsrichtung X verschoben werden. Es können auch andere Bewegungen parallel zu der durch die Grenzfläche 100 ausgebildeten Ebene durchgeführt werden, um entsprechend komplexere Formen von Schweißnähten 210 einzuziehen. Durch die Bewegung der Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 relativ zu den Werkstücken 110, 120 kann die Ausdehnung der Schweißnaht 210 in der
Bewegungsrichtung X bestimmt werden.
Da die mit dem akusto-optischen Deflektor 32 erreichbaren Scangeschwindigkeiten sehr hoch sind, kann durch ein gezieltes Einträgen der Laserenergie und entsprechend ein gezieltes Einträgen der jeweiligen Laserpulse sowohl die notwendige Energie in das Material eingetragen werden, welche ein zuverlässiges Schmelzen und damit eine zuverlässige Verbindung der Werkstücke miteinander erreichen kann, gleichzeitig aber aufgrund des verteilten Eintrags der Energie und der Vermeidung eines durchgängig linearen Einbringens der Laserenergie entlang der gewünschten Schweißnaht 210 die Vermeidung von Spannungen erreicht werden.
Dadurch, dass der ursprünglich von der Strahlquelle stammende Bearbeitungsstrahl 2 in mindestens zwei Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 aufgeteilt und die Beaufschlagung mit dem Bearbeitungsstrahl in unterschiedlichen räumlichen Bereichen 220, 230 der Prozesszone 200 stattfindet, und insbesondere eine dynamische Beaufschlagung der unterschiedlichen räumlichen Bereiche 220, 230 stattfindet, kann vermieden werden, dass die Schweißnaht 210 in die
Fügepartner durch das Einbringen einer durchgehenden, konstanten und gleichförmigen
Erhitzungszone, wie sie durch das Einbringen eines kontinuierlichen Strahls mit einem Laserstrahl in herkömmlichen Schweißverfahren stattfindet, erhöhte Spannungen einträgt. Vielmehr wird in dem vorgeschlagenen Verfahren die lokale Erhitzung immer wieder unterbrochen und in einen anderen räumlichen Bereich 220, 230 innerhalb der Prozesszone 200 verschoben, so dass der
Wärmeeintrag an einem einzigen Fleck, welcher mit dem Fokus des Bearbeitungsteilstrahls 20, 22 übereinstimmt, unterbrochen wird und entsprechend auch an dem einen Fleck auch nicht durchgehend eingebracht wird.
Mit anderen Worten wird die Prozesszone 200 in jeweils unterschiedlichen räumlichen Bereichen 220, 230, welche sich über den Zeitablauf hinweg und entlang der zu erzielenden Schweißnaht sequenziell und/oder chaotisch und/oder zufällig ändern, dennoch mit der notwendigen Energie zur Erzeugung der Schweißnaht versorgt.
Der Abstand der unterschiedlichen räumlichen Bereiche 220, 230 der Prozesszone 200 ist üblicherweise so gewählt, dass eine thermische Kopplung zwischen den unterschiedlichen räumlichen Bereichen 220, 230 vorliegt. Damit kann erreicht werden, dass in der Prozesszone 200 die für das Fügen der Werkstücke 1 10, 120 erforderliche Schmelze ausgebildet wird, ein hoher lokaler Energieeintrag entlang einer einzigen, durchgehenden, kontinuierlichen Schweißlinie hingegen vermieden wird.
In Figur 4 ist die Vorrichtung und das Verfahren zur Bearbeitung zweier Werkstücke 1 10,120 noch einmal in einer zweiten Detaillierung dargestellt.
In der gezeigten Ausführungsform sind die Werkstücke 1 10, 120 aus Glas ausgebildet - beispielsweise in Form von zwei Glasscheiben - die an einer gemeinsamen und zwischen den beiden Werkstücken 1 10, 120 angeordneten Grenzfläche 100 aneinander angeordnet sind und an einem Abschnitt der Grenzfläche 100 miteinander verschweißt werden. Mit anderen Worten liegt zumindest ein Teil der Unterseite 1 14 des in der Figur 3 gezeigten oberen Werkstücks 1 10 an der Oberseite 122 des unteren Werkstücks 120 an. Die Oberseite 122 des unteren Werkstücks 120 und die Unterseite 1 14 des oberen Werkstücks 1 10 bilden entsprechend gemeinsam die Grenzfläche 100 aus, in der die Verschweißung vorgenommen werden soll beziehungsweise vorgenommen wurde.
Die beiden Werkstücke 1 10 und 120 können im Bereich der Ausbildung der Grenzfläche 100 aneinander angesprengt sein, um bereits vor der Verschweißung eine vorläufige Positionierung und Fixierung der beiden Werkstücke 1 10 und 120 gegeneinander zu erreichen.
Aufgrund der Beschaffenheit ihres Werkstoffs, nämlich Glas, sind die beiden Werkstücke 1 10, 120 im Wesentlichen transparent für den gepulsten Bearbeitungsstrahl 2 beziehungsweise die
Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22, mit denen die Verschweißung der beiden Werkstücke 1 10, 120 durchgeführt werden soll. Damit können die gepulsten Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22, die zur Durchführung der Verschweißung vorgesehen sind, durch die Werkstücke 1 10 und 120 hindurchtreten und insbesondere auch durch das obere Werkstück 1 10 hindurch zu der
Grenzfläche 100 hin gelangen. Damit ist eine Verschweißung der Werkstücke 1 10 und 120 innerhalb des durch die beiden Werkstücke 1 10, 120 gemeinsam ausgebildeten
Werkstückvolumens möglich.
Eine solche Verschweißung innerhalb eines durch mindestens zwei Werkstücke ausgebildeten Werkstückvolumens ist bei für einen Bearbeitungsstrahl opaken Werkstoffen nicht möglich.
Das untere Werkstück 120 kann aber auch für den Bearbeitungsstrahl 2 beziehungsweise die Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 opak ausgeführt sein. Die Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 können aber dennoch durch das obere, für die Bearbeitungsteilstrahlen 20, 22 transparente, Werkstück 1 10 aus Glas hindurch an die zwischen den beiden Werkstücken 1 10, 120 liegende Grenzfläche 100 gelangen, um dort eine Verschweißung vorzunehmen.
Der Aufbau des optischen Systems 400 entspricht im Übrigen dem zur Figur 3 beschriebenen.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Bezuqszeichenliste
1 Vorrichtung zum Durchführen einer Verschweißung von Werkstücken 100 Grenzfläche
1 10 (o be res) We rkstü ck
1 12 obere Oberfläche des oberen Werkstücks
1 14 untere Oberfläche des oberen Werkstücks
120 (unteres) Werkstück
122 obere Oberfläche des unteren Werkstücks
124 untere Oberfläche des unteren Werkstücks
2 Bearbeitungsstrahl
2‘ abgelenkter Bearbeitungsstrahl
2“ abgelenkter Bearbeitungsstrahl
20 Bearbeitungsteilstrahl
22 Bearbeitungsteilstrahl
200 Prozesszone
210 Schweißnaht
220 räumlicher Bereich der Prozesszone
230 räumlicher Bereich der Prozesszone
240 räumlicher Bereich der Prozesszone
250 Laserpulse
252 Burst
30 erstes optisches Element (Linse)
32 akusto-optischer Deflektor
34 zweites optisches Element (Linse)
36 Blende
38 drittes optisches Element (Linse)
40 Strahlformer
42 weiteres optisches Element (Linse)
400 optisches System
X Verschiebungsrichtung
TP Pause
TB Burst

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Bearbeiten mindestens eines Werkstücks (110, 120), wobei das Werkstück (110, 120) mit einem Bearbeitungsstrahl (2), bevorzugt einen gepulsten Laserstrahl, besonders bevorzugt einem Ultrakurzpulslaserstrahl, beaufschlagt wird, wobei der
Bearbeitungsstrahl (2, 2‘, 2“, 20, 22) zur Ausbildung einer Prozesszone (200)
hochdynamisch zwischen mindestens zwei unterschiedlichen räumlichen Bereichen (220, 230) bewegt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsstrahl (2) zwischen den beiden räumlichen Bereichen (220, 230) mit einer Frequenz von 100kHz bis 10MHz bewegt wird und/oder dass der Bearbeitungsstrahl innerhalb von 10ps bis 0,1 ps zwischen den beiden räumlichen Bereichen (220, 230) bewegt wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Bearbeitungsstrahl (2) mittels eines akusto-optischen Elements (32, 320, 322) bewegt wird, bevorzugt mittels zweier aktusto-optischer Elemente, die unter einem Winkel zueinander orientiert sind.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das akusto-optische
Element (32) mit einer sequentiell und/oder zufällig und/oder chaotisch variierenden Schallwelle beaufschlagt wird.
5. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsstrahl (2) ein gepulster Laserstrahl ist und die Bewegung zwischen den beiden räumlichen Bereichen (220, 230) in den Pulspausen (TP) durchgeführt wird.
6. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zweier Werkstücke (110, 120) vorgesehen sind, wobei mindestens eines der Werkstücke (110, 120) transparent für den Bearbeitungsstrahl (2) ist, und in den
Werkstücken (1 10, 120) in der Prozesszone (200) eine Schweißnaht (210) ausgebildet wird, wobei der Bearbeitungsstrahl (2) hochdynamisch in mindestens zwei separate
Bearbeitungsteilstrahlen (20, 22) aufgeteilt wird und mindestens zwei
Bearbeitungsteilstrahlen (20, 22) jeweils unterschiedliche räumliche Bereiche (220, 230) der Prozesszone (200) beaufschlagen und/oder wobei der Bearbeitungsstrahl (2)
hochdynamisch bewegt wird und mindestens zwei abgelenkte Bearbeitungsstrahlen (2‘, 2“) jeweils unterschiedliche räumliche Bereiche (220, 230) der Prozesszone (200) beaufschlagen.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der
Bearbeitungsstrahlen (2‘, 2“, 20, 22) einen anderen räumlichen Bereich (220, 230) der Prozesszone (200) beaufschlagt.
8. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei um 90° gegeneinander gedrehte akusto-optische Deflektoren vorgesehen sind, mittels welchen eine Ablenkung der Bearbeitungsstrahlen (2‘, 2“, 20, 22) in einer auf den
Bearbeitungsstrahl (2) senkrechten Ebene durchgeführt wird.
9. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsstrahl (2, 2‘, 2“, 20, 22) jeweils sequentiell und/oder zufällig und/oder chaotisch unterschiedliche räumliche Bereiche (220, 230) der Prozesszone (200) beaufschlagt.
10. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsstrahlen (2‘,2“, 20, 22) jeweils mittels eines Strahlformers (40) geformt werden, bevor sie die unterschiedlichen räumlichen Bereiche (220, 230) beaufschlagen.
11. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Bearbeitungsteilstrahlen (20, 22) beaufschlagte, sich bildende Prozesszone (200) und die Werkstücke (1 10, 120) relativ zueinander bewegt werden.
12. Vorrichtung (1) zur Bearbeitung mindestens eines Werkstücks (110, 120), wobei eine
Strahlquelle zur Bereitstellung eines Bearbeitungsstrahls (2), bevorzugt eines gepulsten Laserstrahls, besonders bevorzugt eines Ultrakurzpulslaserstrahls, und ein optisches System (400) zur Beaufschlagung mindestens eines Werkstücks (110,120) mit dem Bearbeitungsstrahl (2) vorgesehen sind, wobei das optische System (400) dazu ausgebildet und eingerichtet ist, den Bearbeitungsstrahl (2) zur Ausbildung einer Prozesszone (200) hochdynamisch zwischen mindestens zwei unterschiedlichen räumlichen Bereichen (220, 230) zu bewegen.
13. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass damit mindestens zwei Werkstücke (110, 120) verschweißbar sind, wobei mindestens eines der Werkstücke (110, 120) transparent für den Bearbeitungsstrahl (2) ist, wobei das optische System (400) dazu ausgebildet und eingerichtet ist, den Bearbeitungsstrahl (2) in mindestens zwei separate Bearbeitungsteilstrahlen (20, 22) aufzuteilen und mit mindestens zwei
Bearbeitungsteilstrahlen (20, 22) jeweils unterschiedliche räumliche Bereiche (220, 230) der Prozesszone (200) zu beaufschlagen.
14. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das optische
System (400) einen akusto-optischen Deflektor (32) zur hochdynamischen Bewegung des Bearbeitungsstrahls (2) aufweist.
15. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (400) zwei akusto-optische Deflektoren aufweist, mittels welchen eine Ablenkung der Bearbeitungsteilstrahlen (20, 22) in einer auf den Bearbeitungsstrahl (2) senkrechten Ebene ermöglicht wird.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020134422A1 (de) 2020-12-21 2022-06-23 Trumpf Laser Gmbh Vorrichtung zur Strahlbeeinflussung eines Laserstrahls

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010038554A1 (de) * 2010-07-28 2012-02-02 Osram Ag Optoelektronisches Halbleiterbauelement und zugehöriges Herstellverfahren
US20180045232A1 (en) * 2015-02-09 2018-02-15 Spi Lasers Uk Limited A Weld
EP3395493A1 (de) * 2017-04-24 2018-10-31 Scherdel Innotec Forschungs- Und Entwicklungs GmbH Verfahren zum zusatzwerkstoff-freien laserstrahlverschweissen
US20190001442A1 (en) * 2015-09-09 2019-01-03 Electro Scientific Industries, Inc. Laser processing apparatus, methods of laser-processing workpieces and related arrangements

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6555781B2 (en) * 1999-05-10 2003-04-29 Nanyang Technological University Ultrashort pulsed laser micromachining/submicromachining using an acoustooptic scanning device with dispersion compensation
CN102834216B (zh) * 2010-03-16 2015-01-21 爱信精机株式会社 脉冲激光器装置、透明部件熔接方法以及透明部件熔接装置
US10507544B2 (en) * 2015-02-27 2019-12-17 Electro Scientific Industries, Inc Fast beam manipulation for cross-axis miromaching

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010038554A1 (de) * 2010-07-28 2012-02-02 Osram Ag Optoelektronisches Halbleiterbauelement und zugehöriges Herstellverfahren
US20180045232A1 (en) * 2015-02-09 2018-02-15 Spi Lasers Uk Limited A Weld
US20190001442A1 (en) * 2015-09-09 2019-01-03 Electro Scientific Industries, Inc. Laser processing apparatus, methods of laser-processing workpieces and related arrangements
EP3395493A1 (de) * 2017-04-24 2018-10-31 Scherdel Innotec Forschungs- Und Entwicklungs GmbH Verfahren zum zusatzwerkstoff-freien laserstrahlverschweissen

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Publication number Publication date
DE102019116803A1 (de) 2020-12-24

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