WO2021005061A1 - Optische apparatur und verfahren zum laserschweissen eines werkstücks, mit mehreren teilstrahlen, die im strahlprofil eine kernzone und eine ringzone aufweisen - Google Patents

Optische apparatur und verfahren zum laserschweissen eines werkstücks, mit mehreren teilstrahlen, die im strahlprofil eine kernzone und eine ringzone aufweisen Download PDF

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partial
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Daniel FLAMM
Patrick Haug
Tim Hesse
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Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to an optical apparatus for laser welding a work piece, comprising
  • a beam splitter device for splitting the collimated laser beam into several partial beams the beam splitter device having a first setting device with which the split of the collimated laser beam between the several partial beams can be variably adjusted, and
  • a focusing optics for focusing the partial beams on the workpiece to be welded is known from DE 102 61 422 A1.
  • laser welding also called laser beam welding
  • workpieces can be manufactured with a comparatively high welding speed (feed speed) and low thermal distortion.
  • Weld seam show undesirable waviness ("humping") or undesired edge notches, and overall do not achieve the desired mechanical strength. As a result, productivity (welding speed) is usually limited during laser welding.
  • the splitting of a laser beam into several partial beams during laser welding is, for example, also from DE 10 2015 112 537 A1, WO
  • WO 2016/205805 A1 describes systems for laser welding in which several laser fibers can be used for several laser beams, and diffractive optical elements are proposed for beam shaping.
  • the laser welding is carried out as a through weld, so that the material of the workpiece to be welded melts down to the underside of the workpiece, which is opposite the incident side of the laser beam, a good quality of the weld seam must be achieved with regard to both the upper side and the underside of the workpiece , for example in terms of spatter or waviness.
  • the laser beam source comprises a multiclad fiber with a core fiber and at least one ring fiber and a second setting device, wherein with the second setting device an input laser beam at a first fiber end of the multiclad fiber can be variably divided between the core fiber and the at least one ring fiber, and wherein a the second fiber end of the multiclad fiber provides the laser beam for the collimation optics,
  • the beam splitter device is designed to split the collimated laser beam into at least two partial beams leading with respect to an intended welding direction and a trailing partial beam, the leading partial beams being transverse to the intended welding direction are lined up,
  • the laser welding can be operated with (at least) two leading (front) partial beams and a trailing (rear) partial beam.
  • the energy distribution between the leading partial beams and the trailing partial beam can be specifically adjusted with the first adjusting device.
  • a beam profile can be obtained on the workpiece to be welded with a core zone (from the core fiber) and at least one ring zone (from the at least one ring fiber) for the respective partial beams.
  • the energy distribution between the core zone and the ring zone can be adjusted in a targeted manner by means of the second adjustment device.
  • the leading partial beams can be used to weld the top of the workpiece. Due to the beam profile set up on the front partial beams by means of the Multiclad fiber, a particularly good quality on the top of the seam can be achieved.
  • the laser power of the leading parts can be beamed by their alignment transversely to the feed direction (welding direction) and the beam profile can be distributed over a comparatively large area or width.
  • the penetration can be operated with the trailing partial jet.
  • a higher feed rate can be achieved without any relevant humping or relevant notch formation (in particular on the top of the seam, but also on the Underside) and without any relevant spatter formation (especially on the underside of the seam, but also on the upper side).
  • the multiclad fiber is typically designed as a 2-in-1 fiber, i.e. with a core fiber and exactly one ring fiber.
  • the collimated laser beam is typically split into exactly two leading partial beams and one trailing partial beam.
  • the second adjustment device can, for example, shift the input laser beam relative to the first fiber end transversely to the direction of beam propagation, or it can also change the focusing of the input beam so that the width of the input beam at the first fiber end changes, cf. DE 10 2010 003 750 A1.
  • the input laser beam is preferably generated by a solid-state laser.
  • An embodiment of the optical apparatus according to the invention is preferred which provides that the beam splitter device forms a deflection zone for each partial beam and that the beam splitter device can be moved in at least one adjustment direction transversely to a beam propagation direction of the collimated laser beam with the first adjustment device, whereby the energy distribution between the partial beams can be adjusted via the overlap of the collimated laser beam with the respective deflection zones.
  • Such beam splitter devices are structurally simple and also easy to use.
  • the deflection zones each deflect a partial area of the cross section of the collimated laser beam in a different direction than the other deflection zones (correspondingly, a deflection zone can allow the collimated laser beam to pass without being deflected).
  • the leading partial beams can be evenly split into two partial beams in a simple manner, and at the same time a variable energy distribution between all the leading partial beams on the one hand and the trailing partial beam on the other.
  • the collimated laser beam aligned with the common center achieves a uniform distribution of the energy over the entirety of the leading partial beams on the one hand and the trailing partial beam on the other.
  • the beam splitter device can be moved relative to the collimated laser beam along the direction of incidence onto the deflection zones for the leading partial beams in order to obtain an energy share greater than 50% for the leading partial beams, or it can be moved onto the deflection zone for the trailing partial beam in order to achieve a To obtain an energy share greater than 50% for the trailing partial beam.
  • the beam splitter device is designed with a refractive optical element, in particular wherein the beam splitter device forms a wedge plate which has a plurality of deflection zones which form an inclination with respect to a beam propagation direction of the collimated laser beam and which with respect to the beam propagation direction an have different orientations.
  • a beam splitter device is simple in construction and intuitive to use. Note that a deflection zone of a wedge plate can also be formed without an inclination to the direction of beam propagation, or the wedge plate does not cover part of the cross section of the collimated X-ray beam in order to generate an undeflected partial beam.
  • the beam splitter device is designed with a diffractive optical element
  • the beam splitter device has several diffraction zones which form sawtooth grids, the sawtooth grids having a different orientation with respect to a beam propagation direction of the collimated laser beam and / or having a different structure.
  • the diffractive optical element is easy to manufacture and can be made comparatively compact.
  • the sawtooth grid is formed as a height profile (thickness profile) by a surface of the beam splitter device. Note that a diffraction zone can also be formed without a sawtooth grating, or that the beam splitter device does not cover part of the cross section of the collimated x-ray beam in order to generate an undeflected partial beam.
  • the diffraction zones (deflection zones) each deflect a partial area of the cross section of the collimated laser beam in a different direction than the other diffraction zones.
  • the scope of the present invention also includes a method for laser welding a workpiece
  • the workpiece is welded with at least two partial beams leading in relation to the welding direction and one trailing partial beam, the leading partial beams each having a beam profile with a core zone and at least one ring zone that lies around the core zone, whereby the leading partial beams are lined up transversely to the welding direction,
  • an integrated laser power in the respective core zone is greater than an integrated laser power in the respective at least one ring zone
  • leading partial beams produce a weld on the workpiece, and the trailing partial beam a weld through.
  • the method according to the invention it is possible to weld a workpiece or its workpiece parts with a high seam quality both on the upper side of the workpiece and on the underside of the workpiece with a high feed rate (welding speed).
  • the waviness ("humping") and the formation of notches on the weld seam can be kept low (especially on the upper side, but also on the underside) and the formation of spatter can be kept low (especially on the underside, but also on the top).
  • a greater integrated laser power is applied to the core zone than to the at least one ring zone.
  • the limited power input in the ring zone is advantageous for the quality of the weld seam on the upper side, in particular the weld pool dynamics can be low as a result.
  • a sufficient welding depth can be guaranteed, also within the scope of the welding on the leading partial beam.
  • the power distribution between the core zone and the at least one (typically exactly one) ring zone can be selected specifically for a desired application.
  • the integrated laser power in a respective core zone is at least 60%, preferably at least 65%, particularly preferably at least 70%, and in the respective at least one ring zone at a maximum of 40%, preferably a maximum of 35%, particularly preferably a maximum 30%, each based on the total irradiated laser power of the partial beam.
  • the energy distribution between the leading partial beams (VT) and the trailing partial beam (NT) also lies between the leading partial beams (VT) and the trailing partial beam (NT)
  • a workpiece to be welded typically have a sheet thickness of 1 mm to 4 mm at the point of welding.
  • the partial beams with the core zone and the ring zone generally have a two-stage TopHat radiation profile.
  • the laser intensity is essentially homogeneous within a respective ring zone, for example in a range of +/- 20%, preferably +/- 10% around an average value of the laser intensity in the ring zone;
  • the laser intensity within a respective core zone is essentially homogeneous, for example in a range of +/- 40%, preferably +/- 20% around an average value of the laser intensity within the core zone (here the transitions between core zone and ring zone and between ring zone and Surroundings / possibly further ring zones in which the laser intensity changes "abruptly" but which only cover a small part of the irradiated area, typically less than 15%, preferably less than 10%, compared to the neighboring core zone o- the ring zone).
  • a first setting device can be used to set an energy distribution between the leading partial beams on the one hand and the trailing partial beam on the other hand, and that a second setting device can be used to set an energy distribution between the respective ring zones and the respective core zones.
  • This can be used to change the energy distribution on a particular workpiece as the welding progresses, in order to optimize welding during various stages of the welding process, for example to make welding different from welding while the laser beam is piercing the workpiece Operate weld seam.
  • the welding process can take place during welding a respective workpiece can be optimized with a control circuit with the setting devices, the welding being monitored with a sensor; for example, a specific (mean) melt pool size and / or a specific (approximately minimum) amplitude of a melt pool oscillation and / or a particular frequency of a melt pool oscillation can be adjusted.
  • workpieces of different workpiece types can be welded, the first setting device and the second setting device being set differently depending on the workpiece type.
  • a workpiece type to be welded that different energy distributions between the at least two leading partial beams and the trailing partial beam as well as different energy distributions between the respective ring zones and the respective core zones are tried out in test welds and the quality of the weld obtained is assessed in each case, especially with the inclusion of spatter formation during the
  • the method according to the invention can in particular run on an optical apparatus according to the invention described above.
  • the trailing partial beam also has a beam profile with a core zone and at least one ring zone which lies around the core zone. This makes it possible to generate the leading partial beams and the trailing partial beam in a simple manner from the same input laser beam, for example beam shaping by means of a Multiclad fiber is subjected. In addition, the quality of the underside of the seam can be positively influenced by this beam profile.
  • an input laser beam is fed into a first fiber end of a multiclad fiber with a core fiber and at least one ring fiber, whereby a laser beam is made available at a second fiber end of the multiclad fiber, from which a collimated laser beam is generated with collimating optics,
  • the desired beam profile for the leading partial beam and also for the trailing partial beam with core zone and ring zone can be generated in a simple manner from just one input beam (and accordingly with just one laser).
  • the ring zones of the leading partial beams each overlap with the ring zone of the trailing partial beam, but not with the core zone of the trailing partial beam.
  • the leading partial beams and the trailing partial beam as a whole form a coherent area on the workpiece that is illuminated by laser radiation. This reduces temperature gradients in the weld pool and thus reduces the melt pool dynamics.
  • the ring zones of the leading partial beams overlap in the direction transverse to the welding direction between the core zones. At least the leading partial beams then form a coherent area on the workpiece that is illuminated by laser radiation. Temperature gradients transverse to the feed direction, in particular in the melt pool, can thereby be reduced and the melt pool dynamics can be reduced overall.
  • the overlapping of the ring zones of the leading partial beams is set up so that the ring zone of one leading partial beam extends essentially to the core zone of the other leading partial beam, but not with the core zone of the other leading partial beam overlaps.
  • melt pool dynamics can be further reduced.
  • a variant is also preferred which provides that the following applies to a diameter DK of a respective core zone and a diameter DR of a respective annular zone on the workpiece:
  • the laser energy can be distributed over a sufficient area in the ring zones, and at the same time sufficient welding depths can be achieved, for which the laser power in the core zones is of particular importance.
  • a variant is also preferred in which the following applies to a diameter DK of a respective core zone and a diameter DR of a respective annular zone on the workpiece:
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment of an optical apparatus according to the invention
  • FIG. 2 shows, in a diagrammatic oblique view, a beam splitter device designed for the invention in the form of a wedge plate;
  • 3 shows a schematic oblique view of a beam splitter device designed as a diffractive optical element for the invention and a height diagram of the diffractive optical element;
  • FIG. 4 shows schematically a focus image of a first variant of a method according to the invention for laser welding a workpiece, the two leading partial beams and the trailing partial beam not overlapping;
  • FIG. 5 schematically shows a focus image of a second variant of a method according to the invention for laser welding a workpiece, the leading partial beams not overlapping one another, but with the trailing partial beam;
  • FIG. 6 schematically shows a focus image of a third variant of a method according to the invention for laser welding a workpiece, the leading partial beams not overlapping with one another but with the trailing partial beam;
  • Fig. 7 shows a schematic diagram of the energy distribution in the beam profile of a leading partial beam for the invention
  • FIG. 8 shows a schematic diagram of the course of a refractive index of a multiclad fiber for the invention along a cross section.
  • 1 shows an example of an optical apparatus 1 according to the invention for laser welding a workpiece 2 in a schematic diagram. Note that the left part of the optical apparatus 1 in FIG. 1 is shown here enlarged compared to the right part of the apparatus 1 for better understanding , and the enlargement transition lies in the area of the multiclad fiber 8 (cf. the dotted cone).
  • the optical apparatus 1 comprises a laser beam source 3 for providing a laser beam 4 which has a special beam profile, here with a core zone and a ring zone surrounding it.
  • the laser beam source 3 here comprises a solid-state laser 5, which provides an input laser beam 6 collimated here.
  • This input laser beam 6 is coupled into a first (input-side) fiber end 7 of a multiclad fiber 8.
  • the multiclad fiber 8 here has a core fiber 9 and a ring fiber 10 surrounding it; it should be noted that in other embodiments one or more further ring fibers can be provided which surround the ring fiber 10.
  • a wedge 11 made of a material that is transparent to the input laser beam 6, but refractive to light, protrudes into the input laser beam 6. As a result, part 12 of the input laser beam 6 is deflected.
  • the deflected part 12 and an undeflected remaining part 13 of the input laser beam 6 are here focused on the first fiber end 7 by a focusing lens 14, the deflected part 12 being coupled into the ring fiber 10 and the undeflected remaining part 13 into the core fiber 9.
  • the laser power of the coupled-in parts 12, 13 of the input laser beam 6 (depending on the laser modes and the length of the Multiclad fiber) is distributed essentially uniformly over the entire length of the multiclad fiber 8 (which is shown in abbreviated form in the schematic representation) Cross-section of core fiber 9 and ring fiber 10.
  • the laser beam 4 with a so-called two-stage top hat beam profile is made available at a second (output-side) fiber end 15 of the multiclad fiber 8 (see also below).
  • the profiled laser beam 4 made available by the laser beam source 3 at the second fiber end 15 is now collimated (parallelized) with collimation optics 16.
  • the collimation optics 16 is designed here with a collimation lens 17; in other embodiments, a combination of two crossed cylinder lens arrays can also be used, for example.
  • the collimated laser beam 18 is then split by a beam splitter device 19 into at least three partial beams 20a, 20b, namely two leading partial beams and one trailing partial beam (not all partial beams are directly visible in FIG. 1, see more on this below).
  • the beam splitter device 19 is designed here as a wedge plate 21 which has a plurality of deflection zones 22a, 22b, which are designed to be differently inclined.
  • the wedge plate 21 consists of a material which is transparent to the laser beam 18, but which refracts light.
  • the partial beams 20a, 20b are deflected in (slightly) different directions.
  • the partial beams 20a, 20b are then focused on the workpiece 2 by focusing optics 23, which are formed here with a focusing lens 24.
  • the beam spots 25a, 25b of the partial beams 25a, 25b are (slightly) shifted relative to one another due to the different deflection of the partial beams 20a, 20b at the beam splitter device 19.
  • the beam spots 25a, 25b each have the beam profile imprinted by the laser beam source 3 and in particular the multiclad fiber 8 there (cf. also the focus images below).
  • the wedge plate 21 can be moved by a mechanism not shown, preferably a motorized mechanism, here along an adjustment direction ER and a second direction R2 running perpendicular to the plane of the drawing; the adjustment direction ER and the second direction R2 both run transversely to the direction of propagation AR of the collimated laser beam 18 and also perpendicular to one another.
  • the proportions (energy proportions) of the partial beams 20a, 20b that are obtained from the collimated laser beam 18 can be changed.
  • the wedge plate 21 or the beam splitter device 19 including the further mechanism, not shown, is correspondingly referred to as a first adjustment device 26, with which a power distribution between the part beams 20a, 20b, and in particular between the leading partial beams on the one hand and the trailing partial beams on the other hand, can be set.
  • the wedge 11 can be moved along a first direction RI, which runs transversely to the direction of propagation AR of the input laser beam 6, by a further mechanism, preferably a motorized mechanism, not shown in detail. As a result, the proportions (energy proportions) of parts 12 and 13 of input laser beam 6 can be changed.
  • the wedge 11 including the mechanism not shown is correspondingly referred to as the second setting device 27, with which a power distribution between the core fiber 9 (or the core zone of the beam profile) and the ring fiber 10 (or the ring zone of the beam profile) can be set can.
  • FIG. 2 schematically shows an exemplary wedge plate 21 which, within the scope of the invention, can be used as a beam splitter device 19 for the collimated laser beam 18 (cf. the edge line drawn in dashed lines).
  • the wedge plate 21 here has three deflection zones 31, 32, 33 which are arranged around a center 34; the wedge plate 21 here has an essentially circular disk-shaped shape.
  • the underside of the wedge plate 21 is flat and perpendicular to the direction of propagation AR of the collimated laser beam 18 here.
  • the deflection zones 31, 32, 33 are formed with a different inclination or orientation with respect to the direction of propagation AR.
  • the deflection zone 31 occupies an angular interval of 180 ° around the center 34.
  • the upper side of the deflection zone 31 is aligned perpendicular to the direction of propagation AR / z direction (ie "without" inclination).
  • the portion of the collimated laser beam 18 that hits this deflection zone 31 is due to an approximately perpendicular impact through the upper side of the Wedge plate 21 not deflected. This portion forms the trailing partial beam.
  • the deflection zone 31 according to the invention even without material can be formed, so the associated portion of the collimated laser beam 18 passes the wedge plate 21 ("half element", not shown in detail).
  • the deflection zone 32 occupies an angular interval of 90 ° around the center 34.
  • the portion of the collimated laser beam 18 which strikes the deflection zone 32 is deflected on account of this inclination, and this portion forms a leading partial beam.
  • the deflection zone 33 also occupies an angular interval of 90 ° around the center 34.
  • the portion of the collimated laser beam 18 that hits the deflection zone 33 is deflected due to this inclination. This part forms a further leading partial beam.
  • the two leading partial beams each have a power share of 25% and the trailing partial beam a power share of Get 50% of the total laser power.
  • the wedge plate 21 can be moved from the centered position shown at least along the extension direction ER, which runs along the boundary 35 of the two deflection zones 32, 33. the.
  • the direction of extension ER runs parallel to the x direction.
  • the wedge plate 21 can also move from the position shown (and independently of the displacement along the direction of extension ER) in the second direction R2, which runs along a boundary 36 between the deflection zone 31 and the deflection zones 32, 33 will.
  • the second direction R2 runs parallel to the y-direction.
  • the different deflection effects of the deflection zones 31, 32, 33 of the wedge plate 21 are based on light refraction, and the wedge plate 21 is accordingly viewed as a refractive optical element 37.
  • a beam splitter device 19 with a diffractive optical element 40, cf. the schematic, exemplary illustration in FIG.
  • the diffractive, optical element 40 is made of a material that is transparent to the laser beam 18 but refractive. it in turn has a flat underside which is perpendicular to the direction of propagation AR.
  • the diffractive optical element 40 also forms deflection zones 31, 32, 33 which generate partial beams from the collimated laser beam 18 directed in different directions.
  • the different deflection effects of the deflection zones 31, 32, 33 are based essentially on a diffraction of the collimated laser beam 18, which is why the deflection zones 31, 32, 33 are also referred to as diffraction zones 41, 42, 43.
  • the laser beam 18 is not deflected in the diffraction zone 41, since there the diffractive optical element 40 is flat on its upper side (with constant local height h, that is, without a sawtooth grid).
  • the diffraction zone 41 can also be formed according to the invention without material, that is to say the associated portion of the collimated laser beam 18 runs past the diffractive optical element 40 (“half element”, not shown in detail).
  • a sawtooth grid with a locally variable height (or locally variable thickness of the diffractive optical element 40 in the direction of beam propagation AR) of the diffractive optical element 40 is set up, see the height profile below, in which the local height h (in the z-direction) is plotted against the location along the cutting direction a (cf. the dashed cutting plane A).
  • lines in the diffraction zone 42 indicate where the local height h is always the same and at a maximum. These lines are slightly inclined in relation to the y-direction (here by approx.
  • the diffraction zone 43 likewise has a sawtooth profile. This is inclined with its lines, which indicate the same and maximum, local height in relation to the y-direction opposite to the diffraction zone 42, here with its lines by about -15 ° compared to the y-direction, whereby a corresponding opposite light there Deflection of the laser beam 18 is generated.
  • FIGS. 4 to 6 show schematically exemplary focus images which can be used within the scope of the invention.
  • the focus images show the partial beams 20a-20c that hit the during laser beam welding Top side of the workpiece are directed and are focused on the workpiece or its surface by means of the focusing optics, at the location of the surface that corresponds to the plane of the drawing.
  • two leading partial beams 20b, 20c and one trailing partial beam 20a are used with respect to a given relative welding direction (advance direction) SR.
  • the leading partial beams 20b, 20c are arranged in a straight line with respect to a transverse direction QR; the transverse direction QR runs perpendicular to the welding direction SR.
  • all partial beams 20a, 20b, 20c are generated from the same input laser beam which has received a special beam profile by passing through a multiclad fiber; all partial beams 20a, 20b, 20c then also have this beam profile.
  • the beam profile here includes a core zone 50 within which there is an essentially constant power density LDK ("intensity") of laser radiation, and an annular zone 51 in which there is also an essentially constant power density LDR of laser radiation; further ring zones can be provided.
  • LDK essentially constant power density
  • the partial beams 20a, 20b, 20c basically pass through the same optical elements (in particular the focusing optics), so that the partial beams 20a, 20b, 20c on the workpiece have the same size.
  • the diameter DK of the core zone 50 and DR of the ring zone 51 can be measured on the workpiece (or on the upper side of the workpiece).
  • DK is between 200 mm and 600 mm, often around 300 mm.
  • DR is usually between 600 mm and 1800 mm, often around 700 mm.
  • laser power can be redistributed between core zone 50 and ring zone 51 for all partial beams 20a-20c; the laser power ILK (“integrated intensity”) integrated over the area of the core zone 50 is greater than the laser power ILR integrated over the area of the ring zone 51; ILK usually applies: ILR> 60:40 or even ILK: ILR> 70: 30.
  • the DR / DK ratio is usually £ 2 DR / DK £ 5, usually £ 3 DR / DK £ 4.
  • laser power can be redistributed between the entirety of the leading partial beams 20b, 20c on the one hand and the trailing partial beam 20a on the other hand; the laser power VT integrated over the area of all leading partial beams 20ba, 20c and the laser power NT integrated over the area of the trailing partial beam 20a are typically approximately the same; usually VT: NT £ 60: 40 and VT: NT> 40:60.
  • leading partial beams 20b, 20c With the leading partial beams 20b, 20c, the workpiece is melted from the top, whereby the molten pool area generated by the leading partial beams 20b, 20c does not extend to the underside of the workpiece ("weld-in”).
  • the trailing partial beam creates a melt pool area that extends to the underside of the workpiece ("weld-through”).
  • the ring zone 51 of the approaching partial beam 20a extends with respect to the welding direction SR up to between the ring zones 51 of the leading partial beams 20b, 20c.
  • this variant the addition of laser power from different partial beams is avoided. This can help keep the melt pool dynamics low, and especially spatter formation, especially on the top of the workpiece to avoid.
  • This variant is often preferred for smaller workpiece thicknesses, for example between 1 mm and 2.5 mm workpiece thickness.
  • Fig. 5 shows a variant in which the leading partial beams 20b, 20c again do not overlap.
  • the leading partial beams 20b, 20c here overlap in the overlap zones 52 with the trailing partial beam 20a in the area of the ring zones 51; however, the centers of the partial beams 20a, 20b and 20a, 20c are so far apart that in each case between the overlap zone 52 and the two core zones 50 of the partial beams 20a, 20b and 20a, 20c there are still residual areas 55 of non-overlapped annular zone 51.
  • the totality of the partial beams forms a coherent area illuminated by laser radiation. This can help to reduce temperature gradients in the weld pool and to reduce the waviness of the resulting weld seam or the formation of notches.
  • This variant is often preferred for medium workpiece thicknesses, for example between 2.5 mm and 3.2 mm workpiece thickness. 6 shows a variant in which the leading partial beams 20b, 20c overlap in the transverse direction QR in the area of the ring zones 51, but not with regard to the core zones 50, cf. the overlap zone 53. In the variant shown, however, the overlap zone 53 extends up to touching the core zones 50.
  • leading partial beams 20b, 20c overlap with the trailing partial beam 20a in the area of the ring zones 51.
  • a locally increased power density of the laser radiation can be achieved by adding the laser power of two partial beams over comparatively large areas and in the overlap area 54 even of three partial beams. This allows greater penetration into the workpiece can be achieved, in particular in the overlap area of the two leading partial beams. This facilitates welding through with the trailing partial beam and, in particular, makes it accessible even at higher welding speeds and / or with a greater workpiece thickness.
  • This variant is often preferred for larger workpiece thicknesses, for example between 3.2 mm and 4 mm workpiece thickness.
  • FIG. 7 illustrates by way of example the intensity profile 60 of a leading partial beam which can be applied to a workpiece in the context of a method according to the invention.
  • a corresponding intensity profile is usually also given in the case of the partial beam trailing on the workpiece.
  • the intensity profile 60 is here a two-stage top hat radiation profile; it can be generated by using a double clad fiber (see FIG. 8).
  • the intensity profile 60 has a core zone 50 within which there is a high, essentially constant intensity II of here approx. 2.1 W / cm 2 ; typically the intensity in the core zone 50 fluctuates by a maximum of 40%, preferably a maximum of 20%, around the mean intensity of the core zone 50.
  • the core zone 50 is surrounded by an annular zone 51, within which a lower, likewise essentially constant intensity 12 from here about 0.4 W / cm 2 is present;
  • the intensity in the ring zone 51 fluctuates by a maximum of 20% around the mean intensity of the ring zone 51.
  • the intensity drops sharply; the intensity there can also drop below 12.
  • transition area 62 from the ring zone 51 to the external environment, the intensity also drops sharply, here (in the absence of a further core zone) to zero.
  • the transition areas 61, 62 typically make up only small widths B1, B2 compared to the diameter DK of the core zone 50 or the width BR of the ring zone 51, for example with B1 £ 0.3 * DK or B1 £ 0.2 * DK, or . with B2 £ 0.3 * BR or B2 £ 0.2 * BR.
  • FIG. 8 illustrates in a schematic diagram, by way of example, the structure of a multiclad fiber 8 in the area of core fiber 9 and ring fiber 10 ("double clad fiber" or 2-in-1 fiber) for the invention; note that, as an alternative, a multiclad fiber Fibers with even more ring fibers can be used.
  • n for the wavelength used by the laser
  • nKR uniform refractive index
  • nMl is significantly smaller than nKR;
  • nM2 is again significantly smaller than nKR in order to bring about a total reflection of the laser radiation on the second cladding 71 as well
  • Variant is also nMl slightly lower than nM2.
  • the (outer) radius of the core fiber 9 is approximately 50 mm, and the outer radius of the ring fiber 10 is approximately 300 mm.

Abstract

Eine optische Apparatur (1) zum Laserschweißen eines Werkstücks (2), umfassend: - eine Laserstrahlquelle (3) zum Bereitstellen eines Laserstrahls (4), - eine Kollimationsoptik (16) zum Kollimieren des bereitgestellten Laserstrahls (4) der Laserstrahlquelle (3), - eine Strahlteiler-Einrichtung (19) zum Aufteilen des kollimierten Laserstrahls (18) auf mehrere Teilstrahlen (20a-20c), wobei die Strahlteiler-Einrichtung (19) eine erste Einstellvorrichtung (26) aufweist, mit der die Aufteilung des kollimierten Laserstrahls (18) auf die mehreren Teilstrahlen (20a-20c) variabel einstellbar ist, und - eine Fokussierungsoptik (23) zum Fokussieren der Teilstrahlen (20a-20c) auf das zu schweißende Werkstück (2), ist dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlquelle (3) eine Multiclad-Faser (8) mit einer Kernfaser (9) und zumindest einer Ringfaser (10) und eine zweite Einstellvorrichtung (27) umfasst, wobei mit der zweiten Einstellvorrichtung (27) ein Eingangslaserstrahl (6) an einem ersten Faserende (7) der Multiclad-Faser (8) auf die Kernfaser (9) und die zumindest eine Ringfaser (10) variabel aufteilbar ist, und wobei ein zweites Faserende (15) der Multiclad-Faser (8) den Laserstrahl (4) für die Kollimationsoptik (16) bereitstellt, und dass die Strahlteiler-Einrichtung (19) dazu ausgebildet ist, den kollimierten Laserstrahl (18) auf wenigstens zwei bezüglich einer vorgesehenen Schweißrichtung (SR) vorauslaufende Teilstrahlen (20b, 20c) und einen nachlaufenden Teilstrahl (20a) aufzuteilen, wobei die vorauslaufenden Teilstrahlen (20b, 20c) quer zur vorgesehenen Schweißrichtung (SR) aufgereiht sind, und wobei mit der ersten Einstellvorrichtung (26) eine Einstellung der Energieverteilung zwischen den wenigstens zwei vorauslaufenden Teilstrahlen (20b, 20c) einerseits und dem nachlaufenden Teilstrahl (20a) andererseits erfolgen kann. Die Erfindung ermöglicht eine gute Qualität von Schweißnähten bei höherer Vorschubgeschwindigkeit, insbesondere für ein Laserschweißen in Durchschweißung.

Description

OPTISCHE APPARATUR UND VERFAHREN ZUM LASERSCHWEISSEN EINES WERKSTÜCKS, MIT MEHREREN TEILSTRAHLEN, DIE IM STRAHLPROFIL EINE
KERNZONE UND EINE RINGZONE AUFWEISEN
Die Erfindung betrifft eine optische Apparatur zum Laserschweißen eines Werk- Stücks, umfassend
- eine Laserstrahlquelle zum Bereitstellen eines Laserstrahls,
- eine Kollimationsoptik zum Kollimieren des bereitgestellten Laserstrahls der Laserstrahlquelle,
- eine Strahlteiler-Einrichtung zum Aufteilen des kollimierten Laserstrahls auf mehrere Teilstrahlen, wobei die Strahlteiler-Einrichtung eine erste Einstellvor richtung aufweist, mit der die Aufteilung des kollimierten Laserstrahls auf die mehreren Teilstrahlen variabel einstellbar ist, und
- eine Fokussierungsoptik zum Fokussieren der Teilstrahlen auf das zu schwei ßende Werkstück. Eine solche optische Apparatur ist aus der DE 102 61 422 A1 bekannt geworden.
Mittels Laserschweißen (auch genannt Laserstrahlschweißen) können Werkstü- cke mit vergleichsweise hoher Schweißgeschwindigkeit (Vorschubgeschwindigkeit) und geringem thermischen Verzug gefertigt werden.
Beim Laserschweißen sollte auch eine gute Qualität der Schweißnaht sichergestellt werden. Während des Schweißprozesses kann es zu einer unerwünschten Spritzerbildung an der Schweißnaht kommen; ebenso kann die erzeugte
Schweißnaht eine unerwünschte Welligkeit („Humping") oder unerwünschte Randkerben aufweisen, und insgesamt nicht die gewünschte mechanische Festigkeit erreichen. Dadurch wird in der Regel die Produktivität (Schweißgeschwindigkeit) beim Laserschweißen begrenzt.
Aus der DE 102 61 422 A1 ist es bekannt geworden, einen Laserstrahl für das Laserschweißen auf zwei Teilstrahlen aufzuteilen, wobei einer der Teilstrahlen dem anderen Teilstrahl bezüglich der Schweißrichtung vorauseilt. Dabei wird ein Laserstrahl kollimiert und mittels eines quer zur Strahlrichtung verschiebbaren Prismas aufgeteilt. Einer der Teilstrahlen passiert eine Spotvariationslinse, und beide Teilstrahlen passieren eine Fokussierlinse. Dadurch sollen Schweißungen mit verbesserter Qualität erreicht werden.
Das Aufteilen eines Laserstrahls auf mehrere Teilstrahlen beim Laserschweißen ist beispielsweise auch aus der der DE 10 2015 112 537 A1, der WO
2018/099851 A1, der der DE 10 2016 105 214 A1, der DE 10 2017 208 979 A1 oder der US 2018/0185960 A1 bekannt geworden.
Aus der DE 10 2010 003 750 A1 ist es bekannt geworden, die Strahlprofilcharakteristik eines Laserstrahls mit einer Multiclad-Faser einzustellen. Dabei kann insbesondere ein ursprünglicher Laserstrahl mit einem ersten Anteil in eine Kernfaser und mit einem zweiten Anteil in eine die Kernfaser umgebende Ringfaser eingekoppelt werden. Multiclad-Fasern sind beispielsweise auch aus der US 2002/0172485 A1 oder der US 2006/0263024 A1 bekannt geworden.
Die WO 2016/205805 A1 beschreibt Systeme zum Laserschweißen, bei denen mehrere Laserfasern für mehrere Laserstrahlen eingesetzt werden können, und wobei diffraktive optische Elemente zur Strahlformung vorgeschlagen werden.
Wird das Laserschweißen als Durchschweißung betrieben, so dass das Material des zu schweißenden Werkstücks bis zur Unterseite des Werkstücks, die der Einstrahlseite des Laserstrahls gegenüber liegt, aufschmilzt, so muss eine gute Qualität der Schweißnaht sowohl bezüglich der Oberseite als auch der Unterseite des Werkstücks erreicht werden, etwa bezüglich Spritzerbildung oder Welligkeit. Aufgabe der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gute Qualität von Schweißnähten bei höherer Vorschubgeschwindigkeit zu ermöglichen, insbesondere für ein Laserschweißen in Durchschweißung.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine optische Apparatur der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist,
dass die Laserstrahlquelle eine Multiclad-Faser mit einer Kernfaser und zumindest einer Ringfaser und eine zweite Einstellvorrichtung umfasst, wobei mit der zweiten Einstellvorrichtung ein Eingangslaserstrahl an einem ersten Faserende der Multiclad-Faser auf die Kernfaser und die zumindest eine Ringfaser variabel aufteilbar ist, und wobei ein zweites Faserende der Multiclad-Faser den Laser- strahl für die Kollimationsoptik bereitstellt,
und dass die Strahlteiler-Einrichtung dazu ausgebildet ist, den kollimierten Laserstrahl auf wenigstens zwei bezüglich einer vorgesehenen Schweißrichtung vorauslaufende Teilstrahlen und einen nachlaufenden Teilstrahl aufzuteilen, wobei die vorauslaufenden Teilstrahlen quer zur vorgesehenen Schweißrichtung aufgereiht sind,
und wobei mit der ersten Einstellvorrichtung eine Einstellung der Energievertei lung zwischen den wenigstens zwei vorauslaufenden Teilstrahlen einerseits und dem nachlaufenden Teilstrahl andererseits erfolgen kann.
Gemäß der Erfindung kann das Laserschweißen mit (wenigstens) zwei voraus laufenden (vorderen) Teilstrahlen und einem nachlaufenden (hinteren) Teil strahl betrieben werden. Dabei kann die Energieverteilung zwischen den vo rauslaufenden Teilstrahlen und dem nachlaufenden Teilstrahl mit der ersten Ein- Stellvorrichtung gezielt eingestellt werden. Durch den Einsatz der Multiclad-Fa- ser kann ein Strahlprofil am zu schweißenden Werkstück mit einer Kernzone (aus der Kernfaser) und wenigstens einer Ringzone (aus der wenigstens einen Ringfaser) für die jeweiligen Teilstrahlen erhalten werden. Mittels der zweiten Einstellvorrichtung kann die Energieverteilung zwischen der Kernzone und der Ringzone gezielt eingestellt werden. Durch diese Freiheitsgrade ist es möglich, den Laserschweißprozess zu optimieren, insbesondere für ein Laserschweißen in Durchschweißung des Werkstücks bzw. der zu verbindenden Werkstückteile.
Im Rahmen der Erfindung wird lediglich ein Laser benötigt, der den Eingangsla- serstrahl erzeugt, was baulich besonders einfach ist. Mit der optischen Appara tur können mittels der Strahlteiler-Einrichtung (wenigstens) drei Kopien des durch die Multiclad-Faser profilierten Laserstrahls erhalten werden.
Im Rahmen der Erfindung kann mit den vorauslaufenden Teilstrahlen eine Ein- schweißung an der Oberseite des Werkstücks betrieben werden. Durch das an den vorderen Teilstrahlen mittels der Multiclad-Faser jeweils eingerichtete Strahl profil kann dabei eine besonders gute Qualität an der Nahtoberseite er reicht werden. Insbesondere kann die Laserleistung der vorauslaufenden Teil strahlen durch deren Aufreihung quer zur Vorschubrichtung (Schweißrichtung) und das Strahl profil über eine vergleichsweise große Fläche bzw. Breite verteilt werden. Mit dem nachlaufenden Teilstrahl kann die Durchschweißung betrieben werden. Durch die Vorbereitung des Werkstücks mittels der vorauslaufenden Teilstrahlen kann dabei eine gute Nahtqualität auch an der Unterseite des Werkstücks erhalten werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann, verglichen mit einem Laserschweißen mit einem einfachen vorauslaufenden Teilstrahl und ohne Einrichtung des erfindungsgemäßen Strahlprofils, eine höhere Vorschubgeschwindigkeit er- reicht werden, ohne dass ein relevantes Humping oder eine relevante Kerbenbildung (insbesondere an der Nahtoberseite, aber auch an der Unterseite) und ohne dass eine relevante Spritzerbildung (insbesondere an der Nahtunterseite, aber auch an der Oberseite) auftritt. Typischerweise ist die Multiclad-Faser als 2inl-Faser ausgebildet, also mit Kernfaser und genau einer Ringfaser. Weiterhin erfolgt die Aufteilung des kollimierten Laserstrahls typischerweise auf genau zwei vorauslaufende Teilstrahlen und einen nachlaufenden Teilstrahl. Die zweite Einstellvorrichtung kann beispielsweise den Eingangslaserstrahl relativ zum ersten Faserende quer zur Strahlausbreitungsrichtung verschieben, o- der auch eine Fokussierung des Eingangsstrahls so verändern, dass sich die Weite des Eingangsstrahls am ersten Faserende verändert, vgl. hierzu die DE 10 2010 003 750 A1.
Der Eingangslaserstrahl wird bevorzugt durch einen Festkörperlaser erzeugt.
Bevorzugte Ausführungsformen Bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen optische Apparatur, die vorsieht, dass die Strahlteiler-Einrichtung für jeden Teilstrahl eine Ablenkungszone ausbildet, und dass mit der ersten Einstellvorrichtung die Strahlteiler-Einrichtung in wenigstens einer Einstellrichtung quer zu einer Strahlausbreitungsrichtung des kollimierten Laserstrahls verfahrbar ist, wobei die Ener- gieverteilung zwischen den Teilstrahlen über den Überlapp des kollimierten Laserstrahls mit den jeweiligen Ablenkungszonen eingestellt werden kann. Solche Strahlteiler-Einrichtungen sind baulich einfach und auch einfach in der Handhabung. Die Ablenkungszonen lenken jeweils eine Teilfläche des Querschnitts des kollimierten Laserstrahls in eine andere Richtung ab als die übrigen Ablenkungszonen (entsprechend kann eine Ablenkungszone den kollimierten Laserstrahl unabgelenkt passieren lassen).
Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass die Ablenkungszonen für die Teilstrahlen um ein gemeinsames Zentrum angeordnet sind,
insbesondere wobei eine Ablenkungszone für den nachlaufenden Teilstrahl ein Winkel Intervall von 180° um das gemeinsame Zentrum einnimmt,
und zwei Ablenkungszonen für genau zwei vorauslaufende Teilstrahlen jeweils 90° um das gemeinsame Zentrum einnehmen, und die Einstellrichtung entlang einer Grenze der zwei Ablenkungszonen für die zwei vorauslaufenden Teilstrahlen verläuft. Mit dieser Bauform kann auf einfache Weise bezüglich der vorauslaufenden Teilstrahlen eine gleichmäßige Aufteilung auf zwei Teilstrahlen erfol- gen, und gleichzeitig zwischen der Gesamtheit der vorauslaufenden Teilstrahlen einerseits und dem nachlaufenden Teilstrahl andererseits eine variable Energieaufteilung erfolgen. Der auf das gemeinsame Zentrum ausgerichtete kollimierte Laserstrahl erreicht eine Gleichverteilung der Energie auf die Gesamtheit der vorauslaufenden Teilstrahlen einerseits und den nachlaufenden Teilstrahl ande- rerseits. Die Strahlteiler-Einrichtung kann relativ zum kollimierten Laserstrahl entlang der Einstrahlrichtung auf die Ablenkungszonen für die vorauslaufenden Teilstrahlen zu verfahren werden, um einen Energieanteil größer 50% für die vorauslaufenden Teilstrahlen zu erhalten, oder auf die Ablenkungszone für den nachlaufenden Teilstrahl zu verfahren werden, um einen Energieanteil größer 50% für den nachlaufenden Teilstrahl zu erhalten.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Strahlteiler-Einrichtung mit einem refraktiven optischen Element ausgebildet ist, insbesondere wobei die Strahlteiler-Einrichtung eine Keilplatte ausbildet, die mehrere Ablenkungszonen aufweist, die gegenüber einer Strahlausbreitungsrichtung des kollimierten Laserstrahls eine Neigung ausbilden und die bezüglich der Strahlausbreitungsrichtung eine unterschiedliche Orientierung aufweisen. Eine solche Strahlteiler-Einrichtung ist einfach im Aufbau und intuitiv in der Handhabung. Man beachte, dass eine Ablenkungszone einer Keil platte auch ohne Neigung zur Strahlausbreitungsrichtung ausgebildet sein kann, oder die Keilplatte einen Teil des Querschnitts des kollimierten Röntgenstrahls nicht abdeckt, um einen unabgelenkten Teilstrahl zu erzeugen.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Strahlteiler-Einrichtung mit einem diffraktiven optischen Element ausgebildet,
insbesondere wobei die Strahlteiler-Einrichtung mehrere Beugungszonen aufweist, die Sägezahngitter ausbilden, wobei die Sägezahngitter eine unterschied- liehe Orientierung bezüglich einer Strahlausbreitungsrichtung des kollimierten Laserstrahls aufweisen und/oder einen unterschiedlichen Aufbau aufweisen. Das diffraktive optische Element ist einfach herzustellen, und kann vergleichsweise kompakt ausgebildet werden. Das Sägezahngitter wird durch eine Oberfläche der Strahlteiler-Einrichtung als Höhenprofil (Dickenprofil) ausgebildet. Man be- achte, dass eine Beugungszone auch ohne Sägezahngitter ausgebildet sein kann, oder die Strahlteiler-Einrichtung einen Teil des Querschnitts des kollimierten Röntgenstrahls nicht abdeckt, um einen unabgelenkten Teilstrahl zu erzeugen. Die Beugungszonen (Ablenkungszonen) lenken jeweils eine Teilfläche des Querschnitts des kollimierten Laserstrahls in eine andere Richtung ab als die übrigen Beugungszonen.
Erfindungsgemäßes Verfahren zum Laserschweißen
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Verfahren zum Laser- schweißen eines Werkstücks,
wobei ein Werkstück mittels mehrerer Teilstrahlen entlang einer Schweißrichtung geschweißt wird,
das dadurch gekennzeichnet ist,
dass das Werkstück mit wenigstens zwei bezüglich der Schweißrichtung voraus- laufenden Teilstrahlen und einem nachlaufenden Teilstrahl geschweißt wird, wobei die vorauslaufenden Teilstrahlen jeweils ein Strahl profil mit einer Kernzone und wenigstens einer Ringzone aufweisen, die um die Kernzone liegt, wobei die vorauslaufenden Teilstrahlen quer zur Schweißrichtung aufgereiht sind,
und wobei bei den vorauslaufenden Teilstrahlen eine integrierte Laserleistung in der jeweiligen Kernzone größer ist als eine integrierte Laserleistung in der je- welligen wenigstens einen Ringzone,
und dass die vorauslaufenden Teilstrahlen am Werkstück eine Einschweißung erzeugen, und der nachlaufende Teilstrahl eine Durchschweißung.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, ein Werkstück bzw. des- sen Werkstückteile mit einer hohen Nahtqualität sowohl an der Oberseite des Werkstücks als auch an der Unterseite des Werkstücks mit einer hohen Vorschubgeschwindigkeit (Schweißgeschwindigkeit) in Durchschweißung zu schweißen. Insbesondere kann die Welligkeit („Humping") und die Kerbenbildung an der Schweißnaht niedrig gehalten werden (insbesondere an der Oberseite, aber auch an der Unterseite) und die Spritzerbildung gering gehalten werden (insbesondere an der Unterseite, aber auch an der Oberseite).
Im Rahmen der Erfindung entfällt bei einem jeweiligen (vorauslaufenden) Teilstrahl auf die Kernzone eine größere integrierte Laserleistung als auf die we- nigstens eine Ringzone. Der begrenzte Leistungseintrag in der Ringzone ist vorteilhaft für die Qualität der Schweißnaht an der Oberseite, insbesondere kann dadurch die Schweißbaddynamik gering werden. Mittels der Kernzone kann eine ausreichende Schweißtiefe, auch im Rahmen der Einschweißung am vorauslaufenden Teilstrahl, gewährleistet werden.
Die Leistungsverteilung zwischen der Kernzone und der wenigstens einen (typischerweise genau einen) Ringzone kann spezifisch für eine gewünschte Anwendung gewählt werden. Beispielsweise liegt bei einem Teilstrahl die integrierte Laserleistung in einer jeweiligen Kernzone bei wenigstens 60%, bevorzugt we- nigstens 65%, besonders bevorzugt wenigstens 70%, und in der jeweiligen wenigstens einen Ringzone bei maximal 40%, bevorzugt maximal 35%, besonders bevorzugt maximal 30%, jeweils bezogen auf die gesamte eingestrahlte Laserleistung des Teilstrahls. Typischerweise liegt zudem die Energieverteilung zwischen den vorauslaufenden Teilstrahlen (VT) und dem nachlaufenden Teilstrahl (NT) zwischen
40%VT/60%NT und 60%VT/40%NT. Ein zu schweißendes Werkstück (bzw. zwei zu verschweißende Teilwerkstücke des Werkstücks) haben typischerweise am Ort der Verschweißung eine Blechdicke von 1 mm bis 4 mm.
Die Teilstrahlen mit Kernzone und die Ringzone weisen im Allgemeinen ein zweistufiges TopHat Strahlungsprofil auf. Dabei ist die Laserintensität innerhalb einer jeweiligen Ringzone im Wesentlichen homogen, beispielsweise in einem Bereich von +/- 20 %, bevorzugt +/- 10% um einen Mittelwert der Laserintensität in der Ringzone; ebenso ist die Laserintensität innerhalb einer jeweiligen Kernzone im Wesentlichen homogen, beispielsweise in einem Bereich von +/- 40%, bevorzugt +/- 20% um einem Mittelwert der Laserintensität innerhalb der Kernzone (hierbei können die Übergänge zwischen Kernzone und Ringzone und zwischen Ringzone und Umgebung/ggf. weitere Ringzone außer Betracht bleiben, in denen die Laserintensität sich„sprunghaft" verändert, die aber nur einen geringen Teil der bestrahlten Fläche, typischerweise jeweils weniger als 15%, bevorzugt weniger als 10%, im Vergleich zur benachbarten Kernzone o- der Ringzone ausmachen).
Typischerweise ist vorgesehen, dass mit einer ersten Einstellvorrichtung eine Einstellung einer Energieverteilung zwischen den vorauslaufenden Teilstrahlen einerseits und dem nachlaufenden Teilstrahl andererseits erfolgen kann, und dass mit einer zweiten Einstellvorrichtung eine Einstellung einer Energieverteilung zwischen den jeweiligen Ringzonen und den jeweiligen Kernzonen erfolgen kann.
Dies kann dazu genutzt werden, während des Schweißfortschritts an einem je- welligen Werkstück die Energieverteilungen zu verändern, um das Schweißen während verschiedener Stadien des Schweißprozesses zu optimieren, beispielsweise um das Schweißen während des Einstechens des Laserstrahls in das Werkstück unterschiedlich zum Schweißen während des Abfahrens der Schweißnaht zu betreiben. Ebenso kann der Schweißprozess während des Schweißens eines jeweiligen Werkstücks mit einem Regelkreis mit den Einstellvorrichtungen optimiert werden, wobei das Schweißen mit einem Sensor überwacht wird; beispielsweise kann auf eine bestimmte (mittlere) Schmelzbadgröße und/oder auf eine bestimmte (etwa minimale) Amplitude einer Schmelzbadoszillation und/o- der eine bestimmte Frequenz einer Schmelzbadoszillation eingeregelt werden.
Weiterhin können Werkstücke unterschiedlicher Werkstücktypen geschweißt werden, wobei je nach Werkstücktyp die erste Einstellvorrichtung und die zweite Einstellvorrichtung unterschiedlich eingestellt werden. Dafür ist es mög- lieh, dass für einen zu schweißenden Werkstücktyp verschiedene Energieverteilungen zwischen den wenigstens zwei vorauslaufenden Teilstrahlen und dem nachlaufenden Teilstrahl sowie verschiedene Energieverteilungen zwischen den jeweiligen Ringzonen und den jeweiligen Kernzonen in Testschweißungen ausprobiert werden und jeweils die Qualität der erhaltenen Verschweißung beurteilt wird, insbesondere unter Einbeziehung von Spritzerbildung während des
Schweißens und der Welligkeit und/oder Kerbenhäufigkeit der erhaltenen Schweißnaht und unter Berücksichtigung von Oberseite und Unterseite, und dass anhand der Testschweißungen ein Satz von optimalen Energieverteilungen für den Werkstücktyp bestimmt wird, insbesondere wobei dann eine Vielzahl von Werkstücken dieses Werkstücktyps mit dem Satz von optimalen Energieverteilungen geschweißt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere auf einer oben beschriebenen, erfindungsgemäßen optischen Apparatur ablaufen.
Bevorzugte Verfahrensvarianten
Bei einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserschweißen eines Werkstücks ist vorgesehen, dass auch der nachlaufende Teil- strahl ein Strahl profil mit einer Kernzone und wenigstens einer Ringzone aufweist, die um die Kernzone liegt. Dies ermöglicht es, die vorauslaufenden Teilstrahlen und den nachlaufenden Teilstrahl auf einfache Weise aus demselben Eingangslaserstrahl zu erzeugen, der etwa einer Strahlformung mittels einer Multiclad-Faser unterzogen wird. Zudem kann durch dieses Strahl profil auch die Qualität der Nahtunterseite günstig beeinflusst werden.
Bevorzugt ist eine Weiterentwicklung dieser Variante, die vorsieht,
dass ein Eingangslaserstrahl in ein erstes Faserende einer Multiclad-Faser mit einer Kernfaser und wenigstens einer Ringfaser eingespeist wird, wodurch an einem zweiten Faserende der Multiclad-Faser ein Laserstrahl zur Verfügung gestellt wird, aus dem mit einer Kollimationsoptik ein kollimierter Laserstrahl erzeugt wird,
dass mittels einer Strahlteiler-Einrichtung aus dem kollimierten Laserstrahl die wenigstens zwei vorauslaufenden Teilstrahlen und der nachlaufende Teilstrahl erzeugt werden,
und dass mittels einer Fokussierungsoptik die Teilstrahlen auf das Werkstück fokussiert werden. Dadurch kann das gewünschte Strahlprofil für die vorauslau- fenden Teilstrahl und auch für den nachlaufenden Teilstrahl mit Kernzone und Ringzone auf einfache Weise aus nur einem Eingangsstrahl (und entsprechend mit nur einem Laser) erzeugt werden.
Bei einer vorteilhaften Variante ist vorgesehen, dass am Werkstück die Ringzo- nen der vorauslaufenden Teilstrahlen jeweils mit der Ringzone des nachlaufenden Teilstrahls überlappen, nicht jedoch mit der Kernzone des nachlaufenden Teilstrahls. Entsprechend bilden die vorauslaufenden Teilstrahlen und der nachlaufende Teilstrahl insgesamt einen zusammenhängenden, von Laserstrahlung beleuchteten Bereich auf dem Werkstück aus. Dies reduziert Temperaturgradi- enten im Schmelzbad und reduziert somit die Schmelzbaddynamik.
Bei einer bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass am Werkstück die Ringzonen der vorauslaufenden Teilstrahlen in der Richtung quer zur Schweißrichtung zwischen den Kernzonen überlappen. Zumindest die vorauslaufenden Teilstrah- len bilden dann einen zusammenhängenden, von Laserstrahlung beleuchteten Bereich auf dem Werkstück. Temperaturgradienten quer zur Vorschubrichtung, insbesondere im Schmelzbad, können dadurch reduziert werden, und die Schmelzbaddynamik insgesamt reduziert werden. Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung dieser Variante ist vorgesehen, dass die Überlappung der Ringzonen der vorauslaufenden Teilstrahlen so eingerichtet ist, dass die Ringzone des jeweils einen vorauslaufenden Teilstrahls im Wesentlichen bis an die Kernzone des jeweils anderen vorauslaufenden Teilstrahls reicht, nicht jedoch mit der Kernzone des jeweils anderen vorauslaufenden Teilstrahls überlappt. Dies verringert Temperaturgradienten im Schmelzbad weiter, und vermeidet insbesondere lokal besonders hohe Leistungseinträge. Die Schmelzbaddynamik kann weiter reduziert werden. Bevorzugt ist weiter eine Variante, die vorsieht, dass am Werkstück für einen Durchmesser DK einer jeweiligen Kernzone und einen Durchmesser DR einer jeweiligen Ringzone gilt:
2*DK £ DR £ 5*DK,
bevorzugt 2,5*DK £ DR £ 4,5*DK,
besonders bevorzugt 3*DK £ DR £ 4*DK. Mit diesen Größenverhältnissen haben sich besonders gute Schweißnahtqualitäten ergeben. Die Laserenergie kann in den Ringzonen über eine ausreichende Fläche verteilt werden, und gleichzeitig können ausreichende Schweißtiefen erreicht werden, für die die Laserleistung in den Kernzonen von besonderer Bedeutung ist.
Ebenso bevorzugt ist eine Variante, bei der am Werkstück für einen Durchmesser DK einer jeweiligen Kernzone und einen Durchmesser DR einer jeweiligen Ringzone gilt:
200mm £ DK £ 600mm und 600mm £ DR £ 1800mm,
bevorzugt
225mm £ DK £ 500mm und 750mm £ DR £ 1500mm,
ganz besonders bevorzugt
250mm £ DK £ 400mm und 900mm £ DR £ 1500mm. Mit diesen Größenverhältnissen haben sich wiederum besonders gute Schweißnahtqualitäten ergeben, insbesondere bei zu schweißenden Blechdicken von 1 mm bis 4 mm.
In den Rahmen der Erfindung fällt auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen, oben beschriebenen optischen Apparatur in einem erfindungsgemäßen, oben beschriebenen Verfahren. Dadurch ist eine Laserschweißung mit guter Schweißnahtqualität und hoher Produktivität (Vorschubgeschwindigkeit) möglich, wobei die Leistungsverteilung zwischen den vorauslaufenden Teilstrahlen und dem nachlaufenden Teilstrahl sowie zwischen der wenigstens einen Ring- zone/Ringfaser und der Kernzone/Kernfaser flexibel angepasst werden kann, um den Laserschweißprozess zu optimieren.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aus- geführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Apparatur;
Fig. 2 zeigt in schematischer Schrägansicht eine Keilplatte ausgebildete Strahlteiler-Einrichtung für die Erfindung; Fig. 3 zeigt in schematischer Schrägansicht eine als diffraktives optisches Element ausgebildete Strahlteiler-Einrichtung für die Erfindung sowie ein Höhendiagramm des diffraktiven optischen Elements;
Fig. 4 zeigt schematisch ein Fokusbild einer ersten Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserschweißen eines Werkstücks, wobei die beiden vorauslaufenden Teilstrahlen und der nachlaufende Teilstrahl nicht überlappen;
Fig. 5 zeigt schematisch ein Fokusbild einer zweiten Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserschweißen eines Werkstücks, wobei die vorauslaufenden Teilstrahlen nicht untereinander, aber mit dem nachlaufenden Teilstrahl überlappen;
Fig. 6 zeigt schematisch ein Fokusbild einer dritten Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserschweißen eines Werkstücks, wobei die vorauslaufenden Teilstrahlen nicht untereinander, aber mit dem nachlaufenden Teilstrahl überlappen;
Fig. 7 zeigt ein Schemadiagramm der Energieverteilung im Strahl profil eines vorauslaufenden Teilstrahls für die Erfindung;
Fig. 8 zeigt ein Schemadiagramm des Verlaufs eines Brechungsindex einer Multiclad-Faser für die Erfindung entlang eines Querschnitts. Die Fig. 1 zeigt in einer Schemadarstellung beispielhaft eine erfindungsgemäße optischen Apparatur 1 zum Laserschweißen eines Werkstücks 2. Man beachte, dass der in der Fig. 1 linke Teil der optischen Apparatur 1 hier zum besseren Verständnis vergrößert gegenüber dem rechten Teil der Apparatur 1 dargestellt ist, und der Vergrößerungsübergang im Bereich der Multiclad-Faser 8 liegt (vgl. der gepunktete Konus).
Die optische Apparatur 1 umfasst eine Laserstrahlquelle 3 zum Bereitstellen ei- nes Laserstrahls 4, der ein besonderes Strahl profil aufweist, hier mit einer Kernzone und einer diese umgebende Ringzone.
Dafür umfasst die Laserstrahlquelle 3 hier einen Festkörperlaser 5, der einen hier kollimierten Eingangslaserstrahl 6 zur Verfügung stellt. Dieser Eingangsla- serstrahl 6 wird in ein erstes (eingangsseitiges) Faserende 7 einer Multiclad-Faser 8 eingekoppelt. Die Multiclad-Faser 8 weist hier eine Kernfaser 9 und eine diese umgebende Ringfaser 10 auf; man beachte, dass in anderen Ausführungsformen noch eine oder mehrere weitere Ringfasern vorgesehen sein können, die die Ringfaser 10 umgeben. In den Eingangslaserstrahl 6 ragt hier ein Keil 11 aus einem für den Eingangslaserstrahl 6 transparenten, aber lichtbrechenden Material. Dadurch wird ein Teil 12 des Eingangslaserstrahls 6 abgelenkt. Der abgelenkte Teil 12 und ein unabgelenkter übriger Teil 13 des Eingangslaserstrahls 6 werden hier durch eine Fokussierlinse 14 auf das erste Faserende 7 fokussiert, wobei der abgelenkte Teil 12 in die Ringfaser 10 und der nichtabgelenkte, übrige Teil 13 in die Kernfaser 9 eingekoppelt wird.
Über die Länge der Multiclad-Faser 8 (die in der schematischen Darstellung verkürzt dargestellt ist) verteilt sich die Laserleistung der eingekoppelten Teile 12, 13 des Eingangslaserstrahls 6 (abhängig von den Lasermoden und der Länge der Multiclad-Faser) im Wesentlichen gleichmäßig auf den gesamten Querschnitt von Kernfaser 9 und Ringfaser 10. Dadurch wird an einem zweiten (ausgangsseitigen) Faserende 15 der Multiclad-Faser 8 der Laserstrahl 4 mit einem so genannten zweistufigen Top-Hat-Strahlprofil zur Verfügung gestellt (vgl. hierzu auch weiter unten). Der am zweiten Faserende 15 von der Laserstrahlquelle 3 zur Verfügung gestellte, profilierte Laserstrahl 4 wird nun mit einer Kollimationsoptik 16 kolli- miert (parallelisiert). Die Kollimationsoptik 16 ist hier mit einem Kollimations- linse 17 ausgebildet; in anderen Ausführungsformen kann beispielsweise auch eine Kombination von zwei gekreuzten Zylinderlinsenarrays eingesetzt werden. Der kollimierte Laserstrahl 18 wird dann von einer Strahlteiler-Einrichtung 19 auf wenigstens drei Teilstrahlen 20a, 20b aufgeteilt, nämlich zwei vorauslaufende Teilstrahlen und einen nachlaufenden Teilstrahl (in Fig. 1 sind nicht alle Teilstrahlen direkt ersichtlich, siehe dazu unten mehr). Die Strahlteiler-Einrichtung 19 ist hier als eine Keil platte 21 ausgebildet, die mehrere Ablenkungszonen 22a, 22b aufweist, die unterschiedlich geneigt ausgebildet sind. Die Keilplatte 21 besteht aus für den Laserstrahl 18 transparentem, aber lichtbrechendem Material. Entsprechend werden die Teilstrahlen 20a, 20b in (geringfügig) unterschiedliche Richtungen abgelenkt. Die Teilstrahlen 20a, 20b werden dann von einer Fokussierungsoptik 23, die hier mit einer Fokussierlinse 24 ausgebildet ist, auf das Werkstück 2 fokussiert. Die Strahlflecken 25a, 25b der Teilstrahlen 25a, 25b sind durch die unterschiedliche Ablenkung der Teilstrahlen 20a, 20b an der Strahlteiler-Einrichtung 19 (geringfügig) gegeneinander ver- schoben. Die Strahlflecken 25a, 25b weisen jeweils das durch die Laserstrahlquelle 3 und insbesondere die dortige Multiclad-Faser 8 aufgeprägtes Strahl profil auf (vgl. hierzu auch die Fokusbilder unten).
Die Keilplatte 21 ist durch einen nicht näher dargestellten Mechanismus, bevor- zugt motorisierten Mechanismus, entlang hier einer Einstellrichtung ER und einer senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden zweiten Richtung R2 verfahrbar; die Einstellrichtung ER und die zweite Richtung R2 verlaufen beide quer zur Ausbreitungsrichtung AR des kollimierten Laserstrahls 18 und zudem senkrecht zueinander. Dadurch können die Anteile (Energieanteile) der Teilstrahlen 20a, 20b, die aus dem kollimierten Laserstrahl 18 erhalten werden, verändert werden. Die Keil platte 21 bzw. die Strahlteiler-Einrichtung 19 einschließlich des nicht dargestellten, weiteren Mechanismus wird entsprechend als erste Einstellvorrichtung 26 bezeichnet, mit der eine Leistungsverteilung zwischen den Teil- strahlen 20a, 20b, und dabei insbesondere zwischen den vorauslaufenden Teilstrahlen einerseits und den nachlaufenden Teilstrahlen andererseits, eingestellt werden kann. Der Keil 11 ist durch einen weiteren, nicht näher dargestellten Mechanismus, bevorzugt motorisierten Mechanismus, entlang einer ersten Richtung RI, die quer zur Ausbreitungsrichtung AR des Eingangslaserstrahls 6 verläuft, verfahrbar. Dadurch können die Anteile (Energieanteile) der Teile 12 und 13 des Eingangslaserstrahls 6 verändert werden. Der Keil 11 einschließlich des nicht dar- gestellten Mechanismus wird entsprechend als zweite Einstellvorrichtung 27 bezeichnet, mit der eine Leistungsverteilung zwischen der Kernfaser 9 (bzw. der Kernzone des Strahl profils) und der Ringfaser 10 (bzw. der Ringzone des Strahl profils) eingestellt werden kann. Die Fig. 2 zeigt schematisch eine beispielhafte Keilplatte 21, die im Rahmen der Erfindung als Strahlteiler-Einrichtung 19 für den kollimierten Laserstrahl 18 (vgl. die gestrichelt eingezeichnete Randlinie) eingesetzt werden kann.
Die Keilplatte 21 weist hier drei Ablenkungszonen 31, 32, 33 auf, die um ein Zentrum 34 herum angeordnet sind; die Keilplatte 21 weist hier eine im Wesentlichen kreisscheibenförmige Gestalt auf. Die Unterseite der Keil platte 21 ist hier eben und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung AR des kollimierten Laserstrahls 18 ausgebildet. An der Oberseite sind die Ablenkungszonen 31, 32, 33 jedoch mit einer unterschiedlichen Neigung bzw. Orientierung gegenüber der Ausbreitungsrichtung AR ausgebildet.
Die Ablenkungszone 31 nimmt ein Winkelintervall von 180° um das Zentrum 34 ein. Die Ablenkungszone 31 ist mit der Oberseite senkrecht zur Ausbreitungsrichtung AR / z-Richtung ausgerichtet (also„ohne" Neigung). Der Anteil des kol- limierten Laserstrahls 18, der auf diese Ablenkungszone 31 trifft, wird aufgrund eines näherungsweise senkrechten Auftreffens durch die Oberseite der Keilplatte 21 nicht abgelenkt. Dieser Anteil bildet den nachlaufenden Teilstrahl aus. Man beachte, dass die Ablenkungszone 31 erfindungsgemäß auch ohne Material ausgebildet werden kann, also der zugehörige Anteil des kollimierten Laserstrahls 18 an der Keil platte 21 vorbei läuft („Halbelement", nicht näher dargestellt). Die Ablenkungszone 32 nimmt ein Winkelintervall von 90° um das Zentrum 34 ein. Die Oberseite der Ablenkungszone 32 ist gegenüber der Oberseite der Ablenkungszone 31 bzw. gegenüber der Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung AR (=z-Richtung) des kollimierten Laserstrahls 18 leicht geneigt, beispielsweise um -0,30° gegenüber der x-Richtung und -0,12° gegenüber der y-Richtung. Der Anteil des kollimierten Laserstrahls 18, der auf die Ablenkungszone 32 trifft, wird aufgrund dieser Neigung abgelenkt. Dieser Anteil bildet einen vorauslaufenden Teilstrahl aus.
Die Ablenkungszone 33 nimmt ebenfalls ein Winkelintervall von 90° um das Zentrum 34 ein. Die Oberseite der Ablenkungszone 33 ist gegenüber der Oberseite der Ablenkungszone 31 bzw. gegenüber der Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung AR (=z-Richtung) des kollimierten Laserstrahls 18 ebenfalls leicht geneigt, jedoch spiegelsymmetrisch bzgl. der xz-Ebene im Vergleich zur Ablenkungszone 32. Die Ablenkungszone 33 ist beispielsweise um +0,30° gegenüber der x-Richtung und -0,12° gegenüber der y-Richtung geneigt. Der Anteil des kollimierten Laserstrahls 18, der auf die Ablenkungszone 33 trifft, wird aufgrund dieser Neigung abgelenkt. Dieser Anteil bildet einen weiteren vorauslaufenden Teilstrahl aus. In der gezeigten relativen Position der Keil platte 21 gegenüber dem kollimierten Laserstrahl 18, in der der kollimierte Laserstrahl 18 auf das Zentrum 34 der Keil platte 21 zentriert ist, werden die beiden vorauslaufenden Teilstrahlen jeweils einen Leistungsanteil von 25% und der nachlaufende Teilstrahl einen Leistungsanteil von 50% der gesamten Laserleistung erhalten.
Zur Veränderung dieser Leistungsanteile kann die Keil platte 21 aus der gezeigten zentrierten Lage zumindest entlang der Erstreckungsrichtung ER, die entlang der Grenze 35 der beiden Ablenkungszonen 32, 33 verläuft, verfahren wer- den. Die Erstreckungsrichtung ER verläuft parallel zur x-Richtung. Durch Verfahren der Keilplatte 21 (gegenüber dem Laserstrahl 18) in positive x-Richtung können der Leistungsanteil des nachlaufenden Teilstrahls erhöht und die Leistungsanteile der vorauslaufenden Teilstrahlen verringert werden, und umgekehrt.
Bevorzugt kann die Keil platte 21 weiterhin aus der gezeigten Lage (und unabhängig von der Verschiebung entlang der Erstreckungsrichtung ER) auch noch in die zweite Richtung R2, die entlang einer Grenze 36 zwischen der Ablen- kungszone 31 und den Ablenkungszonen 32, 33 verläuft, verfahren werden. Die zweite Richtung R2 verläuft parallel zur y-Richtung. Durch Verfahren der Keilplatte 21 (gegenüber dem Laserstrahl 18) in positive y-Richtung können der Leistungsanteil des vorauslaufenden Teilstrahls der Ablenkungszone 32 erhöht und der Leistungsanteil des vorauslaufenden Teilstrahls der Ablenkungszone 33 verringert werden, und umgekehrt; dabei bleibt der Leistungsanteil des nachlaufenden Teilstrahls unverändert.
Die unterschiedlichen Ablenkungswirkungen der Ablenkungszonen 31, 32, 33 der Keil platte 21 beruhen auf Lichtbrechung, und entsprechend wird die Keil- platte 21 als ein refraktives optisches Element 37 angesehen.
Alternativ ist es auch möglich, eine Strahlteiler-Einrichtung 19 mit einem dif- fraktiven optischen Element 40 auszubilden, vgl. die schematische, beispielhafte Darstellung in Fig. 3 hierzu. Das diffraktive, optische Element 40 ist aus einem für den Laserstrahl 18 transparentem, aber lichtbrechenden Material gefertigt; es verfügt wiederum über eine ebene Unterseite, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung AR liegt. Das diffraktive optische Element 40 bildet ebenfalls Ablenkungszonen 31, 32, 33 aus, die in unterschiedliche Richtungen gerichtete Teilstrahlen aus dem kollimierten Laserstrahl 18 erzeugen. Die unterschiedli- chen Ablenkungswirkungen der Ablenkungszonen 31, 32, 33 beruhen aber im Wesentlichen auf einer Beugung des kollimierten Laserstrahls 18, weshalb die Ablenkungszonen 31, 32, 33 auch als Beugungszonen 41, 42, 43 bezeichnet werden. In der Beugungszone 41 wird in der gezeigten Ausführungsform der Laserstrahl 18 nicht abgelenkt, da dort das diffraktive optische Element 40 an seiner Oberseite eben (mit konstanter lokaler Höhe h, also ohne ein Sägezahngitter) ausgebildet ist. Man beachte, dass die Beugungszone 41 erfindungsgemäß auch ohne Material ausgebildet werden kann, also der zugehörige Anteil des kolli- mierten Laserstrahls 18 am diffraktiven optischen Element 40 vorbei läuft („Halbelement", nicht näher dargestellt).
In der Beugungszone 42 ist hingegen an der Oberseite ein Sägezahngitter mit einer lokal veränderlichen Höhe (bzw. lokale veränderlichen Dicke des diffraktiven optischen Elements 40 in Strahlausbreitungsrichtung AR) des diffraktiven optischen Elements 40 eingerichtet, vgl. das Höhenprofil unten, in welchem die lokale Höhe h (in z-Richtung) gegen den Ort entlang der Schnittrichtung a (vgl. die gestrichelte Schnittebene A) aufgetragen ist. Beim diffraktiven optischen Element 40 ist in der Beugungszone 42 mit Linien angedeutet, wo die lokale Höhe h jeweils gleich und maximal ist. Diese Linien sind gegenüber der y-Rich- tung leicht geneigt (hier um ca. +15°), wodurch eine entsprechende leichte Ablenkung des Laserstrahls 18 im Bereich der Beugungszone 42 erreicht wird. Die Linien verlaufen senkrecht zur eingezeichneten Schnittrichtung a, und das Sä- gezahn profil fällt entlang dieser Schnittlinie immer wieder ab und steigt immer wieder abrupt an.
Die Beugungszone 43 weist analog ebenfalls ein Sägezahnprofil auf. Dieses ist mit seinen Linien, die die jeweils gleiche und maximale, lokale Höhe indizieren, gegenüber der y-Richtung gegengleich zur Beugungszone 42 geneigt, hier mit ihren Linien um ca. -15° gegenüber der y-Richtung, wodurch dort eine entsprechende gegengleiche leichte Ablenkung des Laserstrahls 18 erzeugt wird.
Im Übrigen ist die Funktionsweise der Strahlteiler-Einrichtung 19 von Fig. 3 analog zur Strahlteiler-Einrichtung von Fig. 2.
In den Figuren 4 bis 6 sind schematisch beispielhafte Fokusbilder dargestellt, die im Rahmen der Erfindung angewandt werden können. Die Fokusbilder zeigen die Teilstrahlen 20a-20c, die während des Laserstrahlschweißens auf die Oberseite des Werkstücks gerichtet werden und mittels der Fokussierungsoptik auf das Werkstück bzw. dessen Oberfläche fokussiert werden, am Ort der Oberfläche, die der Zeichenebene entspricht. In den gezeigten Varianten werden jeweils bezüglich einer vorgegebenen relativen Schweißrichtung (Vorschubrichtung) SR zwei vorauslaufende Teilstrahlen 20b, 20c und ein nachlaufender Teilstrahl 20a eingesetzt. Die vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c sind dabei bezüglich einer Querrichtung QR in gerader Linie aufgereiht angeordnet; die Querrichtung QR verläuft senkrecht zur Schweiß- richtung SR.
Typischerweise werden alle Teilstrahlen 20a, 20b, 20c aus demselben Eingangslaserstrahl erzeugt, der durch Passieren einer Multiclad-Faser ein besonderes Strahl profil erhalten hat; dieses Strahlprofil weisen dann entsprechend auch alle Teilstrahlen 20a, 20b, 20c auf. Das Strahl profil umfasst hier jeweils eine Kernzone 50, innerhalb der eine im Wesentlichen konstante Leistungsdichte LDK („Intensität") von Laserstrahlung vorliegt, und eine Ringzone 51, in der ebenfalls eine im Wesentlichen konstante Leistungsdichte LDR von Laserstrahlung vorliegt; in anderen Varianten können noch weitere Ringzonen vorgesehen sein.
Die Teilstrahlen 20a, 20b, 20c durchlaufen nach der Strahlteiler-Anordnung grundsätzlich dieselben optischen Elemente (insbesondere die Fokussierungsoptik), so dass die Teilstrahlen 20a, 20b, 20c am Werkstück eine gleiche Größe aufweisen. Am Werkstück (bzw. an der Oberseite des Werkstücks) können die Durchmesser DK der Kernzone 50 und DR der Ringzone 51 gemessen werden. Meist liegt DK zwischen 200 mm und 600 miti, oft um 300 mm. Weiterhin liegt meist DR zwischen 600 mm und 1800 mm, oft um 700 mm.
Mittels einer ersten Einstellvorrichtung (vgl. Fig. 1) kann für alle Teilstrahlen 20a-20c Laserleistung jeweils zwischen der Kernzone 50 und der Ringzone 51 umverteilt werden; die über die Fläche der Kernzone 50 integrierte Laserleistung ILK („integrierte Intensität") ist dabei größer als die über die Fläche der Ringzone 51 integrierte Laserleistung ILR, meist gilt ILK:ILR>60:40 oder sogar ILK:ILR>70: 30. Für das Verhältnis DR/DK gilt meist 2£DR/DK£5, meist mit 3£DR/DK£4.
Mittels der zweiten Einstellvorrichtung (vgl. Fig. 1) kann Laserleistung zwischen der Gesamtheit der vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c einerseits und dem nachlaufenden Teilstrahl 20a andererseits umverteilt werden; die über die Fläche aller vorauslaufenden Teilstrahlen 20ba, 20c integrierte Laserleistung VT und die über die Fläche des nachlaufenden Teilstrahls 20a integrierte Laserleistung NT ist typischerweise näherungsweise gleich groß; meist gilt VT: NT£60:40 und VT: NT>40:60.
Mit den vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c wird das Werkstück von der Oberseite aus aufgeschmolzen, wobei der durch die vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c erzeugte Schmelzbadbereich nicht bis zur Unterseite des Werk- Stücks reicht („Einschweißung"). Mit dem nachlaufenden Teilstrahl wird ein Schmelzbadbereich erzeugt, der bis zur Unterseite des Werkstücks reicht („Durchschweißung"). Durch die Kombination der vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c mit dem nachlaufenden Teilstrahl 20a kann eine qualitativ besonders hochwertige, insbesondere mechanisch hoch feste, wellenarme und kerbenarme Schweißnaht bei nur geringer Spritzerbildung während des Schweißprozesses an der Oberseite und der Unterseite des Werkstücks erhalten werden. Dabei kann der Schweißprozess über die Einstellung der Leistungsverteilung optimiert werden. Die Fig. 4 zeigt eine Variante, in der die beiden vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c nicht miteinander überlappen, und weiterhin auch die vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c nicht mit dem nachlaufenden Teilstrahl 20a überlappen. Man beachte aber, dass hier in Schweißrichtung SR die Ringzone 51 des nahlaufenden Teilstrahls 20a bezüglich der Schweißrichtung SR bis zwischen die Ring- zonen 51 der vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c ausgreift.
Bei dieser Variante wird die Addition von Laserleistung verschiedener Teilstrahlen vermieden. Dies kann helfen, die Schmelzbaddynamik gering zu halten, und insbesondere eine Spritzerbildung vor allem an der Oberseite des Werkstücks zu vermeiden. Diese Variante wird oft bei geringeren Werkstückdicken bevorzugt, beispielsweise zwischen 1 mm und 2,5 mm Werkstückdicke.
Die Fig. 5 zeigt eine Variante, bei der die vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c wiederum nicht überlappen. Die vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c überlappen hier aber in den Überlappungszonen 52 mit dem nachlaufenden Teilstrahl 20a im Bereich der Ringzonen 51; die Zentren der Teilstrahlen 20a, 20b und 20a, 20c sind aber so weit voneinander beabstandet, dass jeweils zwischen der Überlappungszone 52 und den beiden Kernzonen 50 der Teilstrahlen 20a, 20b und 20a, 20c noch Restbereiche 55 von nicht überlappter Ringzone 51 verbleiben.
In dieser Variante wird durch die Gesamtheit der Teilstrahlen eine zusammenhängende, von Laserstrahlung beleuchtete Fläche gebildet. Dies kann dazu bei- tragen, Temperaturgradienten im Schmelzbad zu reduzieren, und die Welligkeit der erhaltenen Schweißnaht oder auch Kerbenbildung zu reduzieren. Diese Variante wird oft bei mittleren Werkstückdicken bevorzugt, beispielsweise zwischen 2,5 mm und 3,2 mm Werkstückdicke. Die Fig. 6 zeigt eine Variante, bei der die vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c in Querrichtung QR im Bereich der Ringzonen 51 überlappen, nicht aber bezüglich der Kernzonen 50, vgl. die Überlappungszone 53. In der gezeigten Variante reicht die Überlappungszone 53 aber jeweils bis an die Kernzonen 50 berührend heran. Weiterhin überlappen die vorauslaufenden Teilstrahlen 20b, 20c mit dem nachlaufenden Teilstrahl 20a im Bereich der Ringzonen 51. Dadurch werden Überlappungszonen 52 der Teilstrahlen 20a, 20b und 20a, 20c erhalten, die jedoch hier nicht bis an die Kernzonen 51 heranreichen; zudem besteht in der Überlappungszone 54 hier ein Überlapp der Ringzonen 51 aller drei Teilstrahlen 20a, 20b, 20c.
In dieser Variante kann durch Addition der Laserleistung von zwei Teilstrahlen über vergleichsweise großen Flächen und im Überlappungsbereich 54 sogar von drei Teilstrahlen eine lokal vergrößerte Leistungsdichte der Laserstrahlung erreicht werden. Dadurch kann eine größere Penetration in das Werkstück hinein erreicht werden, insbesondere im Überlappungsbereich der beiden vorauslaufenden Teilstrahlen. Dadurch wird ein Durchschweißen mit dem nachlaufenden Teilstrahl erleichtert und insbesondere auch bei höheren Schweißgeschwindigkeiten und/oder größerer Werkstückdicke zugänglich. Diese Variante wird oft bei größeren Werkstückdicken bevorzugt, beispielsweise zwischen 3,2 mm und 4 mm Werkstückdicke.
Die Fig. 7 illustriert beispielhaft das Intensitätsprofil 60 eines vorauslaufenden Teilstrahls, der im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens auf einem Werkstück angewandt werden kann. Ein entsprechendes Intensitätsprofil ist in der Regel auch beim nachlaufenden Teilstrahl auf dem Werkstück gegeben. Aufgetragen nach oben ist die Intensität I (Laserleistung pro Fläche) als Funktion des Orts x, wobei die x-Achse durch das Zentrum des Laserstrahls (bei x=0) verläuft.
Das Intensitätsprofil 60 ist hier ein zweistufiges TopHat Strahlungsprofil; es kann durch Nutzung einer Doppelclad-Faser erzeugt werden (siehe dazu Fig. 8).
Das Intensitätsprofil 60 weist eine Kernzone 50 auf, innerhalb der eine hohe, im Wesentlichen konstante Intensität II von hier ca. 2,1 W/cm2 vorliegt; typischerweise schwankt die Intensität in der Kernzone 50 um maximal 40%, bevorzugt maximal 20%, um die mittlere Intensität der der Kernzone 50. Die Kernzone 50 wird umgeben von einer Ringzone 51, innerhalb der eine niedrigere, ebenfalls im Wesentlichen konstante Intensität 12 von hier ca. 0,4 W/cm2 vorliegt; typi- scherweise schwankt die Intensität in der Ringzone 51 um maximal 20% um die mittlere Intensität der Ringzone 51. In einem Übergangsbereich 61 von der Kernzone 50 zur Ringzone 51 fällt die Intensität stark ab; die dortige Intensität kann dabei auch bis unter 12 fallen. In einem weiteren Übergangsbereich 62 von der Ringzone 51 zur äußeren Umgebung fällt die Intensität ebenfalls stark ab, hier (in Ermangelung einer weiteren Kernzone) bis auf null. Die Übergangsbereiche 61, 62 machen typischerweise nur kleine Breiten Bl, B2 im Vergleich zum Durchmesser DK der Kernzone 50 bzw. zur Breite BR der Ringzone 51 aus, beispielsweise mit B1£0,3*DK oder B1£0,2*DK, bzw. mit B2£0,3*BR oder B2£0,2*BR. Die Fig. 8 illustriert in einem Schemadiagramm beispielhaft den Aufbau einer Multiclad-Faser 8 im Bereich von Kernfaser 9 und Ringfaser 10 („Doppelclad-Fa- ser" oder 2inl-Faser) für die Erfindung; man beachte, dass alternativ auch eine Multiclad-Faser mit noch mehr Ringfasern eingesetzt werden können. Nach rechts ist der Ort x im Querschnitt der Multiclad-Faser 8 aufgetragen, und nach oben die Brechzahl n (für die vom Laser verwendete Wellenlänge); bei x=0 befindet sich das Zentrum der Multiclad-Faser 8. Innerhalb der Kernfaser 9 und innerhalb der Ringfaser 10 ist ein Lichtleiter-Material mit einer hohen, hier einheitlichen Brechzahl nKR angeordnet. Zwischen der Kernfaser 9 und der Ringfaser 10 ist ein erster Mantel („cladding") 70 aus einem ersten Mantelmaterial mit einer Brechzahl nMl angeordnet. Dabei ist nMl deutlich kleiner als nKR; hierdurch wird eine Totalreflektion der Laserstrahlung, die in die Kernfaser 9 und die Ringfaser 10 eingekoppelt ist, am ersten Mantel 70 erreicht. Um die Ringfaser 10 herum ist ein zweiter Mantel („cladding") 71 aus einem zweiten Mantelmaterial mit einer Brechzahl nM2 angeordnet. Dabei ist nM2 wiederum deutlich kleiner als nKR, um auch am zweiten Mantel 71 eine Totalreflektion der Laserstrahlung zu bewirken. In der gezeigten Variante ist zudem nMl etwas geringer als nM2.
In der gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der (Außen-)Radius der Kernfaser 9 ca. 50 miti, und der Außenradius der Ringfaser 10 ca. 300 mm.
Bezuaszeichenliste
1 optische Apparatur
2 Werkstück
3 Laserstrahlquelle
4 Laserstrahl (bereitgestellt von der Laserstrahlquelle)
5 Laser
6 Eingangslaserstrahl (bereitgestellt vom Laser)
7 erstes Faserende 8 Multiclad-Faser
9 Kernfaser
10 Ringfaser
11 Keil
12 abgelenkter Teil (des Eingangslaserstrahls)
13 unabgelenkter Teil (des Eingangslaserstrahls)
14 Fokussierlinse
15 zweites Faserende
16 Kollimationsoptik
17 Kollimationslinse
18 kollimierter Laserstrahl
19 Strahlteiler-Einrichtung
20a (nachlaufender) Teilstrahl
20b (vorauslaufender) Teilstrahl
20c (vorauslaufender) Teilstrahl
21 Ke II platte
22a Ablenkungszone
22b Ablenkungszone
23 Fokussierungsoptik
24 Fokussierlinse
25a Strahlfleck
25b Strahlfleck
26 erste Einstellvorrichtung
27 zweite Einstellvorrichtung
31 Ablenkungszone (nachlaufender Teilstrahl)
32 Ablenkungszone (vorauslaufender Teilstrahl)
33 Ablenkungszone (vorauslaufender Teilstrahl)
34 Zentrum (Strahlteiler-Einrichtung)
35 Grenze
36 Grenze
37 refraktives optisches Element
40 diffraktives optisches Element
41 Beugungszone (nachlaufender Teilstrahl)
42 Beugungszone (vorauslaufender Teilstrahl) 43 Beugungszone (vorauslaufender Teilstrahl)
50 Kernzone
51 Ringzone
52 Überlappungszone (vorauslaufender/nachlaufender Teilstrahl)
53 Überlappungszone (vorauslaufender/vorauslaufender Teilstrahl) 54 Überlappungszone (drei Teilstrahlen)
55 Restbereich (der Ringzone ohne Überlappung)
60 Intensitätsprofil
61 Übergangsbereich
62 Übergangsbereich
70 erster Mantel
71 zweiter Mantel
A Schnittebene
a Schnittrichtung (im diffraktiven optischen Element)
AR Ausbreitungsrichtung/Strahlausbreitungsrichtung
DK Durchmesser Kernzone
DR Durchmesser Ringzone
ER Einstellrichtung
h lokale Höhe
I Intensität
ILK integrierte Laserleistung Kernzone
ILR integrierte Laserleistung Ringzone
n Brechzahl (Brechungsindex)
QR Querrichtung
RI erste Richtung
R2 zweite Richtung
SR Schweißrichtung
x, y, z Ortskoordinaten

Claims

Patentansprüche
1. Optische Apparatur (1) zum Laserschweißen eines Werkstücks (2), umfassend
- eine Laserstrahlquelle (3) zum Bereitstellen eines Laserstrahls (4),
- eine Kollimationsoptik (16) zum Kollimieren des bereitgestellten Laserstrahls (4) der Laserstrahlquelle (3),
- eine Strahlteiler-Einrichtung (19) zum Aufteilen des kollimierten Laserstrahls (18) auf mehrere Teilstrahlen (20a-20c), wobei die Strahlteiler- Einrichtung (19) eine erste Einstellvorrichtung (26) aufweist, mit der die Aufteilung des kollimierten Laserstrahls (18) auf die mehreren Teilstrahlen (20a-20c) variabel einstellbar ist, und
- eine Fokussierungsoptik (23) zum Fokussieren der Teilstrahlen (20a- 20c) auf das zu schweißende Werkstück (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlquelle (3) eine Multiclad-Faser (8) mit einer Kernfaser (9) und zumindest einer Ringfaser (10) und eine zweite Einstellvorrichtung (27) umfasst, wobei mit der zweiten Einstellvorrichtung (27) ein Eingangslaserstrahl (6) an einem ersten Faserende (7) der Multiclad-Faser (8) auf die Kernfaser (9) und die zumindest eine Ringfaser (10) variabel aufteilbar ist, und wobei ein zweites Faserende (15) der Multiclad-Faser (8) den Laserstrahl (4) für die Kollimationsoptik (16) bereitstellt, und dass die Strahlteiler-Einrichtung (19) dazu ausgebildet ist, den kolli- mierten Laserstrahl (18) auf wenigstens zwei bezüglich einer vorgesehenen Schweißrichtung (SR) vorauslaufende Teilstrahlen (20b, 20c) und einen nachlaufenden Teilstrahl (20a) aufzuteilen, wobei die vorauslaufenden Teilstrahlen (20b, 20c) quer zur vorgesehenen Schweißrichtung (SR) aufgereiht sind,
und wobei mit der ersten Einstellvorrichtung (26) eine Einstellung der Energieverteilung zwischen den wenigstens zwei vorauslaufenden Teilstrahlen (20b, 20c) einerseits und dem nachlaufenden Teilstrahl (20a) andererseits erfolgen kann.
2. Optische Apparatur (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlteiler-Einrichtung (19) für jeden Teilstrahl (20a-20c) eine Ab lenkungszone (22a-22b; 31, 32, 33) ausbildet, und dass mit der ersten Einstellvorrichtung (26) die Strahlteiler-Einrichtung (19) in wenigstens ei ner Einstellrichtung (ER, R2) quer zu einer Strahlausbreitungsrichtung (AR) des kollimierten Laserstrahls (6) verfahrbar ist, wobei die Energie verteilung zwischen den Teilstrahlen (20a-20c) über den Überlapp des kollimierten Laserstrahls (18) mit den jeweiligen Ablenkungszonen (22a- 22b; 31, 32, 33) eingestellt werden kann.
3. Optische Apparatur (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkungszonen (22a-22b; 31, 32, 33) für die Teilstrahlen (20-20c) um ein gemeinsames Zentrum (34) angeordnet sind,
insbesondere wobei eine Ablenkungszone (31) für den nachlaufenden Teilstrahl (20a) ein Winkelintervall von 180° um das gemeinsame Zent rum (34) einnimmt, und zwei Ablenkungszonen (32, 33) für genau zwei vorauslaufende Teilstrahlen (20b, 20c) jeweils 90° um das gemeinsame Zentrum (34) einnehmen, und die Einstellrichtung (ER) entlang einer Grenze (35) der zwei Ablenkungszonen (32, 33) für die zwei vorauslau fenden Teilstrahlen (20b, 20c) verläuft.
4. Optische Apparatur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass die Strahlteiler-Einrichtung (19) mit einem refraktiven optischen Element (37) ausgebildet ist,
insbesondere wobei die Strahlteiler-Einrichtung (19) eine Keil platte (21) ausbildet, die mehrere Ablenkungszonen (22a-22b; 31, 32, 33) aufweist, die gegenüber einer Strahlausbreitungsrichtung (AR) des kollimierten La serstrahls (18) eine Neigung ausbilden und die bezüglich der Strahlaus breitungsrichtung (AR) eine unterschiedliche Orientierung aufweisen.
5. Optische Apparatur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlteiler-Einrichtung (19) mit einem diffrakti- ven optischen Element (40) ausgebildet ist,
insbesondere wobei die Strahlteiler-Einrichtung (19) mehrere Beugungszonen (41, 42, 43) aufweist, die Sägezahngitter ausbilden, wobei die Sägezahngitter eine unterschiedliche Orientierung bezüglich einer Strahlausbreitungsrichtung (AR) des kollimierten Laserstrahls (18) aufweisen und/oder einen unterschiedlichen Aufbau aufweisen.
6. Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstücks (2),
wobei ein Werkstück (2) mittels mehrerer Teilstrahlen (20a-20c) entlang einer Schweißrichtung (SR) geschweißt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (2) mit wenigstens zwei bezüglich der Schweißrichtung (SR) vorauslaufenden Teilstrahlen (20b, 20c) und einem nachlaufenden Teilstrahl (20a) geschweißt wird,
wobei die vorauslaufenden Teilstrahlen (20b, 20c) jeweils ein Strahl profil mit einer Kernzone (50) und wenigstens einer Ringzone (51) aufweisen, die um die Kernzone (50) liegt,
wobei die vorauslaufenden Teilstrahlen (20b-20c) quer zur Schweißrichtung (SR) aufgereiht sind,
und wobei bei den vorauslaufenden Teilstrahlen (20b-20c) eine integrierte Laserleistung (ILK) in der jeweiligen Kernzone (50) größer ist als eine integrierte Laserleistung (ILR) in der jeweiligen wenigstens einen Ringzone (51),
und dass die vorauslaufenden Teilstrahlen (20b-20c) am Werkstück (2) eine Einschweißung erzeugen, und der nachlaufende Teilstrahl (20a) eine Durchschweißung.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auch der
nachlaufende Teilstrahl (20a) ein Strahlprofil mit einer Kernzone (50) und wenigstens einer Ringzone (51) aufweist, die um die Kernzone (50) liegt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
dass ein Eingangslaserstrahl (6) in ein erstes Faserende (7) einer Multic- lad-Faser (8) mit einer Kernfaser (9) und wenigstens einer Ringfaser (10) eingespeist wird, wodurch an einem zweiten Faserende (15) der Multic- lad-Faser (8) ein Laserstrahl (4) zur Verfügung gestellt wird, aus dem mit einer Kollimationsoptik (16) ein kollimierter Laserstrahl (18) erzeugt wird,
dass mittels einer Strahlteiler-Einrichtung (19) aus dem kollimierten Laserstrahl (18) die wenigstens zwei vorauslaufenden Teilstrahlen (20b, 20c) und der nachlaufende Teilstrahl (20a) erzeugt werden,
und dass mittels einer Fokussierungsoptik (23) die Teilstrahlen (20a-20c) auf das Werkstück (2) fokussiert werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass am Werkstück (2) die Ringzonen (51) der vorauslaufenden Teilstrahlen (20b, 20c) jeweils mit der Ringzone (51) des nachlaufenden Teilstrahls (20a) überlappen, nicht jedoch mit der Kernzone (50) des nachlaufenden Teilstrahls (20a).
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass am Werkstück (2) die Ringzonen (51) der vorauslaufenden Teilstrahlen (20b, 20c) in der Richtung (QR) quer zur Schweißrichtung (SR) zwischen den Kernzonen (50) überlappen.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlappung der Ringzonen (51) der vorauslaufenden Teilstrahlen (20b, 20c) so eingerichtet ist, dass die Ringzone (51) des jeweils einen vorauslaufenden Teilstrahls (20b, 20c) im Wesentlichen bis an die Kernzone (50) des jeweils anderen vorauslaufenden Teilstrahls (20b, 20c) reicht, nicht jedoch mit der Kernzone (50) des jeweils anderen vorauslaufenden Teilstrahls (20b, 20c) überlappt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass am Werkstück (2) für einen Durchmesser DK einer jeweiligen Kernzone (50) und einen Durchmesser DR einer jeweiligen Ringzone (51) gilt: 2*DK £ DR £ 5*DK,
bevorzugt 2,5*DK £ DR £ 4,5*DK,
besonders bevorzugt 3*DK £ DR £ 4*DK.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass am Werkstück (2) für einen Durchmesser DK einer jeweiligen Kernzone (50) und einen Durchmesser DR einer jeweiligen Ringzone (51) gilt: 200mm £ DK £ 600mm und 600mm £ DR £ 1800mm,
bevorzugt
225mm £ DK £ 500mm und 750mm £ DR £ 1500mm,
ganz besonders bevorzugt
250mm £ DK £ 400mm und 900mm £ DR £ 1500mm.
14. Verwendung einer optischen Apparatur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13.
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