WO2023061831A1 - Verfahren zur laserbearbeitung eines werkstücks mit verringerter intensitätslücke - Google Patents

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WO2023061831A1
WO2023061831A1 PCT/EP2022/077733 EP2022077733W WO2023061831A1 WO 2023061831 A1 WO2023061831 A1 WO 2023061831A1 EP 2022077733 W EP2022077733 W EP 2022077733W WO 2023061831 A1 WO2023061831 A1 WO 2023061831A1
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WO
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fiber
core
laser
ring
workpiece
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PCT/EP2022/077733
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French (fr)
Inventor
Oliver BOCKSROCKER
Patrick Haug
Nicolai Speker
Christof Sailer
Johannes SEEBACH
Original Assignee
Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/0604—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams
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    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/12—Copper or alloys thereof

Definitions

  • the invention relates to a method for processing a workpiece by means of a laser beam, the laser beam being provided at a fiber end of a fiber-optic cable, the fiber-optic cable having at least one core fiber with a core fiber diameter KFD, a ring fiber surrounding the core fiber in a ring shape with an outer ring fiber diameter ARFD, and a ring fiber between
  • the cladding layer lying on the core fiber and ring fiber and surrounding the core fiber is formed with a cladding layer thickness MSD, so that the laser beam comprises a core beam from the core fiber and a ring beam from the ring fiber, with the laser beam being focused in a focal plane with an imaging ratio AV in the direction of the workpiece will, being in the focal plane
  • the core beam has a core beam diameter KSD within which 86% of the laser power of the core beam is present
  • the ring beam has an outer ring beam diameter ARSD within which 86% of the laser power of the ring beam is present
  • laser welding also known as laser beam welding
  • laser cutting also known as laser beam cutting
  • a focused laser beam is directed onto the workpiece.
  • the power of the laser beam is absorbed by the workpiece, causing the temperature of the material of the workpiece to rise above the material-specific melting point and a melt of the material is formed. If the intensity of the laser beam is sufficiently high, especially during laser welding, part of the molten material evaporates and a cavity is formed deep in the workpiece (also referred to as a vapor capillary or keyhole), which is filled with metal vapor and surrounded by liquid melt.
  • the vapor capillary is often unstable and/or the melt pool shows great dynamics. This often leads to defects (such as spatter, cracks and pores) that degrade the quality of the workpiece or render the workpiece unusable. be able to.
  • An improvement in processing quality can often be achieved by laser beams that have a core portion and a ring portion. Laser beams with a core portion and a ring portion can be generated, for example, using a multi-clad fiber (see, for example,
  • the vapor capillary tends to be unstable and the dynamics of the melt pool are still high. Defects occur when machining the workpiece, which can reduce the quality of the workpiece and even render the workpiece unusable.
  • MSD ⁇ 0.3*KFD and furthermore ILB ⁇ 0.3*KSD MSD ⁇ 20 pm and ILB ⁇ 20 pm*AV.
  • jm or MSD ⁇ 12 pm or ILB ⁇ 15 pm*AV or ILB ⁇ 12 pm*AV MSD ⁇ 10 pm or ILB ⁇ 10 pm*AV.
  • the cladding layer thickness MSD of the fiber optic cable and the intensity gap width ILB of the laser beam each fall below a certain size, and continue to comply with certain size ratios in relation to the core fiber diameter KFD and the core beam diameter KSD. Accordingly, a particularly small distance between the core fiber and the ring fiber of the light-conducting cable and a particularly small distance between the core beam and the ring beam of the laser beam are selected. Due to the fact that the core beam and the ring beam are close together, a good, almost complete irradiation of the side walls or the radially outer area of the vapor capillary is possible when processing a workpiece using the laser beam. Overall, an essentially continuously conical vapor capillary is formed, from which the vaporized material can easily escape without having a noticeable mechanical effect on the surrounding melt pool. Accordingly, the melt pool dynamics remain low and the vapor capillary very stable.
  • vapor capillaries When processing workpieces with laser beams, which have a core beam and an annular beam with a large gap in intensity between them, as recently frequently proposed in the prior art, disadvantageously shaped vapor capillaries can form. Such vapor capillaries often have recesses of molten material that form in the region of the intensity gap. It is then difficult for the vapor to escape from the vapor capillary or from its central part, which extends deep into the material. The material vapor then presses on the recess, which introduces mechanical forces into the melt. In addition, in the central part of the vapor capillary, the vapor pressure of the vaporized material can temporarily increase and suddenly discharge, which can lead to splashing or even a recurring collapse of the vapor capillary.
  • the core fiber diameter KFD, the outer ring fiber diameter ARFD and the cladding layer thickness MSD can be determined by measuring.
  • the core beam diameter KSD is determined in the focal plane of the laser beam according to the 86% criterion.
  • a circular area is placed around the center of the intensity profile of the core beam with a diameter such that 86% of the laser power lies within the circular area.
  • the outer ring beam diameter ARSD is also determined in the focal plane of the laser beam according to the 86% criterion.
  • a circular area is placed around the center of the intensity profile of the ring beam with a diameter such that 86% of the laser power lies within the circular area.
  • the inner ring beam diameter IRSD is set on the inner side of the ring beam where there is the same radiance of the ring beam averaged over the circumference as on the outer ring beam diameter. Due to the low cladding layer thickness MSD, the size of the core beam diameter KSD, the outer ring beam diameter ARSD and the inner ring beam diameter IRSD can already be influenced during the preparation of the laser beam. This in turn can influence the intensity gap width ILB. Note that for the intensity gap width ILB, ILB ⁇ 20 pm*AV, preferably 10 pm*AV. The imaging ratio AV therefore affects the criterion for the absolute value which the intensity gap width must fall below in the method according to the invention.
  • the total energy of the laser beam can in principle be divided arbitrarily between the core portion and the ring portion.
  • 0% ⁇ KA ⁇ 100%, or also 1% ⁇ KA ⁇ 99%, preferably 5% ⁇ KA ⁇ can apply (averaged over time during the processing of the workpiece) for a laser energy of the core portion KA of the laser beam, in particular during laser welding 95%, particularly preferably 10% ⁇ KA ⁇ 90%.
  • the following can apply in particular for the laser energy of the core beam KA of the laser beam: 80% ⁇ KA ⁇ 97%, preferably 90% ⁇ KA ⁇ 97%, particularly preferably 93% ⁇ KA ⁇ 96%.
  • the laser energy of the core portion KA can be flexibly selected according to the requirements of the workpiece or the machining process.
  • a 2-in-1 fiber which comprises a core fiber and a ring fiber, can be used as the fiber optic cable, for example.
  • a fiber laser is preferably used as the laser source; alternatively, for example, a disk laser or a diode laser can also be used as the laser source.
  • MSD ⁇ 0.2*KFD and furthermore ILB ⁇ 0.2*KSD preferably MSD ⁇ 0.15*KFD and furthermore ILB ⁇ 0.15*KSD, particularly preferably MSD ⁇ 0.1*KFD and furthermore ILB ⁇ 0.1*KSD.
  • MSD ⁇ 9 pm and ILB ⁇ 9 pm*AV preferably MSD ⁇ 8 pm and ILB ⁇ 8 pm*AV, particularly preferably MSD ⁇ 7 pm and ILB ⁇ 7 pm*AV, very particularly preferably MSD ⁇ 6 pm and ILB ⁇ 6pm*AV.
  • MSD ⁇ 9 pm and ILB ⁇ 9 pm*AV preferably MSD ⁇ 8 pm and ILB ⁇ 8 pm*AV
  • MSD ⁇ 7 pm and ILB ⁇ 7 pm*AV very particularly preferably MSD ⁇ 6 pm and ILB ⁇ 6pm*AV.
  • the fiber core and the fiber ring are essentially no longer separated at the fiber end by a cladding layer separating them from one another.
  • MSD at least or only
  • MSD is essentially zero at the fiber end. Essentially includes zero and values close to zero, in particular minor, technically caused deviations therefrom, in particular up to lpm or 2pm.
  • the core fiber and the ring fiber converge at the fiber end, in particular until MSD is essentially equal to or close to zero.
  • the cladding layer thickness then decreases towards the fiber end until it is practically no longer present or at least no longer visible at the fiber end between the core fiber and the ring fiber.
  • the (practical) absence of a zero between the core and ring fibers at the end of the fiber results in a laser beam with core beam and ring beam, in which there is essentially no intensity gap width is, whereby the advantages already mentioned above and the advantages explained later specifically in relation to laser cutting are further enhanced.
  • These ratios of the core jet diameter KSD to the outer ring jet diameter ARSD have proven themselves in practice and lead to stable vapor capillaries in most applications.
  • the materials to be processed such as Cu-based, Al-based, or Fe-based materials
  • different ratios can be selected, such as by appropriately selecting the fiber optic cable.
  • the material or materials processed on the workpiece with the laser beam are selected from the following group: Cu, Cu alloy, in particular with at least 50% by weight Cu, Al, Al alloy, in particular with at least 50% by weight AI, Fe, Fe alloy, especially with at least 50% by weight Fe.
  • a stable vapor capillary could be generated during processing due to the small intensity gap width ILB between the core beam and the annular beam of the laser beam, thus reducing the formation of spatter and pores.
  • an output laser beam is fed partly into the core fiber and partly into the ring fiber of the light guide cable using a splitting device, in particular the splitting device being a variable splitting device with which the output laser beam is split onto the core fiber and the ring fiber is variably adjustable, preferably wherein the variable splitting device comprises a movable optical wedge.
  • a splitting device can be implemented easily and inexpensively in practice.
  • only one laser module (“laser source”) is required to generate the processing laser beam.
  • the core beam is generated with a first laser module and the ring beam is generated with a second laser module, with the first laser module feeding a first pre-laser beam into the core fiber and the second laser module feeding a second pre-laser beam into it feeds the ring fiber, in particular with the power of the first laser module and the power of the second laser module being variably adjustable.
  • the laser power of both pre-laser beams - and thus of the core beam and ring beam - can be easily adjusted and changed independently of each other.
  • a variant is preferred in which laser welding of the workpiece takes place with the laser beam.
  • a high welding speed is possible.
  • a weld seam produced during laser welding can have a good seam quality.
  • the formation of spatter and pores during welding can be reduced by setting up the stable vapor capillary.
  • the workpiece is laser welded in such a way that
  • T B of a depth T to a width B of a weld seam produced
  • At least two metallic components in particular based on iron, copper and/or aluminum, are welded during laser welding.
  • Laser welding can be used particularly well for metallic components.
  • a uniform vapor capillary and a melt pool surrounding the vapor capillary can form.
  • the metallic components can be easily connected to each other.
  • the at least two metal components can be made of the same material, or the at least two metal components can be made of different materials.
  • An alternative variant in which the workpiece is laser-cut with the laser beam is also preferred.
  • the energy of the ring beam of the laser beam is used to form an inlet funnel at the entrance of a kerf or a kerf in the workpiece created by the laser beam.
  • the removal of energy from the laser beam that is necessary for this leads to a reduction in the feed during laser cutting, as has been recognized here, so that comparatively little energy should be used in the ring fiber in the proposed laser cutting, as will be described in more detail later.
  • a large distance between the ring beam and the core beam is disadvantageous, since this creates a shadow area in the projection of the plane on the workpiece or on the workpiece surface.
  • the small distance provided according to the invention between the ring beam and the core beam maximizes the energy input into the laser cutting process after a corresponding cutting optics and at the entry of the kerf.
  • the resulting energy input forms a small radius at the entrance to the kerf, which can be generated with minimal width of the distance between ring beam and core beam through minimal energy input. This means that the narrow kerf can be used to cut faster and the cut edge still remains burr-free. This applies to both low and high feed rates.
  • the method according to the invention can produce high-quality cuts, in particular cutting can be done without burrs.
  • a high cutting speed is also possible.
  • burr-free contour cuts with slow corner and radii distances of the laser beam and higher feed rates on straight distances of the laser beam can be made possible.
  • the generation of a stable cutting front made possible according to the invention can improve the quality of the kerf produced during laser cutting.
  • the ring beam has a laser power of ⁇ 20%, in particular ⁇ 10% and very particularly ⁇ 5% of a total laser power of the laser beam.
  • the remaining laser power of the total laser power can consequently be transferred to the core beam.
  • the laser power distribution between the core fiber and ring fiber can be modulated or is modulated.
  • the comparatively low laser power in the ring beam makes it possible to form a particularly small radius at the entrance to the kerf.
  • the laser cutting can be carried out by two sub-processes running simultaneously. One of these sub-processes is that the focused laser beam is absorbed at the cutting front and thus brings in the energy required for cutting.
  • a cutting nozzle arranged in particular concentrically to the laser provides a process gas or cutting gas, which protects the focusing optics from vapors and spatter and also the removed material drives out of the kerf. Due to the comparatively low laser power in the ring beam, the cutting gas used during laser cutting is efficiently coupled into the narrow kerf.
  • the laser power of the ring beam can be ⁇ 300W in absolute values, in particular ⁇ 200W and very particularly ⁇ 150W.
  • the ring beam can in particular have an average fluence of 1.5J/mm 2 ⁇ 1J/mm 2 .
  • a fluctuation range of the set laser power components between the core beam and the ring beam should be less than 4%, especially less than 2%.
  • the laser beam can be operated in continuous wave (cw) mode or pulsed mode.
  • the core beam and the ring beam can be operated in the same mode as one another or in one of the aforementioned modes that differ from one another.
  • the laser beam in the core or ring fiber or the core beam or ring beam can be pulsed while the other beam, i.e. ring beam or core beam, can be operated in cw mode at the same time in order to achieve advantageous cutting properties.
  • the laser cutting takes place as 3D laser cutting.
  • 3D laser cutting can be used to make precise cuts in three-dimensional components. 3D components can thus be machined with a high degree of contour accuracy in the tenths of a millimeter range.
  • a hot-formed component (also called a hot-formed component) can be processed particularly precisely as a workpiece.
  • a field of application that is particularly relevant for laser cutting is the laser cutting of sheet metal as workpieces, which can be hot-formed. It is particularly advantageous if the sheets are processed with sheet thicknesses of ⁇ 4 mm, preferably ⁇ 2.5 mm and very particularly preferably ⁇ 2 mm. Because with such thin sheet metal and the high During feeds, the interaction time between the laser beam used and the material of the processed workpiece is short, so that melting due to heat conduction of energy has a particularly short range and therefore cannot contribute significantly to melting. This results in the increased requirement for a precise energy input in the cut. The energy efficiency can be increased in this way.
  • a Laval inner geometry is understood in particular to mean that the inner cross section of the cutting nozzle first narrows and then widens along its extension, with the transition between them taking place in particular continuously. This allows a particularly large distance between the cutting nozzle and the workpiece surface. In this way, for example, the number of cutting nozzle contacts with the processed workpiece can be significantly reduced, which in turn leads to significantly fewer downtimes of the laser processing machine and thus to increased productivity.
  • the laser cutting can preferably take place as an oblique cutting with an angle of incidence of the laser beam relative to the workpiece surface of the workpiece of up to 40°, in particular up to 30° and very particularly up to 20°.
  • the microradius at the joint entrance in the form of an inlet funnel
  • This increases the amount of cutting gas that penetrates or flows through the cutting gap, particularly when cutting at an angle.
  • the molten metal is blown out particularly effectively as a result.
  • the focus diameter of the core beam can be in particular in the range from 50 pm to 200 pm, very particularly in the range from 70 pm to 150 pm and also very particularly in the range from 80 pm to 120 pm.
  • the focus diameter of the core beam can be 100 pm.
  • a variant is particularly preferred which is characterized in that
  • a variant in which the focal plane lies in a workpiece surface facing the laser beam is also advantageous.
  • the best processing conditions in particular a minimal intensity gap
  • a workpiece or parts of a workpiece processed with a method according to the invention and described above also fall within the scope of the present invention.
  • the workpiece or parts of the workpiece can be processed in a simple and reliable manner with high quality.
  • the vapor capillary is stabilized during processing, which means that processing with few defects can be achieved.
  • the fiber optic cable comprises a fiber end for providing a laser beam
  • the fiber optic cable has at least one core fiber with a core fiber diameter KFD, a ring fiber surrounding the core fiber in a ring shape with an outer ring fiber diameter ARFD and a between
  • the cladding layer lying on the core fiber and ring fiber and surrounding the core fiber is formed with a cladding layer thickness MSD, characterized in that MSD ⁇ 0.3*KFD, and that MSD ⁇ 20pm, preferably MSD ⁇ 10
  • the optical fiber cable designed in this way is suitable for providing a laser beam according to the method according to the invention.
  • a particularly high-quality laser processing of workpieces can be carried out using the fiber-optic cable according to the invention.
  • MSD ⁇ 0.2*KFD can also apply, preferably MSD ⁇ 0.15*KFD, particularly preferably MSD ⁇ 0.1*KFD.
  • MSD ⁇ 9 pm, preferably MSD ⁇ 7 pm, particularly preferably MSD ⁇ 6 pm, can also apply in particular.
  • MSD>5pm as well.
  • the fiber-optic cable can be designed in the form of a taper fiber, which can be produced by stretching a fiber with a larger diameter.
  • the present invention includes the use of an optical fiber cable according to the invention, described above, in a method according to the invention, described above, in particular for processing a workpiece according to the invention, described above, or parts of a workpiece.
  • a particularly stable vapor capillary can be produced when processing workpieces. This enables high-quality, low-defect, especially low-spatter and low-pore processing.
  • FIG. 1 shows a schematic plan view of a fiber end of an exemplary fiber optic cable for providing a laser beam for the method according to the invention
  • Fig. 2 explains an exemplary laser beam for the method according to the invention, as it can be generated by the fiber end, as described in Fig. 1, with the intensity profile of the core beam (a), the intensity profile of the ring beam (b) and the intensity profile of the whole Laser beam (c) in the focal plane and with a schematic representation of the laser beam in cross section (d);
  • 3a shows a schematic representation of a laser beam in cross section according to the prior art and a schematic sectional view of a workpiece which is processed by the laser beam;
  • 3b shows a schematic representation of an exemplary laser beam in cross section according to the method according to the invention and a schematic sectional view of a workpiece which is processed by the laser beam according to the method according to the invention
  • 4 illustrates an exemplary splitting device and fiber optic cable for splitting and converting an output laser beam into a laser beam for the method of the present invention
  • FIG. 5a shows, in a schematic top view, two exemplary metallic components which are welded to one another by laser welding within the scope of the method according to the invention
  • 5b shows, in a schematic top view, an exemplary workpiece which is cut by laser cutting within the scope of the method according to the invention.
  • the fiber-optic cable 2 is designed here as a 2-in-1 fiber 2a.
  • the 2-in-1 fiber 2a here has a core fiber 3 (through which the core beam of the laser beam is provided) and a ring fiber 4 (through which the ring beam of the laser beam is provided) surrounding it.
  • the core fiber 3 is surrounded by a cladding layer 5 (inner shaded area).
  • the ring fiber 4 is surrounded by a further cladding layer 18 (outer shaded area).
  • the core fiber 3 has a core fiber diameter KFD of 50 ⁇ m.
  • the ring fiber 4 here has an outer ring fiber diameter ARFD of 200 ⁇ m.
  • a cladding layer thickness MSD of the cladding layer 5 is 6 ⁇ m here.
  • the cladding layer thickness MSD can preferably be below 10 ⁇ m.
  • the cladding layer thickness MSD is usually above 5 ⁇ m.
  • the ratio of the cladding layer thickness MSD to the core fiber diameter KFD is below or equal to a factor of 0.3.
  • jm 0.25.
  • the fiber-optic cable 2 shown here is suitable both for lasers in single mode and for lasers in multi-mode.
  • the core fiber diameter KFD is between 10 pm and 50 pm in single mode and between 50 pm and 400 pm in multimode
  • the outer ring fiber diameter ARFD is between 20 pm and 500 pm in single mode and between 40 pm and 2000 pm in multi mode.
  • Fig. 2 shows an exemplary variant of the method according to the invention a) a diagram of the intensity profile of the core beam 6 in the focal plane along a straight line G, b) a diagram of the intensity profile of the ring beam 7 in the focal plane along the straight line G, c) a diagram the intensity profile of the entire laser beam 8 in the focal plane along the straight line G and d) a schematic representation of the laser beam 8 in cross section.
  • the straight line G here runs parallel to the x-axis through the center of the laser beam 8, as can be seen in cross section d).
  • the intensity is plotted in arbitrary units on the ordinate of the diagrams in a), b) and c) and the x-direction is plotted on the abscissa (corresponding to the straight line G, which here runs parallel to the x-direction).
  • the coordinate system in d) is chosen so that the x-axis points to the right and the y-axis points up.
  • the intensity profile of the core beam 6 is shown.
  • the intensity profile of core beam 6 was obtained here by shadowing ring beam 7 .
  • the core beam 6 has a central intensity plateau here.
  • a core beam diameter KSD of the core beam 6 the 86% criterion is used. This means that a circular area (indicated here by dashed lines) is placed around a center ZK of the core beam 6 with a with a diameter so that 86% of the laser power lies within the circular area.
  • the core beam diameter KSD is approximately 50 pm in the example shown here.
  • the intensity profile of the ring beam 7 is shown.
  • the intensity profile of ring beam 7 was obtained here by shadowing core beam 6 .
  • the ring beam 7 has a ring-like intensity plateau here.
  • an outer ring beam diameter ARSD of the ring beam 7 In order to determine an outer ring beam diameter ARSD of the ring beam 7, the 86% criterion is used. This means that a circular area (also indicated here by dashed lines) is placed around a center ZR of the ring beam 7 with a diameter such that 86% of the laser power lies within the circular area.
  • the outer ring beam diameter ARSD is approximately 200 pm in the example shown here.
  • An inner ring beam diameter IRSD is set on the inner side of the ring beam 7 where there is the same radiation density of the ring beam 7 averaged over the circumference as on the outer ring beam diameter ARSD.
  • the inner ring beam diameter IRSD is approximately 62 pm in the example shown here.
  • the intensity profile of the entire laser beam 8 is shown.
  • an intensity gap 9 with an intensity gap width ILB.
  • the intensity gap width ILB can preferably be below 10 pm*AV (with AV: imaging ratio).
  • the laser beam 8 described in c) is shown in cross section in the focal plane, as it is provided with the fiber end of the fiber optic cable from FIG becomes.
  • the core beam diameter KSD, the inner ring beam diameter IRSD and the outer ring beam diameter ARSD are determined as described above in a) and b) according to the 86% criterion and a corresponding circular area for the core beam 6 (inner dotted circular area) and a corresponding ring area for the ring ray 7 (outer dotted area) is drawn.
  • the core beam 6 is surrounded by the annular beam 7 in the form of a ring. Between the core beam 6 and the ring beam 7 is the intensity gap 9. The intensity gap 9 surrounds the core beam 6 in a ring.
  • An imaging ratio AV here is 1:1.
  • the imaging ratio AV for the method according to the invention is between 1:1 and 5:1.
  • the ratio of the core beam diameter KSD to the outer annular beam diameter ARSD is above or at a factor of 0.1 and below or at a factor of 0.5.
  • FIG. 3a shows an exemplary, fictitious laser beam 8 according to the prior art in a cross section in the focal plane 11.
  • the coordinate system for the representation of the laser beam 8 is selected such that the x-axis is to the right and the y-axis is up shows.
  • a greatly simplified, schematic sectional view of a workpiece 10 is shown below, which is processed by the laser beam 8.
  • the coordinate system for the sectional view of the workpiece 10 is selected such that the x-axis points to the right and the z-axis points upwards.
  • the outer ring beam diameter ARSD 200 pm
  • the inner ring beam diameter IRSD 130 pm
  • the intensity gap width ILB 40 pm.
  • the intensity gap width ILD is therefore significantly larger in the example of the prior art shown than is proposed in the invention.
  • the workpiece 10 is processed by the laser beam 8 just described.
  • the laser beam 8 is focused in the direction of a workpiece surface 10a of the workpiece 10 in the focal plane 11 (dashed line); in the example shown, the workpiece surface 10a coincides with the focal plane 11 .
  • the core jet 6 and the ring jet 7 penetrate from the workpiece surface 10a into the workpiece 10.
  • the effect of the core jet 6 and the ring jet 7 forms a vapor capillary 12, which is shown here very schematically.
  • the material of the workpiece 10 is melted in the vicinity of the vapor capillary 12, as a result of which a molten pool 13 of liquid material of the workpiece 10 is formed.
  • the vapor capillary 12 is here composed of an inner area (central part) 14 of the vapor capillary 12 and an outer area (peripheral/radially outer part) 15 of the vapor capillary 12.
  • the inner area 14 is mainly formed by the core jet 6.
  • the outer area 15 is mainly formed by the ring beam 7 .
  • the large intensity gap 9 in the prior art means that there is a pronounced recess 28 of the melt pool 13 between the inner area 14 and the outer area 15 of the vapor capillary 12, since the side walls 29 of the vapor capillary 12 are only insufficiently irradiated due to the large intensity gap 9.
  • the vapor capillary 12 becomes, so to speak, through the recess 28 split in two.
  • the recess 28 arises because in the region of the pronounced intensity gap 9 little or no material is vaporized. Accordingly, the vapor capillary 12 has an uneven opening.
  • the recess 28 causes an unsteady dynamic of the molten pool 13 and the evaporated material of the workpiece 10 from the inner area 14 can escape from the vapor capillary 12 only with difficulty. As a result, defects (such as spatter, pores or cracks) can arise during processing, which reduce the quality of the workpiece 10 or render the workpiece 10 unusable.
  • Fig. 3b schematically shows the exemplary laser beam 8 from Fig. 2 according to the method according to the invention in a cross section in the focal plane 11.
  • the coordinate system for the representation of the laser beam 8 is selected such that the x-axis is to the right and the y-axis is to the right shows above.
  • a greatly simplified, schematic sectional view through a workpiece 10 which is processed by the laser beam 8 is shown below.
  • the coordinate system for the sectional view through workpiece 10 is selected such that the x-axis points to the right and the z-axis points upwards.
  • the vapor capillary 12 is here again composed of the inner area 14 of the vapor capillary 12 and the outer area 15 of the vapor capillary 12.
  • the small intensity gap 9 according to the method according to the invention causes the inner area 14 and the outer area 15 of the vapor capillary 12 to merge into one another without recesses 28. Material can be evaporated practically radially continuously.
  • the ring jet 7 opens the common vapor capillary 12 wide at the top and the core jet 6 allows deep processing of the workpiece 10 .
  • the side walls 29 of the vapor capillary 12 take from Outer area 15 to the inner area 14 to uniformly, whereby an almost conical vapor capillary 12 is formed.
  • the vaporized material escapes particularly easily from the common vapor capillary 12 and in particular from the inner region 14 during the machining of the workpiece 10 .
  • the common vapor capillary 12 is thus stabilized and kept open in a stable manner. Furthermore, formation of defects (such as spatter and pinholes) in the processing of workpiece 10 with a common vapor capillary 12 formed in this way is reduced or completely prevented. At the same time, it is possible to obtain a constant machining depth in the workpiece 10.
  • Fig. 4 shows a schematic side view of a splitting device 16 that can be used with the invention, with the fiber optic cable 2 (shown in section), an output laser beam 17 and the laser beam 8.
  • the output laser beam 17 propagates along an axis A.
  • the fiber-optic cable 2 has the core fiber 3 (inner dotted area) and the cladding layer 5 surrounding the core fiber 3 (inner two dashed areas).
  • the cladding layer 5 is followed by the ring fiber 4 (outer two dotted areas), which is surrounded by the further cladding layer 18 (outer two dotted areas).
  • the output laser beam 17 is coupled into the fiber optic cable 2 at the beginning 19 of the fiber and the laser beam 8 for the method according to the invention is then made available at the fiber end 1 of the fiber optic cable 2 .
  • the output laser beam 17 is generated by a laser source (not shown in detail).
  • the output laser beam 17 propagates here along the axis A in a collimated manner and is directed onto the splitting device 16 .
  • the splitting device 16 is a variable splitting device 16a, which comprises a focusing lens 20 and a movable optical wedge 21.
  • Half of the optical wedge 21 has entered a beam path 22 of the output laser beam 17 here.
  • part of the output laser beam 17 is deflected (refracted) by the optical wedge 21; this part is referred to as the deflected part 17a.
  • Another part of the output laser beam 17 is guided past the optical wedge 21; this part is referred to as undeflected part 17b.
  • the undeflected portion 17b of the output laser beam 17 and the deflected portion 17a of the output laser beam 17 are both refracted at the focusing lens 20, respectively.
  • the undeflected part 17b of the output laser beam 17 is focused onto the core fiber 3 , coupled into the core fiber 3 and provided as the core beam 6 at the fiber end 1 .
  • the deflected part 17a of the output laser beam 17 is focused onto the ring fiber 4 , coupled into the ring fiber 4 and provided at the fiber end 1 as a ring beam 7 . Together, the core beam 6 and the ring beam 7 then result in the laser beam 8 for the method according to the invention. If the optical wedge 21 is shifted in the transverse direction (perpendicular to the axis A), the proportions of the output laser beam 17 which are on the core fiber 3 and ring fiber 4 can be flexibly changed.
  • the laser beam 8 can also be generated by a first laser module and a second laser module.
  • a first pre-laser beam is fed into the core fiber 3 via the first laser module and the core beam 6 is generated.
  • a second pre-laser beam is fed into the ring fiber 4 via the second laser module and the ring beam 7 is generated.
  • the power of the laser modules can be varied depending on the area of application and the material being processed.
  • FIG. 5a shows, in a schematic top view, two metallic components 23a, 23b, which are welded together here by laser welding to form a workpiece 10 within the scope of the method according to the invention.
  • the coordinate system is chosen so that the x-axis points to the right and the y-axis points up.
  • the first metallic component 23a (here based on copper) lies on the second metallic component 23b (here based on aluminum).
  • the focal plane of the laser beam 8 lies on a component surface 24 of the upper component 23a.
  • a core beam diameter KSD′ of the core beam 6 of the laser beam 8 on the component surface 24 is approximately 50 ⁇ m here.
  • the core beam diameter KSD' is typically between 10 ⁇ m and 300 ⁇ m in single mode and between 50 ⁇ m and 1200 ⁇ m in multimode.
  • An inner ring beam diameter IRSD′ of the ring beam 7 of the laser beam 8 is approximately 62 ⁇ m here.
  • An outer ring beam diameter ARSD′ of the ring beam 7 of the laser beam 8 is approximately 200 ⁇ m here.
  • the laser beam 8 is moved at a feed rate in a feed direction V, which is parallel to the x-axis here.
  • the area that has already been welded by the laser beam 8 has a weld seam 25 .
  • the method according to the invention can be used to achieve a qualitatively good weld seam 25 and good welding of the two metallic components 23a, 23b with at the same time little formation of pores and spatter.
  • FIG. 5b shows a schematic top view of a workpiece 10, which is cut here by laser cutting within the scope of the method according to the invention, and three sections 26 of the workpiece 10 that have already been cut off.
  • the coordinate system is selected in such a way that the x-axis points to the right and the y-axis axis pointing up.
  • the laser beam 8 is first directed here at a workpiece edge 10b.
  • the laser beam 8 is then moved into the workpiece 10 at a feed rate in the feed direction V, which is parallel to the y-axis here.
  • the laser beam 8 travels once over or through the workpiece 10 in order to cut through the workpiece 10 .
  • the three sections 26 are shown, which have already been severed from the workpiece 10 by the laser cutting.
  • a qualitatively good cutting edge 27 can be achieved with at the same time low burr formation by the method according to the invention.

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Abstract

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

Description

Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks mit verringerter Intensitätslücke
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls, wobei der Laserstrahl an einem Faserende eines Lichtleitkabels bereitgestellt wird, wobei das Lichtleitkabel zumindest mit einer Kernfaser mit einem Kernfaserdurchmesser KFD, einer die Kernfaser ringförmig umgebenden Ringfaser mit einem äußeren Ringfaserdurchmesser ARFD und einer zwischen Kernfaser und Ringfaser liegenden und die Kernfaser umgebenden Mantelschicht mit einer Mantelschichtdicke MSD ausgebildet ist, so dass der Laserstrahl einen Kernstrahl aus der Kernfaser und einen Ringstrahl aus der Ringfaser umfasst, wobei der Laserstrahl mit einem Abbildungsverhältnis AV in Richtung auf das Werkstück zu in einer Fokusebene fokussiert wird, wobei in der Fokusebene
- der Kernstrahl einen Kernstrahldurchmesser KSD aufweist, innerhalb dessen 86% der Laserleistung des Kernstrahls vorliegen,
- der Ringstrahl einen äußeren Ringstrahldurchmesser ARSD aufweist, innerhalb dessen 86% der Laserleistung des Ringstrahls vorliegen, und
- der Ringstrahl einen inneren Ringstrahldurchmesser IRSD aufweist, auf dem eine gleiche über den Umfang gemittelte Strahlungsdichte des Ringstrahls wie auf dem äußeren Ringstrahldurchmesser ARSD vorliegt, so dass sich eine Intensitätslücke zwischen dem inneren Ringstrahldurchmesser IRSD und dem Kernstrahldurchmesser KSD mit einer Intensitätslückenbreite ILB=(IRSD-KSD)/2 ergibt.
Ein solches Verfahren ist aus K. Kleine, P. Kailage, F. Nagel, „Copper welding with high brightness center mode fiber lasers", Präsentation auf der European Automotive Laser Applications 2021, bekannt geworden.
Die Bearbeitung von metallischen Werkstücken mittels eines Laserstrahls ist in der industriellen Fertigung, wie etwa in der Automobilindustrie, weit verbreitet. Häufig verwendete Bearbeitungsverfahren sind das Laserschweißen (auch als Laserstrahlschweißen bezeichnet), bei dem zwei oder mehrere Komponenten zu einem (gesamten) Werkstück dauerhaft miteinander verbunden werden können, und das Laserschneiden (auch als Laserstrahlschneiden bezeichnet), bei dem ein Werkstück geschnitten werden kann.
In der Regel wird bei der Bearbeitung von Werkstücken nach den oben genannten Bearbeitungsverfahren ein fokussierter Laserstrahl auf das Werkstück gerichtet. Die Leistung des Laserstrahls wird vom Werkstück absorbiert, wodurch die Temperatur des Materials des Werkstücks über den materialspezifischen Schmelzpunkt hinaus ansteigt und sich eine Schmelze des Materials bildet. Bei ausreichend hoher Strahlintensität des Laserstrahls, insbesondere beim Laserschweißen, verdampft ein Teil des geschmolzenen Materials und es bildet sich ein Hohlraum in der Tiefe des Werkstücks aus (auch als Dampfkapillare oder Keyhole bezeichnet), der mit Metalldampf gefüllt und von flüssiger Schmelze umgeben ist.
Bei der Bearbeitung von Werkstücken mit einfachen Laserstrahlen ist die Dampfkapillare oft instabil und/oder das Schmelzbad weist eine große Schmelzbaddynamik auf. Es kommt dann oft zu Defekten (wie Spritzern, Rissen und Poren), die die Qualität des Werkstücks verschlechtern oder das Werkstück unbrauchbar ma- chen können. Durch Laserstrahlen, die einen Kernanteil und einen Ringanteil aufweisen, kann oft eine Verbesserung der Bearbeitungsqualität erreicht werden. Laserstrahlen mit Kernanteil und Ringanteil können beispielsweise mittels einer Mehrfachclad-Faser erzeugt werden (siehe beispielsweise
DE 10 2010 003 750 Al oder auch DE 10 2019 215 968 Al).
In jüngster Zeit wurde für die Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls mit Kernanteil und Ringanteil vermehrt vorgeschlagen, eine Intensitätslücke zwischen dem Kernanteil und dem Ringanteil groß zu wählen. Ein Beispiel hierfür ist die eingangs zitierte Präsentation von K. Kleine et al., bei der in einer Anwendung eine Intensitätslücke mit einer Breite, die ungefähr dem Kernstrahldurchmesser entspricht und ungefähr 50 pm breit ist, erkennbar ist; auch die weiteren gezeigten Intensitätslücken sind vergleichsweise breit.
Trotz Anwendung von Laserstrahlen mit Kernstrahl und Ringstrahl kommt es bei manchen Anwendungen vor, dass die Dampfkapillare zur Instabilität neigt und die Dynamik des Schmelzbades weiterhin groß ist. Es treten Defekte bei der Bearbeitung des Werkstücks auf, die die Werkstückqualität schmälern können und das Werkstück sogar unbrauchbar machen können.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls zur Verfügung zu stellen, durch welches die Bearbeitungsqualität verbessert werden kann.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass MSD<0,3*KFD und weiterhin ILB<0,3*KSD, und dass MSD<20 pm und ILB<20pm*AV. Beispielsweise kann gelten: MSD<15 |jm oder MSD<12 pm bzw. ILB<15 pm*AV oder ILB<12 pm*AV. Bevorzugt kann gelten: MSD<10 pm bzw. ILB<10 pm*AV.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass die Mantelschichtdicke MSD des Lichtleitkabels sowie die Intensitätslückenbreite ILB des Laserstrahls jeweils eine bestimmte Größe unterschreiten, und weiter bestimmte Größenverhältnisse in Bezug auf den Kernfaserdurchmesser KFD und den Kernstrahldurchmesser KSD einhalten. Es wird entsprechend ein besonders kleiner Abstand zwischen der Kernfaser und der Ringfaser des Lichtleitkabels und ein besonders kleiner Abstand zwischen Kernstrahl und Ringstrahl des Laserstrahls gewählt. Dadurch, dass der Kernstrahl und der Ringstrahl nahe beieinander liegen, ist bei der Bearbeitung eines Werkstücks mittels des Laserstrahls eine gute, quasi vollständige Bestrahlung der Seitenwände bzw. des radial äußeren Bereichs der Dampfkapillare möglich. Es bildet sich insgesamt eine im Wesentlichen durchgehend konische Dampfkapillare aus, aus der das verdampfte Material leicht austreten kann, ohne auf das umgebende Schmelzbad merklich mechanisch einzuwirken. Entsprechend bleibt die Schmelzbaddynamik gering und die Dampfkapillare sehr stabil.
Bei der Bearbeitung von Werkstücken mit Laserstrahlen, die einen Kernstrahl und einen Ringstrahl mit einer großen dazwischen liegenden Intensitätslücke wie zuletzt häufiger im Stand der Technik vorgeschlagen aufweisen, können sich unvorteilhaft ausgeformte Dampfkapillaren ausbilden. Solche Dampfkapillaren weisen häufig Rücksprünge aus geschmolzenem Material auf, die sich im Bereich der Intensitätslücke bilden. Der Dampf kann dann nur schwer aus der Dampfkapillare bzw. aus deren zentralem, tief in das Material reichendem Teil entweichen. Der Materialdampf drückt dann auf den Rücksprung, was mechanische Kräfte in die Schmelze einleitet. Zudem kann sich im zentralen Teil der Dampfkapillare der Dampfdruck des verdampften Materials zeitweise erhöhen und plötzlich entladen, was zu Spritzern oder gar einem wiederkehrenden Kollabieren der Dampfkapillare führen kann. Insgesamt wird also oft ein unruhiges Schmelzbad erhalten, welches zu Defekten bei der Bearbeitung führen kann. Demgegenüber steht das erfindungsgemäße Verfahren. Durch die radial nahezu durchgängige Bestrahlung der Seitenwände der Dampfkapillare (also des radial äußeren Bereichs um den zentralen, tief in das Material reichenden Teil der Dampfkapillare herum) durch den nahe am Kernstrahl liegenden Ringstrahl ergibt sich eine sich von radial außen nach radial innen stetig vertiefende, nahezu konische Öffnung der Dampfkapillare. Das verdampfte Material (meist Metalldampf) kann besonders leicht entweichen und wird am Entweichen nicht durch einen Rücksprung aus geschmolzenem Material gehindert, und es besteht auch keine Gefahr, dass ein solcher Rücksprung kollabiert. Hierdurch wird die Schmelzbaddynamik des die Dampfkapillare umgebenden Schmelzbades gering gehalten und die Bildung von Spritzern minimiert, die sich negativ auf die Qualität des Werkstücks auswirken können. Die durchgängige Bestrahlung der Seitenwände der Dampfkapillare führt zu einer ausreichend hohen Intensität im Bearbeitungsbereich („Prozesszone") des Werkstücks, sodass stets ein ausreichend großer Dampfdruck zur stabilen Öffnung der Dampfkapillare gewährleistet werden kann. Hierdurch kann die Gefahr reduziert werden, dass die Dampfkapillare kollabiert und sich Poren bilden, die die Qualität des Werkstücks mindern können. Gleichzeitig kann eine präzise Bearbeitungstiefe im Werkstück erreicht werden.
Der Kernfaserdurchmesser KFD, der äußere Ringfaserdurchmesser ARFD und die Mantelschichtdicke MSD können durch Ausmessen ermittelt werden. Die Bestimmung des Kernstrahldurchmessers KSD erfolgt in der Fokusebene des Laserstrahls nach dem 86%-Kriterium. Hierzu wird eine Kreisfläche um das Zentrum des Intensitätsprofils des Kernstrahls gelegt mit einem Durchmesser, so dass 86% der Laserleistung innerhalb der Kreisfläche liegen. Die Bestimmung des äußeren Ringstrahldurchmessers ARSD erfolgt ebenfalls in der Fokusebene des Laserstrahls nach dem 86%-Kriterium. Hier wird eine Kreisfläche um das Zentrum des Intensitätsprofils des Ringstrahls gelegt mit einem Durchmesser, so dass 86% der Laserleistung innerhalb der Kreisfläche liegen. Der innere Ringstrahldurchmesser IRSD wird auf der innen liegenden Seite des Ringstrahls dort angesetzt, wo eine gleiche über den Umfang gemittelte Strahlungsdichte des Ringstrahls wie auf dem äußeren Ringstrahldurchmesser vorliegt. Durch die geringe Mantelschichtdicke MSD kann bereits bei der Bereitstellung des Laserstrahls Einfluss auf die Größe des Kernstrahldurchmessers KSD, des äußeren Ringstrahldurchmessers ARSD und des inneren Ringstrahldurchmessers IRSD genommen werden. Hierdurch kann wiederum die Intensitätslückenbreite ILB beeinflusst werden. Man beachte, dass für die Intensitätslückenbreite ILB gilt, dass ILB<20 pm*AV, vorzugsweise 10 pm*AV. Das Abbildungsverhältnis AV wirkt sich also auf das Kriterium für den absoluten Wert aus, den die Intensitätslückenbreite beim erfindungsgemäßen Verfahren unterschreiten muss.
Bei der Bearbeitung des Werkstücks mit dem Laserstrahl kann die Gesamtenergie des Laserstrahls grundsätzlich beliebig auf den Kernanteil und den Ringanteil aufgeteilt sein. Insbesondere kann (im zeitlichen Mittel während der Bearbeitung des Werkstücks) für eine Laserenergie des Kernanteils KA des Laserstrahls, insbesondere beim Laserschweißen, gelten 0%<KA<100%, oder auch 1%<KA<99%, bevorzugt 5%<KA<95%, besonders bevorzugt 10%<KA<90%. Beim Laserschneiden kann für die Laserenergie des Kernstrahls KA des Laserstrahls insbesondere gelten: 80%<KA<97%, bevorzugt 90%<KA<97%, besonders bevorzugt 93%<KA<96%. Entsprechend den Anforderungen an das Werkstück oder das Bearbeitungsverfahren kann die Laserenergie des Kernanteils KA flexibel gewählt werden.
Als Lichtleitkabel kann beispielsweise eine 2-in-l-Faser genutzt werden, die eine Kernfaser und eine Ringfaser umfasst. Im Rahmen der Erfindung wird bevorzugt als Laserquelle ein Faserlaser genutzt; alternativ kann beispielsweise auch ein Scheibenlaser oder ein Diodenlaser als Laserquelle genutzt werden.
Bevorzuote Varianten der Erfinduno
Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass MSD<0,2*KFD und weiterhin ILB<0,2*KSD, bevorzugt MSD<0,15*KFD und weiterhin ILB<0,15*KSD, besonders bevorzugt MSD<0,l*KFD und weiterhin ILB<O,1*KSD. Diese Größenverhältnisse haben sich in der Praxis bewährt. Durch die kleinere Mantelschichtdicke MSD und die geringere Intensitätslückenbreite ILB rücken der Kernanteil und der Ringanteil des Laserstrahls noch näher zusammen. Die Dampfkapillare kann hierdurch noch besser stabilisiert werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass MSD<9pm und ILB<9pm*AV, bevorzugt MSD<8pm und ILB<8pm*AV, besonders bevorzugt MSD<7pm und ILB<7pm*AV, ganz besonders bevorzugt MSD<6pm und ILB<6pm*AV. Diese Werte haben sich in der Praxis besonders bewährt und lassen sich einfach umsetzen. Der Kernanteil und der Ringanteil des Laserstrahls rücken noch näher zusammen, wodurch die Dampfkapillare noch besser stabilisiert werden kann. Typischerweise ist auch MSD>5pm, und/oder ILB>5pm*AV.
Wie anhand der obigen Beschreibung erkennbar ist, ist es besonders vorteilhaft, den Abstand zwischen dem Ringstrahl und dem Kernstrahl des Laserstrahls möglichst gering zu halten. Dies trifft ganz besonders, aber nicht nur, auf die später näher beschriebene Anwendung des Laserstrahls zum Laserschneiden zu. Ganz besonders bevorzugt ist, wenn der Faserkern und der Faserring am Faserende im Wesentlichen nicht mehr durch eine diese voneinander trennenden Mantelschicht getrennt sind. Das heißt, dass MSD (zumindest oder nur) am Faserende im Wesentlichen gleich Null ist. Im Wesentlichen schließt Null und Werte nahe Null, insbesondere geringfügige, technisch bedingte Abweichungen davon, insbesondere bis lpm oder 2pm ein. Konstruktiv kann vorgesehen werden, dass die Kernfaser und die Ringfaser am Faserende zusammenlaufen, insbesondere bis MSD im Wesentlichen gleich Null oder nahe Null ist. Die Mantelschichtdicke nimmt dann zum Faserende hin ab, bis sie am Faserende zwischen Kernfaser und Ringfaser praktisch nicht mehr vorhanden bzw. zumindest nicht mehr sichtbar ist. Durch die dadurch erzielte (praktische) Abwesenheit einer Nullstelle zwischen der Kern- und Ringfaser am Faserende resultiert ein Laserstrahl mit Kernstrahl und Ringstrahl, bei dem im Wesentlichen keine Intensitätslückenbreite mehr vorhanden ist, wodurch die oben bereits erwähnten Vorteile und die speziell in Bezug auf das Laserschneiden später erläuterten Vorteile weiter verstärkt werden.
Ebenso bevorzugt ist eine Variante, die dadurch gekennzeichnet ist, dass für den Kernstrahldurchmesser KSD des Kernstrahls und für den äußeren Ringstrahldurchmesser ARSD des Ringstrahls in der Fokusebene gilt: 1/10 < KSD/ARSD < 1/2, bevorzugt 1/3 < KSD/ARSD < 1/5, besonders bevorzugt KSD/ARSD =1/4. Diese Verhältnisse des Kernstrahldurchmessers KSD zum äußeren Ringstrahldurchmesser ARSD haben sich in der Praxis bewährt und führen in den meisten Anwendungsfällen zu stabilen Dampfkapillaren. Entsprechend der Materialien, die bearbeitet werden (wie Materialien auf Cu- Basis, Al-Basis oder Fe-Basis) können unterschiedliche Verhältnisse gewählt werden, etwa durch geeignete Wahl des Lichtleitkabels.
Weiterhin bevorzugt ist eine Variante, die vorsieht, dass in der für den Kernfaserdurchmesser KFD bei Single-Mode 10pm<KFD<40pm gilt, oder bei Multi-Mode 40pm<KFD<400pm gilt, bevorzugt 50pm<KFD<200pm, besonders bevorzugt KFD=50pm oder KFD=75pm, und dass für den äußeren Ringfaserdurchmesser ARFD bei Single Mode 20pm<ARFD<500pm gilt, bevorzugt 40pm<ARFD<200pm, oder bei Multi-Mode 40pm<ARFD<2000pm gilt, bevorzugt 80pm<ARFD<800pm, besonders bevorzugt ARFD = 200pm oder ARFD=300pm. Beispielsweise kann eine Kombination aus KFD=50pm und ARFD = 200pm oder aus KFD=75pm und ARFD=300pm gewählt werden. Dies sind für die Praxis bewährte Parameterbereiche, die sich leicht umsetzen lassen und mit denen Laserstrahlen guter Qualität für unterschiedliche Anwendungsgebiete des Verfahrens zur Verfügung gestellt werden können.
Auch bevorzugt ist eine Variante, bei der das oder die am Werkstück mit dem Laserstrahl bearbeiteten Materialien ausgewählt sind aus folgender Gruppe: Cu, Cu-Legierung, insbesondere mit wenigstens 50 Gew% Cu, AI, Al-Legierung, insbesondere mit wenigstens 50 Gew% AI, Fe, Fe-Legierung, insbesondere mit wenigstens 50 Gew% Fe. Für diese Materialarten konnten durch die geringe Intensitätslückenbreite ILB zwischen Kernstrahl und Ringstrahl des Laserstrahls eine stabile Dampfkapillare während der Bearbeitung erzeugt und damit die Bildung von Spritzern und Poren verringert werden.
In einer Variante ist vorgesehen, dass zur Erzeugung des Laserstrahls ein Ausgangslaserstrahl mit einer Aufteilungsvorrichtung zum Teil in die Kernfaser und zum Teil in die Ringfaser des Lichtleitkabels eingespeist wird, insbesondere wobei die Aufteilungsvorrichtung eine variable Aufteilungsvorrichtung ist, mit der eine Aufteilung des Ausgangslaserstrahls auf die Kernfaser und die Ringfaser veränderlich einstellbar ist, bevorzugt wobei die variable Aufteilungsvorrichtung einen verfahrbaren optischen Keil umfasst. Eine solche Aufteilungsvorrichtung ist in der Praxis einfach und kostengünstig umsetzbar. Außerdem ist lediglich ein Lasermodul („Laserquelle") zur Erzeugung des bearbeitenden Laserstrahls nötig.
In einer alternativen Variante ist vorgesehen, dass zur Erzeugung des Laserstrahls der Kernstrahl mit einem ersten Lasermodul erzeugt wird und der Ringstrahl mit einem zweiten Lasermodul erzeugt wird, wobei das erste Lasermodul einen ersten Vorlaserstrahl in die Kernfaser einspeist, und das zweite Lasermodul einen zweiten Vorlaserstrahl in die Ringfaser einspeist, insbesondere wobei die Leistung des ersten Lasermoduls und die Leistung des zweiten Lasermoduls variabel einstellbar sind. Die Laserleistung beider Vorlaserstrahlen - und damit von Kernstrahl und Ringstrahl - kann dabei auf einfache Weise unabhängig voneinander eingestellt und verändert werden.
Bevorzugt ist eine Variante, in der mit dem Laserstrahl ein Laserschweißen des Werkstücks erfolgt. Bei geeigneter Wahl der Parameter für das Laserschweißen ist eine hohe Schweißgeschwindigkeit möglich. Insbesondere kann eine beim Laserschweißen entstehende Schweißnaht eine gute Nahtqualität aufweisen. Zudem kann die Bildung von Spritzern und Poren während des Schweißens durch die Einrichtung der stabilen Dampfkapillare reduziert werden. In einer Weiterentwicklung dieser Variante erfolgt das Laserschweißen des Werkstücks so, dass
- für eine Einschweißtiefe ET gilt lOOpm < ET < 20mm, und/oder
- für ein Aspektverhältnis T: B einer Tiefe T zu einer Breite B einer erzeugten Schweißnaht gilt: T: B > 0,5: 1. Diese Parameter haben sich in der Praxis beim Laserschweißen besonders bewährt. Es kann eine sehr gute Qualität beim Laserschweißen erreicht werden und eine hohe Qualität, insbesondere Festigkeit und Haltbarkeit, der Schweißnaht erhalten werden.
Bevorzugt ist auch eine Weiterentwicklung, bei der beim Laserschweißen mindestens zwei metallische Komponenten, insbesondere auf Basis von Eisen, Kupfer und/oder Aluminium, verschweißt werden. Das Laserschweißen kann besonders gut bei metallischen Komponenten eingesetzt werden. Bei der Bearbeitung kann sich eine gleichmäßige Dampfkapillare und ein die Dampfkapillare umgebendes Schmelzbad ausbilden. Die metallischen Komponenten können gut miteinander verbunden werden. Man beachte, dass die mindestens zwei metallischen Komponenten aus dem gleichen Material bestehen können, oder dass die mindestens zwei metallischen Komponenten aus unterschiedlichem Material bestehen können.
Bevorzugt ist auch eine alternative Variante, in der mit dem Laserstrahl ein Laserschneiden des Werkstücks erfolgt. Beim Laserschneiden wird die Energie des Ringstrahls des Laserstrahls dabei zum Anformen eines Einlauftrichters am Eintritt eines vom Laserstrahl erzeugten Schnittspalts bzw. einer Schnittfuge in dem Werkstück genutzt. Die hierfür notwendige Energieentnahme aus dem Laserstrahl führt zur Reduzierung des Vorschubs beim Laserschneiden, wie hierin erkannt worden ist, sodass beim vorgeschlagenen Laserschneiden vergleichsweise wenig Energie in der Ringfaser eingesetzt werden sollte, wie später näher beschrieben wird. Ferner ist ein großer Abstand zwischen dem Ringstrahl und dem Kernstrahl nachteilig, da dies in der Projektion der Ebene auf dem Werkstück bzw. auf der Werkstückoberfläche einen Schattenbereich erzeugt. Je größer dieser Schattenbereich ist, umso mehr Energie muss nämlich von der Kernfaser in die Ringfaser verlagert werden, sodass der Schattenbereich durch Wärmeleitung aufgeschmolzen werden kann, was jedoch nachteilig ist. Der erfindungsgemäß vorgesehene, geringe Abstand zwischen dem Ringstrahl und dem Kernstrahl maximiert die Energieeinbringung in den Laserschneidprozess nach einer entsprechenden Schneidoptik und am Eintritt der Schnittfuge. Der daraus resultierende Energieeintrag formt einen kleinen Radius am Schnittfugeneintritt, der mit minimaler Breite des Abstands zwischen Ringstrahl und Kernstrahl durch minimalen Energieeintrag erzeugt werden kann. Dadurch kann mit der schmalen Schnittfuge schneller geschnitten werden und trotzdem bleibt die Schnittkante gratfrei. Das gilt für geringe sowie hohe Vorschübe. Entsprechend kann das erfindungsgemäße Verfahren qualitativ hochwertige Schnitte erzeugen, insbesondere kann gratfrei geschnitten werden. Bei geeigneter Wahl der Parameter für das Laserschneiden ist auch eine hohe Schneidgeschwindigkeit möglich. So können gratfreie Konturschnitte mit langsamen Ecken- und Radienstrecken des Laserstrahls und höhere Vorschübe auf gerade Strecken des Laserstrahls ermöglicht werden. Wie vorstehend erläutert, kann die erfindungsgemäß ermöglichte Erzeugung einer stabilen Schneidfront die Qualität der beim Laserschneiden entstehenden Schnittfuge verbessern.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Ringstrahl eine Laserleistung <20%, insbesondere <10% und ganz besonders <5% von einer Gesamtlaserleistung des Laserstrahls aufweist. Die restliche Laserleistung der Gesamtlaserleistung kann folglich auf den Kernstrahl übertragen werden. Insbesondere kann hierzu vorgesehen sein, dass die Laserleistungsverteilung zwischen Kern- und Ringfaser modulierbar ist bzw. moduliert wird. Die vergleichsweise geringe Laserleistung im Ringstrahl erlaubt es, einen besonders kleinen Radius am Schnittfugeneintritt zu formen. In bekannter Weise kann das Laserschneiden dabei durch zwei gleichzeitig ablaufende Teilvorgänge erfolgen. Einer dieser Teilvorgänge ist, dass der fokussierte Laserstrahl an der Schneidfront absorbiert wird und so die zum Schneiden benötigte Energie einbringt. Der andere dieser Teilvorgänge ist, dass eine insbesondere konzentrisch zum Laser angeordnete Schneiddüse ein Prozessgas beziehungsweise Schneidgas bereitstellt, welches die Fokussieroptik vor Dämpfen und Spritzern schützt und weiterhin den abgetragenen Werkstoff aus der Schnittfuge treibt. Durch die vergleichsweise geringe Laserleistung in dem Ringstrahl wird nun erreicht, dass das beim Laserschneiden eingesetzte Schneidgas effizient in die schmale Schnittfuge eingekoppelt wird. Die Laserleistung des Ringstrahls kann in absolut Werten <300W, insbesondere <200W und ganz besonders <150W sein. Außerdem kann der Ringstrahl insbesondere eine mittlere Fluenz von l,5J/mm2 ± lJ/mm2 aufweisen. Vorteilhafterweise sollte eine Schwankungsbreite der eingestellten Laserleistungsanteile zwischen dem Kernstrahl und dem Ringstrahl kleiner als 4%, ganz besonders kleiner als 2% ausfallen.
Für das Laserschneiden kann der Laserstrahl im Dauerstrichmodus bzw. Continuous wave (cw)-Modus oder gepulsten Modus betrieben werden. Dabei können der Kernstrahl und der Ringstrahl im miteinander übereinstimmenden Modus oder in voneinander unterschiedlichen der vorbezeichneten Modi betrieben werden. Beispielsweise kann also der Laserstrahl in der Kern- oder Ringfaser bzw. der Kernstrahl oder Ringstrahl gepulst werden, während gleichzeitig der jeweils andere Strahl, also Ringstrahl oder Kernstrahl, im cw-Modus betrieben werden kann, um vorteilhafte Schneideigenschaften zu erreichen.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das Laserschneiden als 3D-Laserschneiden erfolgt. Mittels 3D-Laserschneidens können gegenüber einem herkömmlichen 2D- Laserschneiden präzise Schnitte in dreidimensionalen Bauteilen durchgeführt werden. 3D-Bauteile können so mit einer hohen Konturgenauigkeit im Zehntel- Millimeterbereich bearbeitet werden.
Mittels des Laserschneidens kann als Werkstück insbesondere eine warmumgeformtes Bauteil (auch Hotforming-Bauteil genannt) besonders präzise bearbeitet werden. Ein für das Laserschneiden besonders relevantes Anwendungsfeld ist das Laserschneiden von Blechen als Werkstücken, wobei diese warmumgeformt sein können. Ganz besonders vorteilhaft ist dabei, wenn die Bleche mit Blechdicken <4mm, bevorzugt <2, 5mm und ganz besonders bevorzugt <2mm bearbeitet werden. Denn bei derartig dünnen Blechen bzw. den dadurch ermöglichten ho- hen Vorschüben ist die Wechselwirkungszeit zwischen dem eingesetzten Laserstrahl und dem Werkstoff des bearbeiteten Werkstücks gering, so dass Aufschmelzungen durch Wärmeleitung von Energie eine besonders kurze Reichweite haben, und damit nicht wesentlich zum Aufschmelzen beitragen können. Hieraus resultiert die erhöhte Anforderung an einen präzisen Energieeintrag im Schnitt. Die energetische Effizienz kann so gesteigert werden.
Für die oben erwähnte Schneiddüse beim Laserschneiden ist es besonders vorteilhaft, wenn eine Schneiddüse mit einer Laval-Innengeometrie verwendet wird. Unter einer Laval-Innengeometrie wird insbesondere verstanden, dass sich der Innenquerschnitt der Schneiddüse entlang seiner Erstreckung zunächst verengt und anschließend weitet, wobei der Übergang dazwischen insbesondere stetig erfolgt. Dadurch kann ein besonders großer Abstand zwischen der Schneiddüse und der Werkstückoberfläche ermöglicht werden. Damit kann beispielsweise die Anzahl an Schneiddüsenkontakten mit dem bearbeiteten Werkstück deutlich vermindert werden, was wiederrum zu signifikant weniger Stillständen der Laserbearbeitungsmaschine und damit zu einer gesteigerten Produktivität führt.
Bevorzugt kann das Laserschneiden als ein Schrägschneiden mit einem Anstellwinkel des Laserstrahls gegenüber der Werkstückoberfläche des Werkstücks bis 40°, insbesondere bis 30° und ganz besonders bis 20° erfolgen. Dadurch kann der Mikroradius am Fugeneintritt (in Form eines Einlauftrichters) den Strömungswiderstand des Schnittspaltkanals verringern. Besonders beim Schrägschneiden steigert dies die Menge an Schneidgas, welche in den Schnittspalt eindringt bzw. diesen durchströmt. Die Metallschmelze wird dadurch besonders effektiv ausgeblasen.
Der Fokusdurchmesser des Kernstrahls kann zum Laserschneiden insbesondere im Bereich von 50pm bis 200pm, ganz besonders im Bereich von 70pm bis 150pm und ferner ganz besonders im Bereich von 80pm bisl20 pm liegen. Beispielswiese kann der Fokusdurchmesser des Kernstrahls 100pm betragen. Besonders bevorzugt ist eine Variante, die dadurch gekennzeichnet ist, dass
- für ein Strahlparameterprodukt SPP des Laserstrahls bei Single-Mode 0,38mm*mrad<SSP<16mm*mrad gilt, bevorzugt mit SSP<0,6mm*mrad, oder bei Multi-Mode SSP<8mm*mrad gilt, und/oder
- für einen Kernstrahldurchmesser KSD' des Laserstrahls auf einer dem Laserstrahl zugewandten Werkstückoberfläche, innerhalb dessen 86% der Laserleistung des Kernstrahls vorliegen, bei Single-Mode 10pm<KSD'<300pm gilt, bevorzugt mit 30pm<KSD'<70pm, oder bei Multi-Mode 50pm<KSD'<1200pm gilt, und/oder
- der Laserstrahl mit wenigstens einem IR-Laser mit einer mittleren Wellenlänge MWL mit 800nm<MWL<1200nm, bevorzugt 1030nm<MWL<1070nm, oder wenigstens einem VIS-Laser, insbesondere mit einer mittleren Wellenlänge MWL mit 400nm<MWL<450nm oder 500nm<MWL<530nm, erzeugt wird, und/oder
- für das Abbildungsverhältnis AV gilt 1 : 1 < AV < 5: 1, bevorzugt 1,5: 1 < AV < 2: 1. Besonders bevorzugt ist beim Laserschneiden mit KSD=75pm beispielsweise AV=1,33:1. Mit diesen Parametern lässt sich die Erfindung gut in die Praxis umsetzen. Je nach Anwendung können die Parameter flexibel angepasst werden und eine gute Bearbeitungsqualität erzielt werden.
Vorteilhaft ist auch eine Variante, in der die Fokusebene in einer dem Laserstrahl zugewandten Werkstückoberfläche liegt. In der Fokusebene liegen in der Regel die besten Bearbeitungsbedingungen (insbesondere eine minimale Intensitätslücke) vor, wodurch die Bearbeitung des Werkstücks besonders präzise durchgeführt werden kann.
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallen auch ein Werkstück oder Teilstücke eines Werkstücks, bearbeitet mit einem erfindungsgemäßen, oben beschriebenen Verfahren. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens können das Werkstück oder Teilstücke des Werkstücks auf einfache und zuverlässige Weise qualitativ hochwertig bearbeitet werden. Die Dampfkapillare wird während der Bearbeitung stabilisiert, wodurch eine defektarme Bearbeitung erreicht werden kann. Ebenso in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt weiterhin ein Lichtleitkabel, wobei das Lichtleitkabel ein Faserende zur Bereitstellung eines Laserstrahls umfasst, und wobei das Lichtleitkabel zumindest mit einer Kernfaser mit einem Kernfaserdurchmesser KFD, einer die Kernfaser ringförmig umgebende Ringfaser mit einem äußeren Ringfaserdurchmesser ARFD und einer zwischen Kernfaser und Ringfaser liegenden und die Kernfaser umgebenden Mantelschicht mit einer Mantelschichtdicke MSD ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass MSD<0,3*KFD, und dass MSD<20pm, vorzugsweise MSD<10|jm. Das so ausgestaltete Lichtleiterkabel ist geeignet, um einen Laserstrahl nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verfügung zu stellen. Entsprechend kann unter Verwendung des erfindungsgemäßen Lichtleitkabels eine besonders hochwertige Laserbearbeitung von Werkstücken erfolgen. Insbesondere kann auch gelten MSD<0,2*KFD, bevorzugt MSD<0,15*KFD, besonders bevorzugt MSD<0,l*KFD. Ebenso kann insbesondere gelten MSD<9pm, bevorzugt MSD<7pm, besonders bevorzugt MSD<6pm. Typischerweise ist auch MSD>5pm. Das Lichtleitkabel kann in Form einer Taper-Faser ausgebildet sein, die durch Strecken einer Faser größeren Durchmessers herstellbar ist.
Weiterhin umfasst die vorliegende Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen, oben beschriebenen Lichtleitkabels in einem erfindungsgemäßen, oben beschriebenen Verfahren, insbesondere zur Bearbeitung eines erfindungsgemäßen, oben beschriebenen Werkstücks oder von Teilstücken eines Werkstücks. Mit der Erfindung kann eine besonders stabile Dampfkapillare bei der Bearbeitung von Werkstücken erzeugt werden. Dies ermöglicht eine hochwertige, defektarme, insbesondere spritzer- und porenarme Bearbeitung.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführ- ten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematische Aufsicht auf ein Faserende eines beispielhaften Lichtleitkabels zur Bereitstellung eines Laserstrahls für das erfindungsgemäße Verfahren;
Fig. 2 erläutert einen beispielhaften Laserstrahl für das erfindungsgemäße Verfahren, wie er durch das Faserende, wie in Fig. 1 beschrieben, erzeugt werden kann, mit dem Intensitätsprofil des Kernstrahls (a), dem Intensitätsprofil des Ringstrahls (b) sowie dem Intensitätsprofil des gesamten Laserstrahls (c) in der Fokusebene und mit einer schematischen Darstellung des Laserstrahls im Querschnitt (d);
Fig. 3a zeigt eine schematische Darstellung eines Laserstrahls im Querschnitt nach dem Stand der Technik und eine schematische Schnittansicht auf ein Werkstück, welches durch den Laserstrahl bearbeitet wird;
Fig. 3b zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Laserstrahls im Querschnitt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und eine schematische Schnittansicht auf ein Werkstück, welches durch den Laserstrahl nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet wird; Fig. 4 erläutert eine beispielhafte Aufteilungsvorrichtung und ein Lichtleitkabel zur Aufteilung und zur Umformung eines Ausgangslaserstrahls in einen Laserstrahl für das erfindungsgemäße Verfahren;
Fig. 5a zeigt in einer schematischen Aufsicht zwei beispielhafte metallische Komponenten, die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Laserschweißen miteinander verschweißt werden;
Fig. 5b zeigt in einer schematischen Aufsicht ein beispielhaftes Werkstück, welches im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Laserschneiden geschnitten wird.
Fig. 1 zeigt beispielhaft eine Aufsicht auf ein Faserende 1 eines Lichtleitkabels 2, mit dem ein Laserstrahl mit einem Kernstrahl und einem Ringstrahl für das erfindungsgemäße Verfahren bereitgestellt werden kann (siehe hierzu Fig. 2). Das Lichtleitkabel 2 ist hier als eine 2-in-l-Faser 2a ausgebildet. Die 2-in-l-Faser 2a weist hier eine Kernfaser 3 (durch die der Kernstrahl des Laserstrahls bereitgestellt wird) und eine sie umgebende Ringfaser 4 (durch die der Ringstrahl des Laserstrahls bereitgestellt wird) auf. Die Kernfaser 3 ist von einer Mantelschicht 5 (innerer schraffierter Bereich) umgeben. Die Ringfaser 4 ist von einer weiteren Mantelschicht 18 (äußerer schraffierter Bereich) umgeben.
Im hier gezeigten Beispiel hat die Kernfaser 3 einen Kernfaserdurchmesser KFD von 50 pm. Die Ringfaser 4 hat hier einen äußeren Ringfaserdurchmesser ARFD von 200 pm. Eine Mantelschichtdicke MSD der Mantelschicht 5 beträgt hier 6 pm. Die Mantelschichtdicke MSD kann gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise unterhalb von 10 pm liegen. Meist liegt die Mantelschichtdicke MSD oberhalb von 5 pm. Das Verhältnis von der Mantelschichtdicke MSD zum Kernfaserdurchmesser KFD beträgt hier 0,12, gemäß MSD/KFD = 6 pm/50 pm = 0,12. Erfindungsgemäß liegt für das erfindungsgemäße Verfahren das Verhältnis von der Mantelschichtdicke MSD zum Kernfaserdurchmesser KFD unterhalb oder bei einem Faktor von 0,3. Das Verhältnis vom Kernfaserdurchmesser KFD zum äußeren Ringfaserdurchmesser ARFD beträgt hier 0,25, gemäß KFD/ARFD = 50 |jm/200 |jm = 0,25.
Das hier gezeigte Lichtleitkabel 2 ist sowohl für Laser im Single-Mode, als auch für Laser im Multi-Mode geeignet. Typischerweise liegen für das erfindungsgemäße Verfahren die Kernfaserdurchmesser KFD zwischen 10 pm und 50 pm im Single-Mode und zwischen 50 pm und 400 pm im Multimode, und die äußeren Ringfaserdurchmesser ARFD zwischen 20 pm und 500 pm im Single-Mode und zwischen 40 pm und 2000 pm im Multi-Mode.
Fig. 2 zeigt für das erfindungsgemäße Verfahren in einer beispielhaften Variante a) ein Diagramm des Intensitätsprofils des Kernstrahls 6 in der Fokusebene entlang einer Geraden G, b) ein Diagramm des Intensitätsprofils des Ringstrahls 7 in der Fokusebene entlang der Geraden G, c) ein Diagramm des Intensitätsprofils des gesamten Laserstrahls 8 in der Fokusebene entlang der Geraden G und d) eine schematische Darstellung des Laserstrahls 8 im Querschnitt. Die Gerade G verläuft hier parallel zur x-Achse durch das Zentrum des Laserstrahls 8 hindurch, wie im Querschnitt d) ersichtlich. Auf der Ordinate der Diagramme in a), b) und c) ist die Intensität in willkürlichen Einheiten aufgetragen und auf der Abszisse ist die x-Richtung aufgetragen (entsprechend der Geraden G, die hier parallel zur x- Richtung verläuft). Das Koordinatensystem in d) ist so gewählt, dass die x-Achse nach rechts und die y-Achse nach oben zeigt.
In a) ist das Intensitätsprofil des Kernstrahls 6 gezeigt. Das Intensitätsprofil des Kernstrahls 6 wurde hier durch ein Abschatten des Ringstrahls 7 erhalten. Der Kernstrahl 6 hat hier ein zentrales Intensitätsplateau.
Um einen Kernstrahldurchmesser KSD des Kernstrahls 6 zu bestimmen, wird das 86%-Kriterium angewendet. Das heißt, es wird eine Kreisfläche (hier durch gestrichelte Linien angedeutet) um ein Zentrum ZK des Kernstrahls 6 gelegt mit ei- nem Durchmesser, so dass 86% der Laserleistung innerhalb der Kreisfläche liegen. Der Kernstrahldurchmesser KSD beträgt im hier gezeigten Beispiel ungefähr 50 pm.
In b) ist das Intensitätsprofil des Ringstrahls 7 gezeigt. Das Intensitätsprofil des Ringstrahls 7 wurde hier durch ein Abschatten des Kernstrahls 6 erhalten. Der Ringstrahl 7 hat hier ein ringartiges Intensitätsplateau.
Um einen äußeren Ringstrahldurchmesser ARSD des Ringstrahls 7 zu bestimmen, wird das 86%-Kriterium angewendet. Das heißt, es wird eine Kreisfläche (hier ebenfalls durch gestrichelte Linien angedeutet) um ein Zentrum ZR des Ringstrahls 7 gelegt mit einem Durchmesser, so dass 86% der Laserleistung innerhalb der Kreisfläche liegen. Der äußere Ringstrahldurchmesser ARSD beträgt im hier gezeigten Beispiel ungefähr 200 pm.
Ein innerer Ringstrahldurchmesser IRSD wird auf der innen liegenden Seite des Ringstrahls 7 dort angesetzt, wo eine gleiche über den Umfang gemittelte Strahlungsdichte des Ringstrahls 7 wie auf dem äußeren Ringstrahldurchmesser ARSD vorliegt. Der innere Ringstrahldurchmesser IRSD beträgt im hier gezeigten Beispiel ungefähr 62 pm.
In c) ist das Intensitätsprofil des gesamten Laserstrahls 8 gezeigt. Der Laserstrahl 8 setzt sich aus dem Kernstrahl 6 mit dem Kernstrahldurchmesser KSD=50 pm sowie aus dem Ringstrahl 7 mit dem inneren Ringstrahldurchmesser IRSD=62 pm und dem äußeren Ringstrahldurchmesser ARSD=200 pm zusammen. Zwischen dem Kernstrahl 6 und dem Ringstrahl 7 liegt eine Intensitätslücke 9 mit einer Intensitätslückenbreite ILB. Hier beträgt die Intensitätslückenbreite ILB=6 pm, gemäß (IRSD-KSD)/2 = (62 pm-50 pm)/2 = 6 pm. Die Intensitätslückenbreite ILB kann gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise unterhalb von 10 pm*AV liegen (mit AV: Abbildungsverhältnis).
In d) ist der in c) beschriebene Laserstrahl 8 im Querschnitt in der Fokusebene gezeigt, wie er mit dem Faserende des Lichtleitkabels aus Fig. 1 bereitgestellt wird. Der Kernstrahldurchmesser KSD, der innere Ringstrahldurchmesser IRSD und der äußere Ringstrahldurchmesser ARSD werden, wie oben in a) und b) beschrieben, nach dem 86%-Kriterium bestimmt und eine entsprechende Kreisfläche für den Kernstrahl 6 (innere gepunktete Kreisfläche) und eine entsprechende Ringfläche für den Ringstrahl 7 (äußere gepunktete Fläche) eingezeichnet.
Der Kernstrahl 6 ist ringförmig vom Ringstrahl 7 umgeben. Zwischen dem Kernstrahl 6 und dem Ringstrahl 7 liegt die Intensitätslücke 9. Die Intensitätslücke 9 umgibt den Kernstrahl 6 ringförmig.
Im hier gezeigten Beispiel sind der Kernstrahldurchmesser KSD ( = 50 pm) und der Kernfaserdurchmesser KFD (=50 pm), der äußere Ringstrahldurchmesser ARSD (=200) pm und der äußere Ringfaserdurchmesser ARFD (=200 pm) sowie die Intensitätslückenbreite ILD (=6 pm) und die Mantelschichtdichte MSD (=6 pm) gleich groß. Ein Abbildungsverhältnis AV beträgt hier 1 : 1. Typischerweise liegt für das erfindungsgemäße Verfahren das Abbildungsverhältnis AV zwischen 1 : 1 und 5: 1.
Das Verhältnis von der Intensitätslückenbreite ILB zum Kernstrahldurchmesser KSD beträgt hier 0,12, gemäß ILB/KSD = 6 pm/50 pm = 0,12. Erfindungsgemäß liegt für das erfindungsgemäße Verfahren das Verhältnis von der Intensitätslückenbreite ILB zum Kernstrahldurchmesser KSD unterhalb oder bei einem Faktor von 0,3. Das Verhältnis vom Kernstrahldurchmesser KSD zum äußeren Ringstrahldurchmesser ARSD beträgt hier 0,25, gemäß KFD/ARFD = 50 pm/200 pm = 0,25. Typischerweise liegt für das erfindungsgemäße Verfahren das Verhältnis vom Kernstrahldurchmesser KSD zum äußeren Ringstrahldurchmesser ARSD oberhalb oder bei einem Faktor von 0,1 und unterhalb oder bei einem Faktor 0,5.
Fig. 3a zeigt oben schematisch einen beispielhaften, fiktiven Laserstrahl 8 nach dem Stand der Technik im Querschnitt in der Fokusebene 11. Das Koordinatensystem für die Darstellung des Laserstrahls 8 ist so gewählt, dass die x-Achse nach rechts und die y-Achse nach oben zeigt. Weiterhin ist unten eine stark vereinfachte, schematische Schnittansicht eines Werkstücks 10 gezeigt, welches durch den Laserstrahl 8 bearbeitet wird. Das Koordinatensystem für die Schnittansicht auf das Werkstück 10 ist so gewählt, dass die x-Achse nach rechts und die z-Achse nach oben zeigt.
Im hier gezeigten Beispiel beträgt für Laserstrahl 8 der Kernstrahldurchmesser KSD=50 pm, der äußere Ringstrahldurchmesser ARSD=200 pm, der innere Ringstrahldurchmesser IRSD = 130 pm, sowie die Intensitätslückenbreite ILB=40 pm. Die Intensitätslückenbreite ILD ist in dem gezeigten Beispiel des Standes der Technik also deutlich größer als in der Erfindung vorgeschlagen wird.
Das Werkstück 10 wird durch den eben beschriebenen Laserstrahl 8 bearbeitet. Zur Bearbeitung des Werkstücks 10 wird der Laserstrahl 8 in Richtung auf eine Werkstückoberfläche 10a des Werkstücks 10 zu in der Fokusebene 11 (gestrichelte Linie) fokussiert; im gezeigten Beispiel fällt die Werkstückoberfläche 10a mit der Fokusebene 11 zusammen. Der Kernstrahl 6 und der Ringstrahl 7 dringen von der Werkstückoberfläche 10a aus in das Werkstück 10. Es bildet sich durch die Wirkung von Kernstrahl 6 und Ringstrahl 7 eine Dampfkapillare 12 aus, die hier stark schematisch dargestellt ist. In der Umgebung der Dampfkapillare 12 wird das Material des Werkstücks 10 aufgeschmolzen, wodurch sich ein Schmelzbad 13 von flüssigem Material des Werkstücks 10 bildet.
Die Dampfkapillare 12 ist hier zusammengesetzt aus einem Innenbereich (zentraler Teil) 14 der Dampfkapillare 12 und einem Außenbereich (peripherer/radial äußerer Teil) 15 der Dampfkapillare 12. Der Innenbereich 14 wird hauptsächlich durch den Kernstrahl 6 ausgebildet. Der Außenbereich 15 wird hauptsächlich durch den Ringstrahl 7 ausgebildet.
Die große Intensitätslücke 9 im Stand der Technik bewirkt, dass zwischen dem Innenbereich 14 und dem Außenbereich 15 der Dampfkapillare 12 ein ausgeprägter Rücksprung 28 des Schmelzbads 13 vorliegt, da die Seitenwände 29 der Dampfkapillare 12 wegen der großen Intensitätslücke 9 nur unzureichend bestrahlt werden. Durch den Rücksprung 28 wird die Dampfkapillare 12 sozusagen zweigeteilt. Der Rücksprung 28 entsteht, weil im Bereich der ausgeprägten Intensitätslücke 9 kein oder nur wenig Material verdampft wird. Die Dampfkapillare 12 weist entsprechend eine ungleichmäßige Öffnung auf. Der Rücksprung 28 bewirkt eine unruhige Dynamik des Schmelzbads 13 und das verdampfte Material des Werkstücks 10 aus dem Innenbereich 14 kann nur schwer aus der Dampfkapillare 12 entweichen. Hierdurch können Defekte (wie Spritzer, Poren oder Risse) während der Bearbeitung entstehen, die die Qualität des Werkstücks 10 mindern oder das Werkstück 10 unbrauchbar machen.
Fig. 3b zeigt oben schematisch den beispielhaften Laserstrahl 8 aus Fig. 2 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren im Querschnitt in der Fokusebene 11. Das Koordinatensystem für die Darstellung des Laserstrahls 8 ist so gewählt, dass die x-Achse nach rechts und die y-Achse nach oben zeigt. Weiterhin ist unten eine stark vereinfachte, schematische Schnittansicht durch ein Werkstück 10 gezeigt, welches durch den Laserstrahl 8 bearbeitet wird. Das Koordinatensystem für die Schnittansicht durch Werkstück 10 ist so gewählt, dass die x-Achse nach rechts und die z-Achse nach oben zeigt.
Der Laserstrahl 8 mit seinem Kernstrahl 6 und seinem Ringstrahl 7 erzeugen im Werkstück 10 wieder eine Dampfkapillare 12; anders als im Beispiel zuvor liegen die innere Kante des Ringstrahls 7 und die äußere Kante des Kernstrahls 6 hier jedoch dicht beisammen, mit einer Intensitätslückenbreite ILB von ca. 6pm; weiterhin ist hier KSD=50pm, ARSD=200pm und IRSD=62pm. Die Dampfkapillare 12 ist hier wiederum zusammengesetzt aus dem Innenbereich 14 der Dampfkapillare 12 und dem Außenbereich 15 der Dampfkapillare 12. Die kleine Intensitätslücke 9 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bewirkt jedoch, dass der Innenbereich 14 und der Außenbereich 15 der Dampfkapillare 12 ohne Rücksprünge 28 ineinander übergehen. Es kann praktisch radial durchgehend Material verdampft werden.
Durch den Ringstrahl 7 wird die gemeinsame Dampfkapillare 12 nach oben hin weit geöffnet und durch den Kernstrahl 6 wird eine Bearbeitung in die Tiefe des Werkstücks 10 möglich. Die Seitenwände 29 der Dampfkapillare 12 nehmen vom Außenbereich 15 auf den Innenbereich 14 zu gleichmäßig ab, wodurch eine nahezu konische Dampfkapillare 12 entsteht. Die Dampfkapillare 12, die auch als gemeinsame Dampfkapillare 12 bezeichnet werden kann, bildet eine Trichterform aus.
Durch die trichterförmige Ausgestaltung der gemeinsamen Dampfkapillare 12 tritt während der Bearbeitung des Werkstücks 10 das verdampfte Material besonders einfach aus der gemeinsamen Dampfkapillare 12 und insbesondere aus dem Innenbereich 14 aus. Die gemeinsame Dampfkapillare 12 wird also stabilisiert und stabil offen gehalten. Weiterhin wird eine Bildung von Defekten (wie etwa Spritzern und Poren) bei der Bearbeitung von Werkstück 10 mit einer in dieser Weise ausgebildeten gemeinsamen Dampfkapillare 12 verringert oder komplett verhindert. Gleichzeitig ist es möglich, eine konstante Bearbeitungstiefe im Werkstück 10 zu erhalten.
Fig. 4 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Aufteilungsvorrichtung 16, die mit der Erfindung eingesetzt werden kann, mit dem (geschnitten dargestellten) Lichtleitkabel 2, einem Ausgangslaserstrahls 17 und dem Laserstrahl 8. Der Ausgangslaserstrahl 17 propagiert entlang einer Achse A.
Das Lichtleitkabel 2 weist die Kernfaser 3 (innerer gepunkteter Bereich) sowie die die Kernfaser 3 umgebende Mantelschicht 5 (innere zwei gestrichelte Bereiche) auf. An die Mantelschicht 5 schließt sich die Ringfaser 4 (äußere zwei gepunkteten Bereich) an, die von der weiteren Mantelschicht 18 (äußere zwei gestrichelte Bereiche) umgeben ist. An einem Faseranfang 19 wird der Ausgangslaserstrahl 17 in das Lichtleitkabel 2 eingekoppelt und am Faserende 1 des Lichtleitkabels 2 wird dann der Laserstrahl 8 für das erfindungsgemäße Verfahren bereit gestellt.
Der Ausgangslaserstrahl 17 wird von einer Laserquelle (nicht näher dargestellt) erzeugt. Der Ausgangslaserstrahl 17 breitet sich hier entlang der Achse A kolli- miert aus und wird auf die Aufteilungsvorrichtung 16 gerichtet. Im hier gezeigten Beispiel ist die Aufteilungsvorrichtung 16 als eine variable Aufteilungsvorrichtung 16a ausgebildet, die eine Fokussierlinse 20 und einen verfahrbaren optischen Keil 21 umfasst.
Der optische Keil 21 ist hier zur Hälfte in einen Strahlengang 22 des Ausgangslaserstrahl 17 eingefahren. Hierdurch wird ein Teil des Ausgangslaserstrahls 17 vom optischen Keil 21 abgelenkt (gebrochen); dieser Teil wird als abgelenkter Teil 17a bezeichnet. Ein weiterer Teil des Ausgangslaserstrahls 17 ist am optischen Keil 21 vorbeigeführt; dieser Teil wird als unabgelenkter Teil 17b bezeichnet. Der unabgelenkte Teil 17b des Ausgangslaserstrahls 17 und der abgelenkte Teil 17a des Ausgangslaserstrahls 17 werden jeweils beide an der Fokussierlinse 20 gebrochen. Der unabgelenkte Teil 17b des Ausgangslaserstrahls 17 wird dabei auf die Kernfaser 3 fokussiert, in die Kernfaser 3 eingekoppelt und am Faserende 1 als Kernstrahl 6 bereitgestellt. Der abgelenkte Teil 17a des Ausgangslaserstrahls 17 wird auf die Ringfaser 4 fokussiert, in die Ringfaser 4 eingekoppelt und am Faserende 1 als Ringstrahl 7 bereitgestellt. Gemeinsam ergeben der Kernstrahl 6 und der Ringstrahl 7 dann den Laserstrahl 8 für das erfindungsgemäße Verfahren. Wird der optische Keil 21 in Querrichtung (senkrecht zur Achse A) verschoben, können die Anteile des Ausgangslaserstrahls 17, die auf die Kernfaser 3 und Ringfaser 4 flexibel verändert werden.
Alternativ und hier nicht gezeigt, kann der Laserstrahl 8 auch durch ein erstes Lasermodul und ein zweites Lasermodul erzeugt werden. Hierzu wird über das erste Lasermodul ein erster Vorlaserstrahl in die Kernfaser 3 eingespeist und der Kernstrahl 6 erzeugt. Über das zweite Lasermodul wird ein zweiter Vorlaserstrahl in die Ringfaser 4 eingespeist und der Ringstrahl 7 erzeugt. Die Leistung der Lasermodule kann dabei, je nach Anwendungsgebiet und bearbeitetem Material, entsprechend variiert werden.
Fig. 5a zeigt in einer schematischen Aufsicht zwei metallische Komponenten 23a, 23b, die hier im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Laserschweißen zu einem Werkstück 10 miteinander verschweißt werden. Das Koordinatensystem ist so gewählt, dass die x-Achse nach rechts und die y-Achse nach oben zeigt. Im hier gezeigten Beispiel liegt die erste metallische Komponente 23a (hier auf Basis von Kupfer) auf der zweiten metallischen Komponente 23b (hier auf der Basis von Aluminium) auf. Die Fokusebene des Laserstrahl 8 liegt auf einer Komponentenoberfläche 24 der oberen Komponente 23a. Ein Kernstrahldurchmesser KSD' des Kernstrahls 6 des Laserstrahls 8 auf der Komponentenoberfläche 24 beträgt hier ungefähr 50 pm. Typischerweise liegt für das erfindungsgemäße Verfahren der Kernstrahldurchmesser KSD' zwischen 10 pm und 300 pm im Single- Mode und zwischen 50 pm und 1200 pm im Multi-Mode. Ein innerer Ringstrahl- durchmesser IRSD' des Ringstrahls 7 des Laserstrahls 8 beträgt hier ungefähr 62 pm. Ein äußerer Ringstrahldurchmesser ARSD' des Ringstrahls 7 des Laserstrahls 8 beträgt hier ungefähr 200 pm. Eine Intensitätslückenbreite ILB' beträgt hier ungefähr 6 pm, gemäß ILB' = (IRSD'-KSD')/2 = (62 pm-50 pm)/2 = 6 pm.
Der Laserstrahl 8 wird mit einer Vorschubgeschwindigkeit in eine Vorschubrichtung V bewegt, die hier parallel zur x-Achse ist. Der Bereich, der bereits von Laserstrahl 8 geschweißt wurde, weist eine Schweißnaht 25 auf. Beim Verschweißen der zwei metallischen Komponenten 23a, 23b kann durch das erfindungsgemäße Verfahren eine qualitativ gute Schweißnaht 25 und eine gute Verschweißung der zwei metallischen Komponenten 23a, 23b bei gleichzeitig geringer Poren- und Spritzerbildung erreicht werden.
Fig. 5b zeigt in einer schematischen Aufsicht ein Werkstück 10, welches hier im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Laserschneiden geschnitten wird und drei bereits abgeschnittene Teilstücke 26 des Werkstücks 10. Das Koordinatensystem ist so gewählt, dass die x-Achse nach rechts und die y-Achse nach oben zeigt.
Der Laserstrahl 8 ist hier zunächst auf einen Werkstückrand 10b gerichtet. Der Laserstrahl 8 wird dann mit einer Vorschubgeschwindigkeit in Vorschubrichtung V, die hier parallel zur y-Achse ist, in das Werkstück 10 hinein bewegt. Der Laserstrahl 8 fährt einmal über bzw. durch das Werkstück 10, um das Werkstück 10 zu durchtrennen. Neben dem Werkstück 10 sind die drei Teilstücke 26 gezeigt, welche bereits durch das Laserschneiden von Werkstück 10 abgetrennt wurden. Beim Laserschneiden des Werkstücks 10 kann durch das erfindungsgemäße Verfahren eine qualitativ gute Schnittkante 27 bei gleichzeitig geringer Gratbildung erreicht werden.
Figure imgf000029_0001
1 Faserende
2 Lichtleitkabel
2a 2-in-l-Faser
3 Kernfaser
4 Ringfaser
5 Mantelschicht
6 Kernstrahl
7 Ringstrahl
8 Laserstrahl
9 Intensitätslücke
10 Werkstück
10a Werkstückoberfläche
10b Werkstückrand
11 Fokusebene
12 gemeinsame Dampfkapillare
13 Schmelzbad
14 Innenbereich
15 Außenbereich
16 Aufteilungsvorrichtung
16a variable Aufteilungsvorrichtung
17 Ausgangslaserstrahl
17a abgelenkter Teil
17b unabgelenkter Teil
18 weitere Mantelschicht
19 Faseranfang
20 Fokussierlinse
21 optischer Keil
22 Strahlengang
23a, 23b metallische Komponente
24 Komponentenoberfläche 25 Schweißnaht
26 Teilstück
27 Schnittkante
28 Rücksprung 29 Seitenwand
A Achse
ARFD äußerer Ringfaserdurchmesser
ARSD äußerer Ringstrahldurchmesser G Gerade
ILB Intensitätslückenbreite
IRSD innerer Ringstrahldurchmesser
KFD Kernfaserdurchmesser
KSD Kernstrahldurchmesser (in der Fokusebene) MSD Mantelschichtdicke
V Vorschubrichtung
ZK Zentrum (Intensitätsprofil Kernstrahl)
ZR Zentrum (Intensitätsprofil Ringstrahl)

Claims

29
Patentansprüche Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks (10) mittels eines Laserstrahls (8), wobei der Laserstrahl (8) an einem Faserende (1) eines Lichtleitkabels (2) bereitgestellt wird, wobei das Lichtleitkabel (2) zumindest mit einer Kernfaser (3) mit einem Kernfaserdurchmesser KFD, einer die Kernfaser (3) ringförmig umgebenden Ringfaser (4) mit einem äußeren Ringfaserdurchmesser ARFD und einer zwischen Kernfaser (3) und Ringfaser (4) liegenden und die Kernfaser (3) umgebenden Mantelschicht (5) mit einer Mantelschichtdicke MSD ausgebildet ist, so dass der Laserstrahl (8) einen Kernstrahl (6) aus der Kernfaser (3) und einen Ringstrahl (7) aus der Ringfaser (4) umfasst, wobei der Laserstrahl (8) mit einem Abbildungsverhältnis AV in Richtung auf das Werkstück (10) zu in einer Fokusebene (11) fokussiert wird, wobei in der Fokusebene (11)
- der Kernstrahl (6) einen Kernstrahldurchmesser KSD aufweist, innerhalb dessen 86% der Laserleistung des Kernstrahls (6) vorliegen,
- der Ringstrahl (7) einen äußeren Ringstrahldurchmesser ARSD aufweist, innerhalb dessen 86% der Laserleistung des Ringstrahls (7) vorliegen, und
- der Ringstrahl (7) einen inneren Ringstrahldurchmesser IRSD aufweist, auf dem eine gleiche über den Umfang gemittelte Strahlungsdichte des Ringstrahls (7) wie auf dem äußeren Ringstrahldurchmesser ARSD vorliegt, so dass sich eine Intensitätslücke (9) zwischen dem inneren Ringstrahldurchmesser IRSD und dem Kernstrahldurchmesser KSD mit einer Intensitätslückenbreite ILB=(IRSD-KSD)/2 ergibt, dadurch gekennzeichnet, dass MSD<0,3*KFD und weiterhin ILB<0,3*KSD, 30 und dass MSD<20pm, vorzugsweise <10|jm, und ILB<20pm*AV, vorzugsweise <10pm*AV.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass MSD<0,2*KFD und weiterhin ILB<0,2*KSD, bevorzugt MSD<0,15*KFD und weiterhin ILB<0,15*KSD, besonders bevorzugt MSD<0,l*KFD und weiterhin ILB<O,1*KSD.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass MSD<9pm und ILB<9pm*AV, bevorzugt MSD<8pm und ILB<8pm*AV, besonders bevorzugt MSD<7pm und ILB<7pm*AV, ganz besonders bevorzugt MSD<6pm und ILB<6pm*AV.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest am Faserende (1) MSD im Wesentlichen gleich Null ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Kernstrahldurchmesser KSD des Kernstrahls (6) und für den äußeren Ringstrahldurchmesser ARSD des Ringstrahls (7) in der Fokusebene (11) gilt:
1/10 < KSD/ARSD < 1/2, bevorzugt 1/3 < KSD/ARSD < 1/5, besonders bevorzugt KSD/ARSD =1/4.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Kernfaserdurchmesser KFD bei Single-Mode 10pm<KFD<40pm gilt, oder bei Multi-Mode 40pm<KFD<400pm gilt, bevorzugt 50pm<KFD<200pm, besonders bevorzugt KFD = 50pm oder KFD=75pm, und dass für den äußeren Ringfaserdurchmesser ARFD bei Single Mode 20pm<ARFD<500pm gilt, bevorzugt 40pm<ARFD<200pm, oder bei Multi- Mode 40pm<ARFD<2000pm gilt, bevorzugt 80pm<ARFD<800pm, besonders bevorzugt ARFD = 200|jm oder ARFD=300|jm. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die am Werkstück (10) mit dem Laserstrahl (8) bearbeiteten Materialien ausgewählt sind aus folgender Gruppe:
Cu, Cu-Legierung, insbesondere mit wenigstens 50 Gew% Cu, AI, Al-Legierung, insbesondere mit wenigstens 50 Gew% AI, Fe, Fe-Legierung, insbesondere mit wenigstens 50 Gew% Fe. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Laserstrahls (8) ein Ausgangslaserstrahl (17) mit einer Aufteilungsvorrichtung (16) zum Teil in die Kernfaser (3) und zum Teil in die Ringfaser (4) des Lichtleitkabels (2) eingespeist wird, insbesondere wobei die Aufteilungsvorrichtung (16) eine variable Aufteilungsvorrichtung (16a) ist, mit der eine Aufteilung des Ausgangslaserstrahls (17) auf die Kernfaser (3) und die Ringfaser (4) veränderlich einstellbar ist, bevorzugt wobei die variable Aufteilungsvorrichtung (16a) einen verfahrbaren optischen Keil (21) umfasst. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Laserstrahls (8) der Kernstrahl (6) mit einem ersten Lasermodul erzeugt wird und der Ringstrahl (7) mit einem zweiten Lasermodul erzeugt wird, wobei das erste Lasermodul einen ersten Vorlaserstrahl in die Kernfaser (3) einspeist, und das zweite Lasermodul einen zweiten Vorlaserstrahl in die Ringfaser (4) einspeist, insbesondere wobei die Leistung des ersten Lasermoduls und die Leistung des zweiten Lasermoduls variabel einstellbar sind. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Laserstrahl (8) ein Laserschweißen des Werkstücks (10) erfolgt. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserschweißen des Werkstücks (10) so erfolgt, dass
- für eine Einschweißtiefe ET gilt 100pm < ET < 20mm, und/oder
- für ein Aspektverhältnis T : B einer Tiefe T zu einer Breite B einer erzeugten Schweißnaht (25) gilt: T: B > 0,5: 1. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Laserschweißen mindestens zwei metallische Komponenten (23a, 23b), insbesondere auf Basis von Eisen, Kupfer und/oder Aluminium, verschweißt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Laserstrahl (8) ein Laserschneiden des Werkstücks (10) erfolgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung des Werkstücks (10) so erfolgt, dass
- für ein Strahlparameterprodukt SPP des Laserstrahls (8) bei Single-Mode 0,38mm*mrad<SSP<16mm*mrad gilt, bevorzugt mit SSP<0,6mm*mrad, oder bei Multi-Mode SSP<8mm*mrad gilt, und/oder
- für einen Kernstrahldurchmesser KSD' des Laserstrahls (8) auf einer dem Laserstrahl (8) zugewandten Werkstückoberfläche (10a), innerhalb dessen 86% der Laserleistung des Kernstrahls (8) vorliegen, bei Single-Mode 10pm<KSD'<300pm gilt, bevorzugt mit 30pm<KSD'<70pm, oder bei Multi-Mode 50pm<KSD'<1200pm gilt, und/oder
- der Laserstrahl (8) mit wenigstens einem IR-Laser mit einer mittleren 33
Wellenlänge MWL mit 800nm<MWL<1200nm, bevorzugt 1030nm<MWL<1070nm, oder wenigstens einem VIS-Laser, insbesondere mit einer mittleren Wellenlänge MWL mit 400nm<MWL<450nm oder 500nm<MWL<530nm, erzeugt wird, und/oder
- für das Abbildungsverhältnis AV gilt 1 : 1 < AV < 5: 1, bevorzugt 1,5: 1 < AV < 2: 1.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokusebene (11) in einer dem Laserstrahl (8) zugewandten Werkstückoberfläche (10a) liegt.
16. Werkstück (10) oder Teilstücke (26) eines Werkstücks (10), bearbeitet mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
17. Lichtleitkabel (2), wobei das Lichtleitkabel (2) ein Faserende (1) zur Bereitstellung eines Laserstrahls (8) umfasst, und wobei das Lichtleitkabel (2) zumindest mit einer Kernfaser (3) mit einem Kernfaserdurchmesser KFD, einer die Kernfaser (3) ringförmig umgebende Ringfaser (4) mit einem äußeren Ringfaserdurchmesser ARFD und einer zwischen Kernfaser (3) und Ringfaser (4) liegenden und die Kernfaser (3) umgebenden Mantelschicht (5) mit einer Mantelschichtdicke MSD ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass MSD<0,3*KFD, und dass MSD<20pm, vorzugsweise <10pm.
18. Verwendung eines Lichtleitkabels (2) nach Anspruch 17 in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, insbesondere zur Bearbeitung eines 34
Werkstücks (10) oder von Teilstücken (26) eines Werkstücks (10) nach Anspruch 16.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010003750A1 (de) 2010-04-08 2011-10-13 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Verfahren und Anordnung zum Verändern der Strahlprofilcharakteristik eines Laserstrahls mittels einer Mehrfachclad-Faser
DE112017001892T5 (de) * 2016-04-06 2018-12-13 TeraDiode, Inc. Optische Faserstrukturen und Verfahren zum Variieren von Laserstrahlprofilen
DE102019215968A1 (de) 2019-10-17 2021-04-22 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Laserschweißverfahren für Eckverbindungen von Werkstückteilen

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010003750A1 (de) 2010-04-08 2011-10-13 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Verfahren und Anordnung zum Verändern der Strahlprofilcharakteristik eines Laserstrahls mittels einer Mehrfachclad-Faser
EP2556397B1 (de) * 2010-04-08 2016-09-21 Trumpf Laser- und Systemtechnik GmbH Verfahren und anordnung zum erzeugen eines laserstrahls mit unterschiedlicher strahlprofilcharakteristik mittels einer mehrfachclad-faser
DE112017001892T5 (de) * 2016-04-06 2018-12-13 TeraDiode, Inc. Optische Faserstrukturen und Verfahren zum Variieren von Laserstrahlprofilen
DE102019215968A1 (de) 2019-10-17 2021-04-22 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Laserschweißverfahren für Eckverbindungen von Werkstückteilen

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
K. KLEINEP. KALLAGEF. NAGEL: "Copper welding with high brightness center mode fiber lasers", PRÄSENTATION AUF DER EUROPEAN AUTOMOTIVE LASER APPLICATIONS, 2021

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