WO2022269014A2 - Method for machining workpieces - Google Patents
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Abstract
The invention relates to a method for machining workpieces (W) along a machining line (1) by means of a laser beam (5), which impinges the workpiece (W), wherein a plurality of emitters (2) are assigned to the machining line (1), which emit in each case a laser beam (5) that impinges a partial region of the machining line (1).
Description
Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken Process for processing workpieces
Technisches Gebiet technical field
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken entlang einer Bearbeitungslinie mittels einem Laserstrahl, der auf das Werkstück trifft, sowie eine Vorrichtung hierfür. The invention relates to a method for processing workpieces along a processing line by means of a laser beam that impinges on the workpiece, and a device for this.
Stand der Technik State of the art
In vielen Bereichen der industriellen Tätigkeit müssen Werkstücke mittels Laserstrahlen bearbeitet werden. Die vorliegende Erfindung bezieht sich vor allem auf die Bearbeitung durch Laserschweissen, wobei in der Regel ein von einem Laser erzeugter Laserstrahl durch eine Optik auf einen Punkt des Werkstücks gerichtet wird und die erforderliche Wärme zum Aufschmelzen des
Werkstücks in diesem Bereich aufbringt. Der Laser muss dabei entlang der Schweisslinie gefahren werden und wird meist gepulst aufgebracht, was eine erhebliche Zeit beansprucht. In many areas of industrial activity, workpieces have to be processed using laser beams. The present invention relates primarily to processing by laser welding, with a laser beam generated by a laser usually being directed to a point on the workpiece by an optic and the heat required to melt the Workpiece applies in this area. The laser has to be moved along the welding line and is usually applied in a pulsed manner, which takes a considerable amount of time.
Bekannt ist auch das sogenannte Spur-Laserschweissen und das Abtast- Laserschweissen. Hier folgt ein Punktlaser einem Schweisspfad durch eine Bewegung der Laservorrichtung und/oder des Laserstrahls, des Werkstücks oder eine Kombination derselben. Spur-Laserschweisssysteme verwenden einen beweglichen Rahmen, auf dem die Laserlichtquelle angebracht wird. Beispielsweise ein Gerüst, um den Laserstrahl zu bewegen. Abtast- Laserschweisssysteme verwenden einen Galvanometerspiegel, um den Laserstrahl zu bewegen. So-called track laser welding and scanning laser welding are also known. Here a spot laser follows a welding path by a movement of the laser device and/or the laser beam, the workpiece or a combination thereof. Track laser welding systems use a moving frame on which the laser light source is mounted. For example, a scaffold to move the laser beam. Scanning laser welding systems use a galvanometer mirror to move the laser beam.
Aufgabe der Erfindung object of the invention
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Bearbeiten von Werkstücken mittels Laserstrahl wesentlich zu beschleunigen und zu verbessern. The object of the present invention is to significantly speed up and improve the machining of workpieces by means of a laser beam.
Lösung der Aufgabe solution of the task
Zur Lösung der Aufgabe führt, dass der Bearbeitungslinie eine Mehrzahl von Emittern zugeordnet wird, die jeweils einen Laserstrahl aussenden, der auf einem Teilbereich der Bearbeitungslinie auftrifft. To solve the task, the machining line is assigned a plurality of emitters, each of which emits a laser beam that impinges on a partial area of the machining line.
D.h., entlang der Bearbeitungslinie sind eine Mehrzahl von Emittern aufeinanderfolgend angeordnet, mit welchen ein möglichst großer Teil der Bearbeitungslinie bearbeitet wird. In other words, a plurality of emitters are arranged in succession along the processing line, with which the largest possible part of the processing line is processed.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden hierzu statt den sogenannten Kantenemittern sogenannte Power-VICSEL-Arrays (Vertical-Cavity-Service- Emitting-Laser) angeordnet. Diese bestehen aus vielen hunderten bis tausenden Einzelemittern und lassen sich durch ihren speziellen Aufbau einfach montieren.
Sie erlauben durch ihr rundes Strahlprofil den Einsatz einfacher Optiken zur nachträglichen Strahlformung. Der planare Aufbau, wie bei integrierten Schaltkreisen, mit einem Strahlaustritt senkrecht zur Chip-Fläche ermöglicht die einfache Montage auf einer Leiterplatte. Sie sind sehr gut für schnelle, gepulste Lichtquellen geeignet. In a preferred exemplary embodiment, so-called power VICSEL arrays (vertical cavity service emitting lasers) are arranged for this purpose instead of the so-called edge emitters. These consist of many hundreds to thousands of individual emitters and can be easily installed thanks to their special structure. With their round beam profile, they allow the use of simple optics for subsequent beam shaping. The planar structure, like that of integrated circuits, with a beam exit perpendicular to the chip surface, enables easy mounting on a printed circuit board. They are very well suited for fast, pulsed light sources.
In diskreten Treiberschaltungen wird z.B. ein Kondensator mit einer hohen Spannung von bis zu 50V aufgeladen und mit einem schnellen Transistorschalter in die Laserdiode hinein entladen. Die im Kondensator gespeicherte Energie bestimmt dabei die Intensität des Lichtpulses. Dessen Form ist jedoch weitgehend Undefiniert. In discrete driver circuits, for example, a capacitor is charged with a high voltage of up to 50V and discharged into the laser diode with a fast transistor switch. The energy stored in the capacitor determines the intensity of the light pulse. However, its form is largely undefined.
Integrierte Treiberschaltungen zeigen hier deutlich bessere Schalteigenschaften. Mit ihnen können definierte Pulsströme von fast 10A im einstelligen Nanosekundenbereich mit Spannungen von 10V erzeugt werden. Die geringere Schaltspannung reduziert zudem die Verlustleistung im Treiber. Integrated driver circuits show significantly better switching properties here. They can be used to generate defined pulse currents of almost 10A in the single-digit nanosecond range with voltages of 10V. The lower switching voltage also reduces the power loss in the driver.
Bevorzugt sollen sich die in der Regel kreisförmigen Laserstrahlen von benachbarten Einzelemittern überlappen, so dass in jedem Fall eine geschlossene Schweissnaht erzielt wird. Durch diese erfindungsgemässe Ausgestaltung wäre es im Idealfall auch möglich, eine gesamte Schweissnaht in nur einem Schuss zu erzeugen, indem alle Einzelemitter über der gesamten Schweissnaht in einer einzigen Zeiteinheit betätigt werden. The generally circular laser beams from adjacent individual emitters should preferably overlap so that a closed weld seam is achieved in any case. In the ideal case, this design according to the invention would also make it possible to produce an entire weld seam in just one shot, in that all the individual emitters over the entire weld seam are actuated in a single unit of time.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist daran gedacht, in den Laserstrahl eine Optik zu integrieren, welche nicht etwa eine Bündelung des Laserstrahls auf einen Punkt gewährleistet, sondern im Gegenteil optisch diesen Punkt zu einer Linie auseinanderzieht. Auch hierdurch können z.B. Schweisslinien wesentlich schneller hergestellt werden. In a further exemplary embodiment of the invention, consideration is given to integrating an optical system into the laser beam, which does not ensure that the laser beam is focused at one point, but on the contrary optically pulls this point apart into a line. This also means that welding lines, for example, can be produced much more quickly.
Bevorzugt bietet es sich auch hier an, eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Einzelemittern anzuordnen, die dann ebenfalls im One-Shot Verfahren die
Schweisslinie erzeugen. Damit auch hier nicht versehentlich ein Unterbruch der Schweisslinie entsteht, sollen sich die Laserlinien von aufeinanderfolgenden Emittern kreuzen, so dass in jedem Fall eine geschlossene Schweisslinie gewährleistet ist. It is also preferred here to arrange a plurality of successive individual emitters, which then also use the one-shot method create a weld line. To ensure that the weld line is not accidentally interrupted here either, the laser lines from consecutive emitters should cross so that a closed weld line is guaranteed in any case.
Des weiteren wird Schutz vor allem für ein Verfahren begehrt, bei dem mittels dem Laserstrahl (5) das Werkstück von Verunreinigungen befreit wird. Dies gilt vor allem für ölige Verunreinigungen, die sich bei nachfolgenden Bearbeitungen oder Verwendungen der Werkstücke als störend erweisen. Die Erfindung umfasst aber alle möglichen Verunreinigungen. Furthermore, protection is sought above all for a method in which the workpiece is freed from contamination by means of the laser beam (5). This applies above all to oily contamination, which proves to be disruptive during subsequent processing or use of the workpieces. However, the invention includes all possible impurities.
Um diese Verunreinigungen zu beseitigen, kann die Energie des Laserstrahl so beeinflusst werden, dass das Werkstück selbst nicht entscheidend von dem Reinigungsvorgang betroffen wird. Das bedeutet, dass in der Regel die Energie des Laserstrahl über dem Schmelzpunkt des Metalls gehalten wird. Dagegen wird die Energie des Laserstrahl bevorzugt so eingestellt, dass die Verunreinigung beseitigt wird. Handelt es sich bei der Verunreinigung um beispielsweise Öl, so wird die Energie des Laserstrahl über der Verdampfungstemperatur des Öls gehalten. Durch das auf Spreizen des Laserstrahls kann eine flächige Reinigung des Werkstücks erfolgen.
In order to remove this contamination, the energy of the laser beam can be influenced in such a way that the workpiece itself is not significantly affected by the cleaning process. This means that the energy of the laser beam is usually kept above the melting point of the metal. On the other hand, the energy of the laser beam is preferably adjusted so that the contamination is eliminated. For example, if the contaminant is oil, the energy of the laser beam is maintained above the vaporization temperature of the oil. By spreading the laser beam, a surface cleaning of the workpiece can take place.
Figurenbeschreibung character description
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in: Further advantages, features and details of the invention result from the following description of preferred exemplary embodiments and from the drawings; these show in:
Figur 1 eine Draufsicht auf einen Kantenbereich einer Bipolarplatte mit angedeuteter Bearbeitungslinie; FIG. 1 shows a plan view of an edge region of a bipolar plate with a processing line indicated;
Figur 2 eine schematisch dargestellte Bearbeitungslinie auf einem Werkstück mit über der Bearbeitungslinie vorgesehenen Emittern; FIG. 2 shows a schematic representation of a machining line on a workpiece with emitters provided above the machining line;
Figur 3 eine vergrösserte Darstellung eines Ausschnitts aus Figur 2; FIG. 3 shows an enlarged representation of a detail from FIG. 2;
Figur 4 eine schematisch dargestellte Seitenansicht eines Laserstrahls, in den eine Optik zum Aufweiten eingesetzt ist; FIG. 4 shows a diagrammatic side view of a laser beam in which an optical system for expanding is used;
Figur 5 eine schematisch dargestellte Draufsicht auf eine Bearbeitungslinie mit sich kreuzenden Laserlinien. FIG. 5 shows a diagrammatic top view of a processing line with crossing laser lines.
Ausführungsbeispiel example
Gemäss Figur 1 sind auf einem Kantenbereich einer Bipolarplatte als Beispiel für ein Werkstück W gestrichelt angedeutet eine Mehrzahl von Bearbeitungslinien 1 vorgesehen, in deren Bereich eine obere Bipolarplatte mit einer nicht näher gezeigten unteren Bipolarplatte verbunden werden muss. Die Verbindung geschieht mittels Laserstrahlen, die nach dem Stand der Technik vorgegebenen Bearbeitungslinien 1 abfahren. According to FIG. 1, a plurality of machining lines 1 are provided on an edge region of a bipolar plate as an example of a workpiece W, indicated by dashed lines, in the region of which an upper bipolar plate must be connected to a lower bipolar plate (not shown in detail). The connection is made by means of laser beams, which follow the processing lines 1 specified in the prior art.
Dieses Abfahren wird gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Figur 2 und 3 durch eine Mehrzahl von Einzelemittern 2 erzeugt, die entlang der Bearbeitungslinie 1 angeordnet sind. Im Idealfall bedeutet dies, dass die
gesamte Bearbeitungslinie 1 durch einen einzelnen Laserimpuls (One Shot) erzeugt wird, wodurch natürlich die Geschwindigkeit der Schweissung wesentlich beschleunigt ist. Bevorzugt sind die Einzelemitter zu einem sogenannten Power-VICSEL-Array aus vielen hunderten bis tausenden Einzelemittern zusammengefasst. Der Strahlaustritt erfolgt dabei senkrecht zur Chip-Fläche, welche die Steuerung für die Laserdiode im Einzelemitter bewerkstelligt. Gemäss Figur 3 soll ein entsprechendes Strahlprofil 3 von benachbarten Einzelemittern rund ausgestaltet sein, wobei sich die Rundungen überlappen. Hierdurch wird gesichert erreicht, dass auf jeden Fall die Bearbeitungslinie 1 in dem Überlappungsbereich 4 z.B. geschweisst wird, während die Bearbeitungslinie 1 zwischen zwei Strahlprofilen 3 gesichert von dem Kreis überdeckt wird. According to a first exemplary embodiment of the invention according to FIGS. Ideally, this means that the entire processing line 1 is generated by a single laser pulse (one shot), which of course significantly accelerates the speed of the weld. The individual emitters are preferably combined to form a so-called power VICSEL array made up of many hundreds to thousands of individual emitters. The beam emerges perpendicularly to the chip surface, which controls the laser diode in the individual emitter. According to FIG. 3, a corresponding beam profile 3 from adjacent individual emitters should be designed to be round, with the curves overlapping. This ensures that the processing line 1 is, for example, welded in the overlapping area 4 in any case, while the processing line 1 between two beam profiles 3 is securely covered by the circle.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäss Figur 4 und 5 ist daran gedacht, dass ein Laserstrahl 5 durch eine Optik 6 nicht, wie nach dem Stand der Technik auf einen Punkt konzentriert, sondern zu einer Linie 7 aufgeweitet wird. In diesem Fall sind im bevorzugten Ausführungsbeispiel nebeneinander eine Mehrzahl von Emittern vorgesehen, die ebenfalls entlang der Bearbeitungslinie 1 verteilt angeordnet sind. Diese Emitter erzeugen über die Optik 6 die Linie 7, wobei im bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäss Figur 5 sich die Linien 7 von aufeinanderfolgenden Emittern kreuzen, so dass auch hier eine absolut sichere Bearbeitung der beiden Werkstücke entlang der Bearbeitungslinie erfolgt.
Weiß, Arat & Partner mbBIn a further exemplary embodiment of the invention according to FIGS. 4 and 5, it is envisaged that a laser beam 5 is not concentrated on a point, as is the case in the prior art, but is expanded to form a line 7 . In this case, in the preferred exemplary embodiment, a plurality of emitters are provided next to one another, which are also distributed along the processing line 1 . These emitters generate the line 7 via the optics 6, with the lines 7 of successive emitters crossing in the preferred exemplary embodiment according to FIG. 5, so that the two workpieces are also machined absolutely reliably along the machining line. Weiß, Arat & Partner mbB
Patentanwälte und Rechtsanwalt European Patent Attorneys Patent Attorneys and Attorney European Patent Attorneys
Aktenzeichen: P 5897/PCT Datum: 21.06.2022 File number: P 5897/PCT Date: 06/21/2022
Bezugszeichenliste
Reference List
Claims
1. Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken (W) entlang einer1. Process for machining workpieces (W) along a
Bearbeitungslinie (1) mittels einem Laserstrahl (5), der auf das Werkstück (W) trifft, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungslinie (1) eine Mehrzahl von Emittern (2) zugeordnet wird, die jeweils einen Laserstrahl (5) aussenden, der auf einenProcessing line (1) by means of a laser beam (5) which strikes the workpiece (W), characterized in that the processing line (1) is assigned a plurality of emitters (2), each of which emits a laser beam (5) which a
Teilbereich der Bearbeitungslinie (1) auftrifft. Section of the machining line (1) strikes.
2. Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken (W) entlang einer2. Process for machining workpieces (W) along a
Bearbeitungslinie (1) mittels einem Laserstrahl (5), der auf das Werkstück (W) trifft, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (5) vor dem Werkstück (W) durch eine Optik (6) geleitet wird, welche den Laserstrahl 5) zu einer Linie (7) aufweitet. Processing line (1) by means of a laser beam (5) which hits the workpiece (W), characterized in that the laser beam (5) is guided in front of the workpiece (W) through an optical system (6) which directs the laser beam 5). a line (7) widens.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die3. The method according to claim 2, characterized in that the
Aufweitung des Laserstrahls (5) durch eine Zylinderhülse bzw. ein Segment davon erfolgt. Expansion of the laser beam (5) takes place through a cylinder sleeve or a segment thereof.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Laserstrahlen (5) aufeinanderfolgend jeweils eine entsprechende Optik (6) passiert, wobei die Optik (6) den jeweiligen Laserstrahl (5) so ablenkt, dass sich aufeinanderfolgende durch die Laserstrahlen (5) erzeugten Linien (7) kreuzen.
4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that a plurality of laser beams (5) successively in each case a corresponding optics (6) passed, wherein the optics (6) deflects the respective laser beam (5) so that successive through the Laser beams (5) generated lines (7) cross.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Optik (6) auf dem Werkstück (W) ein kreisförmiger Laserstrahl (3) aufgebracht wird. 5. The method according to claim 2 or 3, characterized in that a circular laser beam (3) is applied through the optics (6) on the workpiece (W).
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich aufeinanderfolgende, kreisförmige Laserstrahlen (3) überlappen. 6. The method according to claim 5, characterized in that successive, circular laser beams (3) overlap.
7. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitter (2) aufeinanderfolgend entlang der Bearbeitungslinie (1 ) angeordnet werden. 7. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the emitters (2) are arranged consecutively along the processing line (1).
8. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungslinie (1 ) bzw. eine Mehrzahl von Bearbeitungslinien (1 ) auf dem Werkstück (W) durch einen einzigen Schuss bearbeitet wird. 8. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the processing line (1) or a plurality of processing lines (1) on the workpiece (W) is processed by a single shot.
9. Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken (W) entlang einer9. Device for processing workpieces (W) along a
Bearbeitungslinie (1 ) mittels einem Laserstrahl (5), der auf das Werkstück (W) auftrifft, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der BearbeitungslinieProcessing line (1) by means of a laser beam (5) which impinges on the workpiece (W), characterized in that along the processing line
(1 ) eine Mehrzahl von Emittern (2) angeordnet ist. (1) a plurality of emitters (2) is arranged.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitter10. The device according to claim 9, characterized in that the emitter
(2) Power- VCSEL-Arrays (vertical-cavity surface-emitting laser) sind. (2) are power VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser) arrays.
11 .Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Laserstrahl (5) eine Optik (6) zum Aufweiten des Laserstrahls (5) in eine Linie (7) bis hin zu einem Kreis angeordnet ist. 11 .Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that in the laser beam (5) an optical system (6) for expanding the laser beam (5) in a line (7) up to a circle is arranged.
12. Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken (W) mittels einem Laserstrahl (5), der auf das Werkstück (W) trifft, dadurch gekennzeichnet, dass mittels dem Laserstrahl (5) das Werkstück von Verunreinigungen befreit wird.
12. A method for processing workpieces (W) by means of a laser beam (5) which impinges on the workpiece (W), characterized in that the workpiece is freed from impurities by means of the laser beam (5).
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (5) vor dem Werkstück (W) durch eine Optik (6) geleitet wird, welche den Laserstrahl 5) aufweitet. 13. The method according to claim 12, characterized in that the laser beam (5) is guided in front of the workpiece (W) through an optical system (6) which expands the laser beam 5).
14. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie des Laserstrahls unter dem14. The method according to at least one of claims 12 or 13, characterized in that the energy of the laser beam under the
Schmelzpunkt des Werkstücks liegt. melting point of the workpiece.
15. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie des Laserstrahls über einer15. The method according to at least one of claims 12 to 14, characterized in that the energy of the laser beam over a
Verflüchtigungstemperatur der Verunreinigung liegt.
volatilization temperature of the impurity.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 22740779 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A2 |
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| DPE1 | Request for preliminary examination filed after expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101) |