WO2025119720A1 - Lasereinrichtung und verfahren zum bearbeiten mindestens eines werkstücks mittels mindestens zwei laserstrahlen - Google Patents

Lasereinrichtung und verfahren zum bearbeiten mindestens eines werkstücks mittels mindestens zwei laserstrahlen Download PDF

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Patrick Haug
Oliver BOCKSROCKER
Tim Hesse
Nicolai Speker
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Trumpf Laser und Systemtechnik SE
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    • B23K2103/12—Copper or alloys thereof

Definitions

  • the invention relates to a laser device for processing at least one workpiece having the features of claim 1 and to a method for processing at least one workpiece having the features of the independent claim.
  • CW lasers Continuous Wave
  • CW lasers Continuous Wave
  • instabilities can arise in the welding area, especially in the so-called keyhole. This can lead to spatter, pores and/or an irregular welding depth.
  • several laser beams can be superimposed. This can, in particular, for metallic materials with low viscosity, however, not all instabilities are eliminated.
  • a laser device for processing at least one workpiece by means of at least two laser beams having the features of claim 1.
  • the processing can be laser welding.
  • the laser device is designed to generate at least two, in particular at least four, laser beams, each with a different output power, to focus them on the workpiece and to vary the output power of the laser beams with a variation frequency of at least 50 kHz (kilohertz) and a variation amplitude of at least 10% of the output power.
  • the variation amplitude can be either positive or negative. In other words, the output power can be periodically increased (with a positive variation amplitude) and/or reduced (with a negative variation amplitude).
  • the instabilities of the keyhole can be avoided or at least reduced by increasing the steam rate and the steam pressure quickly enough and can be reduced, so that a collapse of the keyhole can be avoided.
  • the keyhole can be stabilized by deliberately influencing the steam pressure (or the steam rate), which can lead to fewer spatters, pores, and a constant weld penetration.
  • a stabilization of the wall of the keyhole can be achieved.
  • the laser device may include a beam-shaping element for generating a multi-focus beam.
  • the beam-shaping element may include one or more optical wedges.
  • all laser beams can be designed identically.
  • At least one laser beam in particular at least two laser beams, can each have a higher power than the remaining laser beams.
  • a first laser beam can be arranged in a feed direction in front of a second laser beam, wherein the power of the first laser beam can be higher than the power of the second laser beam.
  • two first laser beams can be arranged in the feed direction in front of two second laser beams, wherein the two first laser beams can have a higher power than the two second laser beams.
  • the laser beams can be arranged in a quadrangular, in particular rectangular, preferably square, patterns on the workpiece.
  • weld area especially the keyhole
  • This can further reduce instability (within the keyhole), reduce spatter and pores, and maintain a consistent weld penetration.
  • the laser device for generating the laser beams can comprise a CW laser.
  • the laser device can be configured such that the laser beams are each modulated with a modulation frequency and a modulation amplitude.
  • the modulation frequency can correspond to the variation frequency and the modulation amplitude to the variation amplitude.
  • the CW laser can have an average power of at least 0.2 kW (kilowatts), preferably at least 4 kW.
  • the laser device for generating the laser beams can comprise a pulsed laser.
  • a pulse repetition rate of the pulsed laser can correspond to the variation frequency.
  • the pulsed laser can have an average power of at least 0.2 kW, preferably at least 4 kW, and/or a pulse energy of at least 10 mJ (millijoules), preferably at least 50 mJ.
  • the core region of the laser spot is generated by means of a pulsed laser (in particular an ns (nanosecond) pulsed laser) and the ring region of the laser spot is generated by means of a CW laser or vice versa.
  • the pulsed laser and/or the CW laser can each have a beam parameter product of a maximum of 8 mm*mrad (millimeters*milliradians).
  • the pulsed laser and/or the CW laser can each be designed as a (multi-mode) NIR laser (Near Infrared). It is also conceivable that the pulsed laser and/or the CW laser can each be designed as a laser in the visible range (VIS laser) with a wavelength in a blue or green wavelength range.
  • VIS laser visible range
  • the pulsed laser and/or the CW laser can each be designed as a solid-state laser.
  • the laser device may include a control device.
  • the control device may be configured to program and/or control the (high-frequency) modulation or pulsation with a variation frequency of at least 50 kHz.
  • the laser device can be configured such that the laser beams each generate a laser spot on the workpiece.
  • the laser spot can have a core region and a ring region.
  • the core region can be circular.
  • the ring region can be ring-shaped.
  • the core region can be arranged within the ring region.
  • An average laser power density in the core region can be higher than an average laser power density in the ring region.
  • the average laser power density in the ring region can in particular be a maximum of 5%. of the laser power.
  • the laser device can comprise an optical element for beam splitting, in particular a wedge switch.
  • the laser device for generating the laser beams and/or the laser spots can comprise a fiber (2 in 1 fiber) with a core region and a ring region.
  • the core region of the fiber can have an outer diameter of at most 30 pm (micrometers), in particular of at most 20 pm, preferably of at most 10 pm (e.g. for fundamental mode or single mode).
  • the core region of the fiber can have a larger outer diameter, in particular of at least 50 pm or 100 pm (e.g. for multi-mode).
  • the ring region can have an outer diameter of 200 pm or 400 pm.
  • the core region can be arranged within the ring region.
  • the ratio between the outer diameter of the core region and the outer diameter of the ring region can be in the range from 1:2 to 1:9, in particular 1:3, 1:4 or 1:6.
  • the core region can have a cladding.
  • the cladding can be arranged between the core region and the ring region.
  • the cladding can have a maximum thickness of 10 pm.
  • the laser device can be configured such that a rise time and/or fall time of the variation amplitude is a maximum of 10 pm.
  • the rise time refers to the time required to increase the laser power to a maximum value (e.g., the positive variation amplitude).
  • the fall time refers to the time required to reduce the laser power to a minimum value (e.g., the negative variation amplitude).
  • weld area especially the keyhole
  • This can further reduce instability (within the keyhole), reduce spatter and pores, and maintain a consistent weld penetration.
  • the laser device can comprise a pivoting optic for moving the laser beams over the workpiece.
  • the pivoting optic can be designed as a welding optic.
  • the pivoting optic can have an imaging ratio in a range from 1:1 to 5:1.
  • the laser device can comprise at least one nozzle for supplying a protective gas (cutting or welding gas) to the workpiece.
  • the nozzle can have a Laval internal geometry.
  • the above object is further achieved by a method for machining at least one workpiece using at least two laser beams having the features of the independent claim.
  • the machining may be laser welding.
  • the method comprises the following steps:
  • the workpiece can be made of metal, in particular aluminum and/or copper.
  • the workpiece In the molten state (at melting temperature), the workpiece can have a viscosity of maximum 5 mPa*s (millipascals*second).
  • the workpiece can have a thickness of maximum 4 mm (millimeters).
  • the variation amplitude can be be both positive and negative. In other words, the output power can be periodically increased (with a positive variation amplitude) and/or reduced (with a negative variation amplitude).
  • an (additional) stabilization of the keyhole can be achieved, especially in workpieces with a lower viscosity, whereby the spatter and pores decrease and a weld penetration depth that is as continuous as possible can be achieved.
  • the instabilities of the keyhole can be avoided or at least reduced in particular by increasing and reducing the steam rate and the steam pressure quickly enough so that a collapse of the keyhole can be avoided.
  • the keyhole can be stabilized by specifically influencing the steam pressure (or the steam rate), which can lead to fewer spatter, pores and a constant weld penetration.
  • a stabilization of a wall of the keyhole can be achieved.
  • the method may comprise the step of:
  • a protective gas cutting or welding gas
  • This can be achieved using a nozzle, particularly one with a Laval internal geometry.
  • the method may comprise the step:
  • the laser beams can be moved over the workpiece by means of swiveling optics.
  • the movement of the laser beams and/or the workpiece can be a relative movement between the laser beams and the workpiece. In other words, either the laser beams or the workpiece or both can be moved.
  • At least one first laser beam is arranged in front of at least one second laser beam in the feed direction.
  • the first laser beam has a higher power than the second laser beam. It is also conceivable for at least two first laser beams to be arranged in front of at least two second laser beams in the feed direction, the first laser beams having a higher power than the second laser beams.
  • continuous machining of the workpiece for example a weld seam
  • the keyhole in particular at least one wall of the keyhole
  • a laser device according to the above statements can be used to carry out the method.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a laser device for processing at least one workpiece
  • Fig. 2 is a schematic diagram of a power curve of a CW laser of the laser device according to Figure 1.
  • Figure 1 schematically shows a laser device 10 for processing at least one workpiece 12 using at least two laser beams 14.
  • the processing involves laser welding.
  • the laser device 10 is configured to generate at least two, in particular at least four, laser beams 14, each having an output power 16 (cf. Figure 2), and to focus them onto the workpiece 12.
  • the laser device 10 is further configured to vary the output power 16 of the laser beams 14 with a variation frequency of at least 50 kHz and a variation amplitude 18 of at least 10% of the output power 16.
  • the laser device 10 can also be configured such that a rise time and/or a fall time of the variation amplitude 18 is a maximum of 10 ps.
  • the laser beams 14 are each identically configured. It is also conceivable that at least one laser beam 14, in particular at least two laser beams 14, each have a higher power than the remaining laser beams 14.
  • the laser device 10 can comprise a CW laser for generating the laser beams 14.
  • the laser device 10 can be configured such that the laser beams 14 are modulated with a modulation frequency and a modulation amplitude.
  • the modulation frequency can correspond to the variation frequency
  • the modulation amplitude can correspond to the variation amplitude 18.
  • the CW laser can have an average power of at least 1 kW, in particular of at least 4 kW.
  • the laser device 10 in this case comprises a pivoting optics 20 for moving the laser beams 14 over the workpiece 12.
  • the pivoting optics 20 can have an imaging ratio in a range from 1:1 to 5:1.
  • the pivoting optics 10 is designed in this case as a welding optics.
  • the laser device 10 can comprise at least one nozzle for supplying a protective gas to the workpiece 12. This can be a nozzle with a Laval internal geometry.
  • the laser device 10 can be configured such that the laser beams 14 each generate a laser spot on the workpiece 12.
  • the laser spot can have a core region, in particular a circular one.
  • the laser spot can have a ring region, in particular an annular one.
  • the core region of the laser spot can be arranged in the ring region of the laser spot.
  • An average laser power density in the core region of the laser spot can be higher than an average laser power density in the ring region of the laser spot.
  • the laser device 10 can comprise at least one fiber.
  • the fiber can comprise a core region and a ring region.
  • the core region can be arranged within the ring region.
  • the core region can have an outer diameter of 50 pm or 100 pm.
  • the ring region can have an outer diameter of 200 pm or 400 pm.
  • Figure 2 shows a schematic diagram of a power curve of the CW laser of the laser device 10 according to Figure 1 .
  • the power 22 of the CW laser of the laser device 10 is plotted in watts over time 24 in seconds.
  • the x-axis represents time 24 in seconds
  • the y-axis represents power 22 in watts.
  • the power 22 of the CW laser is modulated in this case with the modulation frequency and the modulation amplitude.
  • the output power 16 of the CW laser is periodically varied by at least 10% (modulation amplitude).
  • the output power 16 of the CW laser is thus changed by the modulation amplitude or the variation amplitude 18 at regular intervals of a maximum of 20 ps (since the modulation frequency or variation frequency is at least 50 kHz).
  • the output power 16 is reduced by the variation amplitude 18 at intervals of a maximum of 20 ps and increased again to the value of the output power 16.
  • the variation amplitude is greater than 10% and less than 100% of the output power 16.
  • the rise time is the time required to increase the power 22 of the CW laser from a minimum value to a maximum value (in this case the value of the output power 16).
  • the fall time is the time required to reduce the power 22 of the CW laser from the maximum value to the minimum value.
  • the rise time and fall time can each be less than 10 ps.
  • the workpiece 12 can be made of metal, in particular aluminum and/or copper.
  • the workpiece 12 can have a viscosity of a maximum of 5 mPa*s in the molten state.
  • a rise time and/or a Fall time of variation amplitude 18 can be less than 10 ps.
  • the method may comprise the step of:
  • At least one first laser beam 14 is arranged in front of at least one second laser beam 14 in the feed direction.
  • the first laser beam 14 can have a higher power than the second laser beam 14. If there are at least four laser beams 14, at least two first laser beams 14 can be arranged in front of at least two second laser beams 14 in the feed direction.
  • the first laser beams 14 can each have a higher power than the second laser beams 14.
  • a laser device 10 according to the above embodiments, in particular the laser device 10 shown in Figure 1, can be used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lasereinrichtung (10) zum Bearbeiten, insbesondere Laserschweißen, mindestens eines Werkstücks (12) mittels mindestens zwei Laserstrahlen (14) mit Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Bearbeiten, insbesondere Laserschweißen, mindestens eines Werkstücks (12) mittels mindestens zwei Laserstrahlen (14) mit Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs.

Description

Titel : Lasereinrichtung und Verfahren zum Bearbeiten mindestens eines Werkstücks mittels mindestens zwei Laserstrahlen
Beschreibung
Die Erfindung betri f ft eine Lasereinrichtung zum Bearbeiten mindestens eines Werkstücks mit Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Bearbeiten mindestens eines Werkstücks mit Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs .
Beim Laserschweißen von mindestens zwei Komponenten werden für das Tiefenschweißen üblicherweise CW-Laser ( Continuous Wave ) mit einer konstanten Leistung über die Dauer des Laserschweißens verwendet . Insbesondere beim Tiefenschweißen von metallischen Werkstof fen mit einer niedrigen Viskosität können Instabilitäten im Schweißbereich, insbesondere im sogenannten Keyhole , entstehen . So können bspw . Spritzer, Poren und/oder eine unregelmäßige Einschweißtief e entstehen . Um solche Instabilitäten zu reduzieren können mehrere Laserstrahlen überlagert werden . Dadurch können, insbesondere bei metallischen Werkstof fen mit niedriger Viskosität , j edoch nicht alle Instabilitäten beseitigt werden .
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Lasereinrichtung und ein Verfahren zum Bearbeiten, insbesondere Laserschweißen, mindestens eines Werkstücks bereitzustellen, wobei die obigen Nachteile ausgeräumt werden .
Die obige Aufgabe wird durch eine Lasereinrichtung zum Bearbeiten mindestens eines Werkstücks mittels mindestens zwei Laserstrahlen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst . Bei der Bearbeitung kann es sich um Laserschweißen handeln .
Die Lasereinrichtung ist eingerichtet , um mindestens zwei , insbesondere mindestens vier, Laserstrahlen mit j eweils einer Ausgangsleistung zu erzeugen, auf das Werkstück zu fokussieren und die Ausgangsleistung der Laserstrahlen mit einer Variations-Frequenz von mindestens 50 kHz (Kilohertz ) und einer Variations-Amplitude von mindestens 10 % der Ausgangsleistung zu variieren . Dabei kann die Variations- Amplitude sowohl positiv als auch negativ sein . Mit anderen Worten, die Ausgangsleistung kann periodisch erhöht (bei positiver Variations-Amplitude ) und/oder reduziert (bei negativer Variations-Amplitude ) werden .
Hierdurch kann eine ( zusätzliche ) Stabilisierung des Keyholes , insbesondere in Werkstücken mit einer niedrigeren Viskosität , erzielt werden, wodurch die Spritzer und Poren abnehmen und eine möglichst kontinuierliche Einschweißtief e erzielt werden kann . Die Instabilitäten des Keyholes können insbesondere dadurch vermieden oder zumindest reduziert werden, dass die Dampfrate und der Dampfdruck schnell genug erhöht und reduziert werden, sodass ein Kollabieren des Keyholes vermieden werden kann . Mit anderen Worten, das Keyhole kann durch ein gezieltes Beeinflussen des Dampfdrucks (bzw . der Dampfrate ) stabilisiert werden, was zu weniger Spritzern, Poren und einer konstanten Einschweißtief e führen kann . Insbesondere kann eine Stabilisierung einer Wandung des Keyholes erzielt werden .
Die Lasereinrichtung kann ein Strahl formungselement zum Erzeugen von einem "Multi fokus-Strahl" aufweisen . Das Strahl formungselement kann ein oder mehrere optische Keile umfassen .
Gemäß einer Weiterbildung der Lasereinrichtung können alle Laserstrahlen j eweils identisch ausgebildet sein .
Hierdurch kann das Erzeugen der Laserstrahlen vereinfacht und mit einfachen Mitteln umgesetzt werden .
Gemäß einer Weiterbildung der Lasereinrichtung kann mindestens ein Laserstrahl , insbesondere mindestens zwei Laserstrahlen, j eweils eine höhere Leistung aufweisen, als die restlichen Laserstrahlen . So ist es bspw . denkbar, dass bei zwei Laserstrahlen ein erster Laserstrahl in eine Vorschubrichtung vor einem zweiten Laserstrahl angeordnet sein kann, wobei die Leistung des ersten Laserstrahls höher, als die Leistung des zweiten Laserstrahls sein kann . Entsprechend können bspw . bei vier Laserstrahlen zwei erste Laserstrahlen in die Vorschubrichtung vor zwei zweiten Laserstrahlen angeordnet sein, wobei die beiden ersten Laserstrahlen eine höhere Leistung aufweisen können, als die zwei zweiten Laserstrahlen . Bei vier Laserstrahlen können die Laserstrahlen in einem viereckigen, insbesondere rechteckigen, vorzugsweise quadratischen, Muster auf dem Werkstück fokussiert bzw . angeordnet sein .
Hierdurch lässt sich der Schweißbereich, insbesondere das Keyhole , weiter stabilisieren . Dies kann zur weiteren Reduzierung der Instabilität ( innerhalb des Keyholes ) und zu weniger Spritzern und Poren, sowie einer konstanten Einschweißtief e führen .
Gemäß einer Weiterbildung der Lasereinrichtung kann die Lasereinrichtung zur Erzeugung der Laserstrahlen einen CW- Laser umfassen . Dabei kann die Lasereinrichtung derart eingerichtet sein, dass die Laserstrahlen j eweils mit einer Modulations frequenz und einer Modulationsamplitude moduliert werden . Dabei können die Modulations frequenz der Variations- Frequenz und die Modulationsamplitude der Variations-Amplitude entsprechen . Der CW-Laser kann eine durchschnittliche Leistung von mindestens 0 , 2 kW (Kilowatt ) , vorzugsweise mindestens 4 kW, aufweisen .
Hierdurch können die Laserstrahlen mit einfachen Mitteln erzeugt werden .
Es ist ebenso denkbar, dass die Lasereinrichtung zur Erzeugung der Laserstrahlen einen gepulsten Laser umfassen kann . Dabei kann eine Pulswiederholrate des gepulsten Lasers der Variations-Frequenz entsprechen . Der gepulste Laser kann eine durchschnittliche Leistung von mindestens 0 , 2 kW, vorzugsweise mindestens 4 kW, und/oder eine Pulsenergie von mindestens 10 mJ (Milli oule ) , vorzugsweise mindestens 50 mJ, aufweisen . Es ist denkbar, dass der Kernbereich des Laserspots mittels eines gepulsten Lasers ( insbesondere eines ns (Nanosekunden) - gepulsten Lasers ) und der Ringbereich des Laserspots mittels eines CW-Laser erzeugt werden oder umgekehrt .
Der gepulste Laser und/oder der CW-Laser können j eweils ein Strahlparameterprodukt von maximal 8 mm*mrad (Millimeter*Milliradiant ) aufweisen . Der gepulste Laser und/oder der CW-Laser können j eweils als (Multi-Mode ) NIR- Laser (Near InfraRed) ausgebildet sein . Es ist ebenso denkbar, dass der gepulste Laser und/oder der CW-Laser j eweils als ein Laser im sichtbaren Bereich (VIS-Laser ) mit einer Wellenlänge in einem blauen oder grünen Wellenlängenbereich ausgebildet sein können . Der gepulste Laser und/oder der CW-Laser können j eweils als ein Festkörperlaser ausgebildet sein .
Die Lasereinrichtung kann eine Steuereinrichtung umfassen . Die Steuereinrichtung kann zur Programmierung und/oder Steuerung der (hochfrequenten) Modulation bzw . Pulsation mit der Variations-Frequenz von mindestens 50 kHz eingerichtet sein .
Gemäß einer Weiterbildung der Lasereinrichtung kann die Lasereinrichtung derart eingerichtet sein, dass die Laserstahlen auf dem Werkstück j eweils einen Laserspot erzeugen . Der Laserspot kann einen Kernbereich und einen Ringbereich aufweisen . Der Kernbereich kann kreis förmig ausgebildet sein . Der Ringbereich kann ringförmig ausgebildet sein . Der Kernbereich kann innerhalb des Ringbereichs angeordnet sein . Eine mittlere Laser-Leistungsdichte im Kernbereich kann höher sein, als eine mittlere Laser- Leistungsdichte im Ringbereich . Die mittlere Laser- Leistungsdichte im Ringbereich kann insbesondere maximal 5 % der Laserleistung betragen. Zur Erzeugung der Kern- bzw.
Ringbereiche kann die Lasereinrichtung ein optisches Element zur Strahlteilung, insbesondere eine Keilweiche, umfassen.
Hierdurch lässt sich der Schweißbereich, insbesondere das Keyhole, weiter stabilisieren. Dies kann zur weiteren Reduzierung der Instabilität (innerhalb des Keyholes) und zu weniger Spritzern und Poren, sowie einer konstanten Einschweißtief e führen.
Gemäß einer Weiterbildung der Lasereinrichtung kann die Lasereinrichtung zur Erzeugung der Laserstrahlen und/oder der Laserspots eine Faser (2 in 1 Faser) mit einem Kernbereich und einem Ringbereich umfassen. Der Kernbereich der Faser kann einen Außendurchmesser von höchstens 30 pm (Mikrometer) , insbesondere von höchstens 20 pm, vorzugsweise von höchstens 10 pm (bspw. bei Grundmode bzw. Single Mode) aufweisen. Alternativ kann der Kernbereich der Faser einen größeren Außendurchmesser aufweisen, insbesondere von mindestens 50 pm oder 100 pm (bspw. bei Multi Mode) . Der Ringbereich kann einen Außendurchmesser von 200 pm oder 400 pm aufweisen. Der Kernbereich kann innerhalb des Ringbereichs angeordnet sein. Das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser des Kernbereichs und dem Außendurchmesser des Ringbereichs kann im Bereich von 1:2 bis 1:9, insbesondere 1:3, 1:4 oder 1:6, liegen. Der Kernbereich kann eine Ummantelung (Cladding) aufweisen. Die Ummantelung kann zwischen dem Kernbereich und dem Ringbereich angeordnet sein. Die Ummantelung kann eine Dicke von maximal 10 pm aufweisen.
Hierdurch lässt sich der Schweißbereich, insbesondere das Keyhole, weiter stabilisieren. Dies kann zur weiteren Reduzierung der Instabilität ( innerhalb des Keyholes ) und zu weniger Spritzern und Poren, sowie einer konstanten Einschweißtief e führen .
Gemäß einer Weiterbildung der Lasereinrichtung kann die Lasereinrichtung derart eingerichtet sein, dass eine Anstiegs zeit und/oder Abfall zeit der Variation-Amplitude maximal 10 pm beträgt .
Vorliegend ist mit Anstiegs zeit die Zeit gemeint , die benötigt wird, um die Laserleistung auf einen Maximalwert (bspw . die positive Variations-Amplitude ) zu erhöhen . Entsprechend ist mit einer Abfall zeit die Zeit gemeint , die benötigt wird, um die Laserleistung auf einen Minimalwert (bspw . die negative Variations-Amplitude ) zu reduzieren .
Hierdurch lässt sich der Schweißbereich, insbesondere das Keyhole , weiter stabilisieren . Dies kann zur weiteren Reduzierung der Instabilität ( innerhalb des Keyholes ) und zu weniger Spritzern und Poren, sowie einer konstanten Einschweißtief e führen .
Gemäß einer Weiterbildung der Lasereinrichtung kann die Lasereinrichtung eine Schwenkoptik zum Bewegen der Laserstrahlen über das Werkstück umfassen . Die Schwenkoptik kann als Schweißoptik ausgebildet sein . Die Schwenkoptik kann ein Abbildungsverhältnis in einem Bereich von 1 : 1 bis 5 : 1 aufweisen .
Hierdurch lässt sich mit einfachen Mitteln ein Vorschub der Laserstrahlen auf dem Werkstück umsetzen . Gemäß einer Weiterbildung der Lasereinrichtung kann die Lasereinrichtung mindestens eine Düse zum Zuführen eines Schutzgases ( Schneid- oder Schweißgas ) auf das Werkstück umfassen . Die Düse kann eine Laval- Innengeometrie aufweisen .
Hierdurch lässt sich mit einfachen Mitteln eine Zuführung des Schutzgases umsetzen und somit die Bearbeitung des Werkstücks weiter optimieren .
Die obige Aufgabe wird weiter durch ein Verfahren zum Bearbeiten mindestens eines Werkstücks mittels mindestens zwei Laserstrahlen mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs gelöst . Bei der Bearbeitung kann es sich um Laserschweißen handeln . Das Verfahren umfasst die Schritte :
Bereitstellen des Werkstücks . Das Werkstück kann aus Metall , insbesondere Aluminium und/oder Kupfer, ausgebildet sein . Das Werkstück kann im schmel z flüssigen Zustand (bei Schmel ztemperatur ) eine Viskosität von maximal 5 mPa* s (Millipascal * Sekunde ) aufweisen . Das Werkstück kann eine Dicke von maximal 4 mm (Millimeter ) aufweisen .
Erzeugen und Fokussieren von mindestens zwei , insbesondere mindestens vier, Laserstrahlen mit j eweils einer Ausgangsleistung auf das Werkstück .
Variieren, insbesondere Pulsieren oder Modulieren, der Laserstrahlen mit einer Variations-Frequenz von mindestens 50 kHz und einer Variations-Amplitude von mindestens 10 % der
Ausgangsleistung . Dabei können eine Anstiegs zeit und/oder
Abfall zeit der Variations-Amplitude kleiner als 10 ps
(Mikrosekunden) sein . Die Variations-Amplitude kann sowohl positiv als auch negativ sein . Mit anderen Worten, die Ausgangsleistung kann periodisch erhöht (bei positiver Variations-Amplitude ) und/oder reduziert (bei negativer Variations-Amplitude ) werden .
Hierdurch kann eine ( zusätzliche ) Stabilisierung des Keyholes , insbesondere in Werkstücken mit einer niedrigeren Viskosität , erzielt werden, wodurch die Spritzer und Poren abnehmen und eine möglichst kontinuierliche Einschweißtief e erzielt werden kann . Die Instabilitäten des Keyholes können insbesondere dadurch vermieden oder zumindest reduziert werden, dass die Dampfrate und der Dampfdruck schnell genug erhöht und reduziert werden, sodass ein Kollabieren des Keyholes vermieden werden kann . Mit anderen Worten, das Keyhole kann durch ein gezieltes Beeinflussen des Dampfdrucks (bzw . der Dampfrate ) stabilisiert werden, was zu weniger Spritzern, Poren und einer konstanten Einschweißtief e führen kann . Insbesondere kann eine Stabilisierung einer Wandung des Keyholes erzielt werden .
Das Verfahren kann den Schritt umfassen :
Zuführen eines Schutzgases ( Schneid- oder Schweißgas ) auf das Werkstück, insbesondere in den Bereich der Bearbeitung des Werkstücks . Dies kann mittels einer Düse , insbesondere mit einer Laval- Innengeometrie , umgesetzt werden .
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens kann das Verfahren den Schritt umfassen :
Bewegen der Laserstrahlen und/oder des Werkstücks , um einen Vorschub der auf dem Werkstück fokussierten Laserstrahlen in eine Vorschubrichtung zu erzeugen . Dabei können die Laserstrahlen mittels einer Schwenkoptik über das Werkstück bewegt werden . Die Bewegung der Laserstrahlen und/oder des Werkstücks kann eine Relativbewegung zwischen den Laserstrahlen und dem Werkstück sein . Mit anderen Worten, es können entweder die Laserstrahlen oder das Werkstück oder beides bewegt werden . Mindestens ein erster Laserstrahl wird in Vorschubrichtung vor mindestens einem zweiten Laserstrahl angeordnet . Der erste Laserstrahl weist dabei eine höhere Leistung auf , als der zweite Laserstrahl . Ebenso denkbar ist es , dass mindestens zwei erste Laserstrahlen in Vorschubrichtung vor mindestens zwei zweite Laserstrahlen angeordnet werden, wobei die ersten Laserstrahlen eine höhere Leistung aufweisen, als die zweiten Laserstrahlen .
Hierdurch kann mit einfachen Mitteln eine fortlaufende Bearbeitung des Werkstücks , bspw . eine Schweißnaht , erzeugt werden wobei das Keyhole , insbesondere mindestens eine Wandung des Keyholes , weiter stabilisiert werden kann .
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens kann zur Durchführung des Verfahrens eine Lasereinrichtung gemäß obiger Aus führungen verwendet werden .
Hinsichtlich der damit erzielbaren Vorteile wird auf die diesbezüglichen Aus führungen zur Lasereinrichtung verwiesen . Zur weiteren Ausgestaltung des Verfahrens können die im Zusammenhang mit der Lasereinrichtung beschriebenen und/oder die nachfolgend noch erläuterten Maßnahmen dienen .
Weitere Merkmale , Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung eines Aus führungsbeispiels anhand der
Zeichnungen . Es zeigen :
Fig . 1 eine schematische Darstellung einer Lasereinrichtung zum Bearbeiten mindestens eines Werkstücks ;
Fig . 2 ein schematisches Diagramm eines Leistungsverlaufs eines CW-Lasers der Lasereinrichtung gemäß Figur 1 .
In Figur 1 ist eine Lasereinrichtung 10 zum Bearbeiten mindestens eines Werkstücks 12 mittels mindestens zwei Laserstrahlen 14 schematisch dargestellt . Vorliegend handelt es sich bei der Bearbeitung um Laserschweißen .
Die Lasereinrichtung 10 ist eingerichtet , um mindestens zwei , insbesondere mindestens vier, Laserstrahlen 14 mit j eweils einer Ausgangsleistung 16 (vgl . Figur 2 ) zu erzeugen und auf das Werkstück 12 zu fokussieren . Die Lasereinrichtung 10 ist weiter eingerichtet , um die Ausgangsleistung 16 der Laserstrahlen 14 mit einer Variations-Frequenz von mindestens 50 kHz und einer Variations-Amplitude 18 von mindestens 10 % der Ausgangsleistung 16 zu variieren .
Die Lasereinrichtung 10 kann zudem derart eingerichtet sein, dass eine Anstiegs zeit und/oder eine Abfall zeit der Variations-Amplitude 18 maximal 10 ps beträgt .
Die Laserstrahlen 14 sind vorliegend j eweils identisch ausgebildet . Ebenso ist es denkbar, dass mindestens ein Laserstrahl 14 , insbesondere mindestens zwei Laserstrahlen 14 , j eweils eine höhere Leistung aufweisen, als die restlichen Laserstrahlen 14 . Die Lasereinrichtung 10 kann einen CW-Laser zur Erzeugung der Laserstrahlen 14 umfassen . Die Lasereinrichtung 10 kann derart eingerichtet sein, dass die Laserstrahlen 14 mit einer Modulations frequenz und einer Modulationsamplitude moduliert werden . Dabei können die Modulations frequenz der Variations- Frequenz und die Modulationsamplitude der Variations-Amplitude 18 entsprechen . Der CW-Laser kann eine durchschnittliche Leistung von mindestens 1 kW, insbesondere von mindestens 4 kW, aufweisen .
Die Lasereinrichtung 10 umfasst vorliegend eine Schwenkoptik 20 zum Bewegen der Laserstrahlen 14 über das Werkstück 12 . Die Schwenkoptik 20 kann ein Abbildungsverhältnis in einem Bereich von 1 : 1 bis 5 : 1 aufweisen . Die Schwenkoptik 10 ist vorliegend als Schweißoptik ausgebildet .
Die Lasereinrichtung 10 kann mindestens eine Düse zum Zuführen eines Schutzgases auf das Werkstück 12 umfassen dabei kann es sich um eine Düse mit einer Laval- Innengeometrie handeln .
Die Lasereinrichtung 10 kann derart eingerichtet sein, dass die Laserstrahlen 14 auf dem Werkstück 12 j eweils einen Laserspot erzeugen . Dabei kann der Laserspot einen, insbesondere kreis förmigen, Kernbereich aufweisen . Der Laserspot kann einen, insbesondere ringförmigen, Ringbereich aufweisen . Dabei kann der Kernbereich des Laserspots im Ringbereich des Laserspots angeordnet sein . Eine mittlere Laser-Leistungsdichte im Kernbereich des Laserspots kann höher sein, als eine mittlere Laser-Leistungsdichte im Ringbereich des Laserspots . Zur Erzeugung der Laserstrahlen 14 und/oder der Laserspots kann die Lasereinrichtung 10 mindestens eine Faser umfassen . Die Faser kann einen Kernbereich und einen Ringbereich umfassen . Der Kernbereich kann innerhalb des Ringbereichs angeordnet sein . Der Kernbereich kann einen Außendurchmesser von 50 pm oder 100 pm aufweisen . Der Ringbereich kann einen Außendurchmesser von 200 pm oder 400 pm, aufweisen .
Figur 2 zeigt ein schematisches Diagramm eines Leistungsverlaufs des CW-Lasers der Lasereinrichtung 10 gemäß Figur 1 .
In dem dargestellten Diagramm ist eine Leistung 22 des CW- Lasers der Lasereinrichtung 10 in Watt über der Zeit 24 in Sekunden aufgetragen . Mit anderen Worten, auf der x-Achse ist die Zeit 24 in Sekunden und auf der Y-Achse die Leistung 22 in Watt dargestellt .
Die Leistung 22 des CW-Lasers wird vorliegend mit der Modulations frequenz und der Modulationsamplitude moduliert . Mit anderen Worten, die Ausgangsleistung 16 des CW-Lasers wird periodisch um mindestens 10 % (Modulationsamplitude ) variiert . So wird die Ausgangsleistung 16 des CW-Lasers um die Modulationsamplitude bzw . die Variations-Amplitude 18 in regelmäßigen Abständen von maximal 20 ps ( da die Modulations frequenz bzw . Variations-Frequenz mindestens 50 kHz beträgt ) verändert . In dem dargestellten Beispiel wird die Ausgangsleistung 16 in Abständen von maximal 20 ps um die Variations-Amplitude 18 reduziert und wieder auf den Wert der Ausgangsleistung 16 erhöht . Vorliegend ist die Variations- Amplitude größer 10 % und kleiner 100 % der Ausgangsleistung 16 . Die Anstiegs zeit ist die Zeit , die benötigt wird, um die Leistung 22 des CW-Lasers von einem Minimalwert zu einem Maximalwert (vorliegend der Wert der Ausgangsleistung 16 ) zu erhöhen . Entsprechend ist die Abfall zeit die Zeit , die benötigt wird, um die Leistung 22 des CW-Lasers von dem Maximalwert zu dem Minimalwert zu reduzieren . Vorliegend handelt es sich lediglich um ein schematisches Diagramm, so dass die Anstiegs zeit und die Abfall zeit vorliegend als senkrechte Flanken (= Null Sekunden) und damit nicht maßstabsgetreu wiedergegeben werden . Die Anstiegs zeit und die Abfall zeit können j eweils kleiner 10 ps sein .
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Bearbeiten, insbesondere Laserschweißen, mindestens eines Werkstücks 12 anhand der Figuren 1 und 2 beschrieben . Das Verfahren umfasst die Schritte :
Bereitstellen des Werkstücks 12 . Das Werkstück 12 kann aus Metall , insbesondere Aluminium und/oder Kupfer, ausgebildet sein . Das Werkstück 12 kann im schmel z flüssigen Zustand eine Viskosität von maximal 5 mPa* s aufweisen .
Erzeugen und Fokussieren von mindestens zwei , insbesondere mindestens vier, Laserstrahlen 14 mit j eweils einer Ausgangsleistung 16 auf das Werkstück 12 .
Variieren, insbesondere Pulsieren oder Modulieren, der Laserstrahlen 14 mit einer Variations-Frequenz von mindestens 50 kHz und einer Variations-Amplitude 18 von mindestens 10 % der Ausgangsleistung 16 . Eine Anstiegs zeit und/oder eine Abfall zeit der Variations-Amplitude 18 kann kleiner als 10 ps sein .
Das Verfahren kann den Schritt umfassen :
Bewegen der Laserstrahlen 14 und/oder des Werkstücks 12 , um einen Vorschub der auf dem Werkstück 12 fokussierten Laserstrahlen 14 in eine Vorschubrichtung zu erzeugen . Mindestens ein erster Laserstrahl 14 wird in Vorschubrichtung vor mindestens einem zweiten Laserstrahl 14 angeordnet . Der erste Laserstrahl 14 kann eine höhere Leistung aufweisen, als der zweite Laserstrahl 14 . Bei mindestens vier Laserstrahlen 14 , können mindestens zwei erste Laserstrahlen 14 in Vorschubrichtung vor mindestens zwei zweite Laserstrahlen 14 angeordnet werden . Dabei können die ersten Laserstrahlen 14 j eweils eine höhere Leistung aufweisen, als die zweiten Laserstrahlen 14 .
Zur Durchführung des Verfahrens kann eine Lasereinrichtung 10 gemäß obiger Aus führungen, insbesondere die in Figur 1 gezeigte Lasereinrichtung 10 , verwendet werden .

Claims

Patentansprüche
1. Lasereinrichtung (10) zum Bearbeiten, insbesondere Laserschweißen, mindestens eines Werkstücks (12) mittels mindestens zwei Laserstrahlen (14) , wobei die Lasereinrichtung (10) eingerichtet ist, um mindestens zwei, insbesondere mindestens vier, Laserstrahlen (14) jeweils mit einer Ausgangsleistung (16) zu erzeugen, auf das Werkstück (12) zu fokussieren und die Ausgangsleistung (16) der Laserstrahlen (14) mit einer Variations-Frequenz von mindestens 50 kHz und einer Variations-Amplitude (18) von mindestens 10 % der Ausgangsleistung (16) zu variieren.
2. Lasereinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Laserstrahlen (14) jeweils identisch ausgebildet sind.
3. Lasereinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Laserstrahl (14) , insbesondere mindestens zwei Laserstrahlen (14) , jeweils eine höhere Leistung aufweisen, als die restlichen Laserstrahlen (14) .
4. Lasereinrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (10) zum Erzeugen der mindestens zwei Laserstrahlen (14) , insbesondere aller Laserstrahlen (14) , mindestens einen CW-Laser umfasst, wobei die Lasereinrichtung (10) derart eingerichtet ist, dass die mindestens zwei Laserstrahlen (14) , insbesondere alle Laserstrahlen (14) jeweils, mit einer Modulationsfrequenz und einer Modulationsamplitude moduliert werden, wobei die Modulationsfrequenz der Variations-Frequenz und die Modulationsamplitude der Variations-Amplitude (18) entsprechen, insbesondere wobei der CW-Laser eine durchschnittliche Leistung von mindestens 0,2 kW, vorzugsweise mindestens 4 kW, aufweist .
5. Lasereinrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (10) derart eingerichtet ist, dass die Laserstrahlen (14) auf dem Werkstück (12) jeweils einen Laserspot erzeugen, wobei der Laserspot einen, insbesondere kreisförmigen, Kernbereich und einen, insbesondere ringförmigen, Ringbereich aufweist, wobei eine mittlere Laser-Leistungsdichte im Kernbereich höher ist, als eine mittlere Laser-Leistungsdichte im Ringbereich .
6. Lasereinrichtung (10) nach dem voranstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (10) zur Erzeugung der Laserstrahlen (14) und/oder der Laserspots mindestens eine Faser mit einem Kernbereich und einem Ringbereich umfasst.
7. Lasereinrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (10) derart eingerichtet ist, dass eine Anstiegs- und/oder Abfallzeit der Variations-Amplitude
(18) maximal 10 ps beträgt.
8. Lasereinrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (10) eine Schwenkoptik (20) zum Bewegen der Laserstrahlen (14) über das Werkstück (12) umfasst, insbesondere wobei die Schwenkoptik (20) ein Abbildungsverhältnis in einem Bereich von 1:1 bis 5:1 aufweist .
9. Lasereinrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (10) mindestens eine Düse zum Zuführen eines Schutzgases auf das Werkstück (12) umfasst, insbesondere wobei die Düse eine Laval-Innengeometrie aufweist .
10. Verfahren zum Bearbeiten, insbesondere Laserschweißen, mindestens eines Werkstücks (12) mittels mindestens zwei Laserstrahlen (14) umfassend die Schritte:
Bereitstellen des Werkstücks (12) , insbesondere wobei das Werkstück (12) aus Metall, vorzugsweise Aluminium und/oder Kupfer, ausgebildet ist und im schmelzflüssigen Zustand eine Viskosität von maximal 5 mPa*s aufweist;
Erzeugen und Fokussieren von mindestens zwei, insbesondere mindestens vier, Laserstrahlen (14) jeweils mit einer Ausgangsleistung (16) auf das Werkstück (12) ;
Variieren, insbesondere Pulsieren oder Modulieren, der Laserstrahlen (14) mit einer Variations-Frequenz von mindestens 50 kHz und einer Variations-Amplitude (18) von mindestens 10 % der Ausgangsleistung (16) , insbesondere wobei die Anstiegs- und/oder Abfallzeit der Variations-Amplitude (18) maximal 10 ps beträgt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren den Schritt umfasst:
Bewegen der Laserstrahlen (14) und/oder des Werkstücks (12) , um einen Vorschub der auf dem Werkstück (12) fokussierten Laserstrahlen (14) in eine Vorschubrichtung zu erzeugen, wobei mindestens ein erster Laserstrahl (14) in Vorschubrichtung vor mindestens einem zweiten Laserstrahl (14) angeordnet wird, wobei der erste Laserstrahl (14) eine höhere Leistung aufweist, als der zweite Laserstrahl (14) , insbesondere wobei mindestens zwei erste Laserstrahlen (14) in Vorschubrichtung vor mindestens zwei zweite Laserstrahlen (14) angeordnet werden, wobei die ersten
Laserstrahlen (14) eine höhere Leistung aufweisen, als die zweiten Laserstrahlen (14) .
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Verfahrens eine Lasereinrichtung (10) einem der Ansprüche 1 bis 9 verwendet wird.
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