Verfahren zum Tiefschweißen eines Werkstücks, mit Verteilung der Laserleistung auf mehrere Foki Method for deep welding a workpiece, with distribution of the laser power to several foci
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Tiefschweißen eines Werkstücks, wobei mit einem Laserstrahl eine Oberfläche des Werkstücks bestrahlt wird, wobei der Laserstrahl eine Dampfkapillare erzeugt,The invention relates to a method for deep welding a workpiece, wherein a laser beam irradiates a surface of the workpiece, the laser beam generating a vapor capillary,
wobei mittels einer strahlformenden Optik entlang einer Strahlachse des Laserstrahls wenigstens zwei Foki des Laserstrahls erzeugt werden, die innerhalb der Dampfkapillare liegen.wherein at least two foci of the laser beam are generated by means of a beam-forming optical system along a beam axis of the laser beam, which lie within the vapor capillary.
Ein solches Verfahren ist aus der EP 1 491 279 A1 bekannt geworden.Such a method has become known from EP 1 491 279 A1.
Durch Laserstrahlschweißen können Werkstücke mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit an einer schmalen Schweißnaht miteinander verbunden werden. In die Werkstücke wird nur relativ wenig Wärmeenergie eingebracht, so dass kein oder nur geringer thermischer Verzug auftritt.Laser beam welding allows workpieces to be joined together at a comparatively high speed on a narrow weld seam. In the workpieces only relatively little heat energy is introduced, so that little or no thermal distortion occurs.
Beim Lasertiefschweißen wird das Werkstückmaterial nicht nur oberflächlich angeschmolzen, sondern es bildet sich im Schmelzbad eine Dampfkapillare in Strahlrichtung aus. Dadurch kann die Laserstrahlung in größere Tiefen vordringen, wodurch stärkere Verbindungen zwischen Werkstücken erzeugt werden können.In laser deep welding, the workpiece material is not only melted on the surface, but it forms in the molten bath, a vapor capillary in the beam direction. As a result, the laser radiation can penetrate into greater depths, whereby stronger connections between workpieces can be generated.
Beim Fortschreiten des Laserstrahls relativ zum Werkstück kommt es am hinteren Ende des Schmelzbades zum Wiedererstarren desAs the laser beam progresses relative to the workpiece, it reemerges at the rear end of the molten bath
Werkstückmaterials. Dabei können sich im Werkstück Heißrisse bilden, die die Nahtqualität verschlechtern, insbesondere bezüglich der Festigkeit. Workpiece material. In this case, hot cracks may form in the workpiece, which deteriorate the seam quality, in particular with regard to the strength.
Die Qualität der Schweißnaht kann weiterhin durch die Ausbildung vonThe quality of the weld can continue through the training of
Schweißspritzern beeinträchtigt werden. Flüssiges Werkstückmaterial wird dabei aus dem Schmelzbad herausgeschleudert, was Kerben in dieWeld spatters are affected. Liquid workpiece material is thereby ejected from the molten bath, causing notches in the
Schweißnaht einbringt und zu einem Materialverlust in der Schweißnaht führt, wodurch diese mechanisch geschwächt ist, und auch die UmgebungWeld introduces and leads to a loss of material in the weld, causing it is mechanically weakened, and the environment
verunreinigt.contaminated.
In der EP 1 491 279 A1 wird ein Verfahren zum LaserschweißenEP 1 491 279 A1 discloses a method for laser welding
vorgeschlagen, bei dem in der gleichen Schweißzone zur gemeinsamen Erzeugung einer Schweißnaht in unterschiedlichen Tiefen wenigstens zwei Fokusse erzeugt werden. Insbesondere können zwei Fokusse durch einen Zentralstrahl und einen Ringstrahl gebildet werden, die von einer gemeinsamen Quelle oder auch aus unterschiedlichen Lichtquellen kommen können. Durch eine Vergrößerung und eine gewünschte V-Form des aufgeschmolzenen Zone sollen Heißrissneigung und Porenbildung vermindert werden.proposed, in which at least two foci are generated in the same welding zone for the joint production of a weld at different depths. In particular, two foci can be formed by a central beam and a ring beam, which can come from a common source or from different light sources. By an enlargement and a desired V-shape of the molten zone to hot cracking tendency and pore formation are reduced.
Aus der JP 2004 358 521 A ist weiterhin ein Laserschweißverfahren bekannt geworden, bei dem ein Werkstück mit einem Hauptstrahl und mehreren Unter- Strahlen mit unterschiedlichen Konvergenzwinkeln und unterschiedlichen Fokuspositionen bestrahlt wird, so dass eine gleichmäßige Energieverteilung in Tiefenrichtung erhalten wird. Dies soll die Schweißqualität verbessern. Ein ähnliches Verfahren unter Nutzung von Laserquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen ist aus der JP 2006 263 771 A bekannt geworden.From JP 2004 358 521 A a laser welding method has also become known, in which a workpiece is irradiated with a main beam and a plurality of sub-beams with different convergence angles and different focus positions, so that a uniform energy distribution in the depth direction is obtained. This should improve the quality of welding. A similar method using laser sources with different wavelengths has become known from JP 2006 263 771 A.
Die JP 2003 340 582 A schlägt vor, einen Laserstrahl in einen Hauptstrahl mit geringem Durchmesser und hoher Energie sowie einen Nebenstrahl mit größerem Durchmesser und geringerer Energie zu unterteilen und diese unterschiedlich zu fokussieren. Dadurch soll eine Dampfkapillare stabilisiert werden.JP 2003 340 582 A proposes to divide a laser beam into a main beam with a small diameter and high energy and a secondary beam with a larger diameter and lower energy and to focus them differently. This is intended to stabilize a vapor capillary.
In M. Brinkmann et al., Optik & Photonik, April 2009, Nr. 1 , S. 50- 54, wird die grundlegende Funktionsweise von diffraktiven optischen Elementen (DOEs) beschrieben.M. Brinkmann et al., Optics & Photonics, April 2009, No. 1, pp. 50-54, describes the basic operation of diffractive optical elements (DOEs).
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lasertiefschweißverfahren bereitzustellen, mit dem eine reduzierte Heißrissbildung, und bevorzugt auch eine reduzierte Schweißspritzerbildung, ermöglicht wird.The invention has for its object to provide a laser deep welding method, with a reduced hot cracking, and preferably also a reduced spattering, is made possible.
Kurze Beschreibung der ErfindungBrief description of the invention
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass mittels der strahlformenden Optik eine Laserleistung des Laserstrahls so auf die wenigstens zwei Foki verteilt wird, dass in eine untere, oberflächenferne Hälfte der Dampfkapillare mehr Laserleistung eingekoppelt wird als in eine obere, oberflächennahe Hälfte der Dampfkapillare.This object is achieved by a method of the type mentioned, which is characterized in that a laser power of the laser beam is distributed to the at least two foci by means of the beam-shaping optics such that more laser power is coupled into a lower, surface-distant half of the vapor capillary than into an upper half of the vapor capillary close to the surface.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die räumliche Verteilung des Energieeintrags des Laserstrahls in die Dampfkapillare gezielt eingestellt, insbesondere in longitudinaler Richtung (Strahlrichtung). Dazu werden mehrere Foki des Laserstrahls entlang der Strahlachse erzeugt. Über die Position der Foki in der erzeugten Dampfkapillare und auch durch die Energieverteilung auf die Foki kann eingestellt werden, in welchen Bereichen der Dampfkapillare wenig oder viel Laserleistung eingekoppelt werden soll. Erfindungsgemäß wird dabei die Verteilung der Energie so vorgenommen, dass in einer unteren, oberflächenfernen Hälfte der Dampfkapillare mehr Laserleistung eingekoppelt wird als in einer oberen, oberflächennahen Hälfte der Dampfkapillare. DieWithin the scope of the method according to the invention, the spatial distribution of the energy input of the laser beam into the vapor capillary is set in a targeted manner, in particular in the longitudinal direction (beam direction). For this purpose, several foci of the laser beam are generated along the beam axis. By means of the position of the foci in the generated vapor capillary and also by the energy distribution on the foci it is possible to set in which areas of the vapor capillary little or much laser power is to be coupled in. According to the invention, the distribution of the energy is made so that more laser power is coupled into a lower, half-surface half of the vapor capillary than in an upper, near-surface half of the vapor capillary. The
Erfindung schlägt also vor, die longitudinale Position von absorbierter Energie in der Dampfkapillare (Keyhole) in besonderer Weise einzustellen undThe invention thus proposes to adjust the longitudinal position of absorbed energy in the vapor capillary (keyhole) in a special way and
insbesondere ungleichmäßig zu verteilen.especially unevenly distributed.
Im Rahmen der Erfindung kann in und nahe der Schweißzone des Werkstücks eine Temperaturverteilung eingestellt werden, und insbesondere eineIn the context of the invention, a temperature distribution can be set in and near the welding zone of the workpiece, and in particular a
Schmelzbadform eingestellt werden, bei der Temperaturgradienten bei der Abkühlung bzw. Erstarrung des Werkstückmaterials vermindert (homogenisiert) sind. Entsprechend werden thermisch induzierte lokale Dehnungen vermindert, wodurch die Bildung von Heißrissen reduziert ist.Melt bath mold can be adjusted, are reduced in the temperature gradients during the cooling or solidification of the workpiece material (homogenized). Accordingly, thermally induced local strains are reduced, whereby the formation of hot cracks is reduced.
Durch den erhöhten Energieeintrag in der unteren Hälfte der Dampfkapillare kann ausgeglichen werden, dass im unteren Teil des Werkstücks in der Regel mehr festes Werkstückmaterial im Nahbereich der Dampfkapillare zurDue to the increased energy input in the lower half of the vapor capillary can be compensated that in the lower part of the workpiece usually more solid workpiece material in the vicinity of the vapor capillary to
Verfügung steht als im oberen Teil des Werkstücks, wo zumindest das nachlaufende flüssige Schmelzbad an der Rückseite der Dampfkapillare einen erheblichen Raum einnimmt. Die unterschiedlichen Mengen an festem und aufgeschmolzenem Werkstückmaterial im Nahbereich der Dampfkapillare entlang der Strahlrichtung trägt zur Ausbildung von Temperaturgradienten bei, was durch die erfindungsgemäße Leistungsverteilung ausgeglichen oder zumindest abgemindert werden kann.Available as in the upper part of the workpiece, where at least the trailing liquid melt at the back of the vapor capillary a occupies considerable space. The different amounts of solid and molten workpiece material in the vicinity of the vapor capillary along the beam direction contributes to the formation of temperature gradients, which can be compensated or at least mitigated by the power distribution according to the invention.
Durch die erfindungsgemäße Leistungsverteilung kann eine näherungsweise I- förmige Schweißnaht am Werkstück erzeugt werden, insbesondere wobei eine gemittelte Breite der Schweißnaht im unteren Schweißnahtdrittel mindestens 60% der gemittelten Breite der Schweißnaht im oberen Schweißnahtdrittel entspricht. Werkstücke mit einer solchen I-förmigen Schweißnaht haben eine besonders stark verminderte Heißrissbildung gezeigt.As a result of the power distribution according to the invention, an approximately I-shaped weld seam can be produced on the workpiece, in particular wherein an average width of the weld in the lower weld third corresponds to at least 60% of the average width of the weld in the upper weld third. Workpieces with such an I-shaped weld have shown a particularly greatly reduced hot cracking.
Im Rahmen der Erfindung kann ein lokal erhöhter Energieeintrag in dieIn the context of the invention, a locally increased energy input into the
Dampfkapillare in einem oberen Bereich der Dampfkapillare vermieden werden, was dazu beiträgt, die Bildung von Schweißspritzern zu vermindern. Erhöhte Dampfgenerierung aufgrund hoher absorbierter Strahlung an der Kapillarfront, insbesondere an einem oberen Teil, kann zu einer so starken Beschleunigung des Schmelzbades führen, dass sich Teile des Schmelzbades entgegen der Vorschubrichtung des Schweißprozesses bewegen und dabei beiSteam capillaries in an upper region of the vapor capillary are avoided, which helps to reduce the formation of weld spatter. Increased steam generation due to high absorbed radiation at the capillary front, in particular at an upper part, can lead to such an acceleration of the molten bath, that parts of the molten bath move counter to the feed direction of the welding process and thereby
Überschreiten der Oberflächenspannung der Schmelze aus dem Schmelzbad herausgelöst werden, was zur Spritzerbildung führt.Exceeding the surface tension of the melt are dissolved out of the molten bath, resulting in spattering.
Erfindungsgemäß wird mehr als 50%, und bevorzugt mehr als 60%, derjenigen Laserleistung, die insgesamt auf die Dampfkapillare entfällt, in die untere Hälfte der Dampfkapillare eingekoppelt. Man beachte, dass die Laserleistung des Laserstrahls vollständig auf die Dampfkapillare entfallen kann (d.h. in diese eingekoppelt wird), oder auch nur teilweise, so dass weitere Laserleistung für einen oder mehrere Zusatzfoki außerhalb der Dampfkapillare zur Verfügung steht (siehe unten). Im Rahmen der Erfindung werden typischerweise alle Foki, die innerhalb der Dampfkapillare liegen, auf der Strahlachse angeordnet. Es ist aber auch möglich, einen oder mehrere Foki innerhalb der Dampfkapillare neben der Strahlachse anzuordnen; letztere sind bei der Aufteilung der in die Dampfkapillare eingekoppelten Laserleistung bezüglich oberer und unterer Hälfte zu berücksichtigen. Meist werden auf der Strahlachse 2 bis 20 Foki gebildet, und bevorzugt genau zwei Foki auf der Strahlachse.According to the invention, more than 50%, and preferably more than 60%, of the laser power which is attributable in total to the vapor capillary is coupled into the lower half of the vapor capillary. Note that the laser power of the laser beam can be completely accounted for (ie, injected into) the vapor capillary, or even partially, so that more laser power is available for one or more additional foci outside the vapor capillary (see below). Within the scope of the invention, typically all foci which lie within the vapor capillary are arranged on the beam axis. It is but also possible to arrange one or more foci within the vapor capillary next to the jet axis; the latter should be taken into account when dividing the laser power coupled into the vapor capillary with respect to the upper and lower halves. Usually 2 to 20 foci are formed on the beam axis, and preferably exactly two foci on the beam axis.
Alle Foki werden mit einem einzigen Laserstrahl (und dessen einzigerAll foci are shot with a single laser beam (and its only
Laserquelle) erzeugt. Bevorzugt werden die Foki dabei jeweils aus demLaser source) generated. The foci are preferably each from the
Gesamtstrahl erzeugt (etwa mit einem diffraktiven optischen Element);Total beam generated (such as with a diffractive optical element);
alternativ kann auch jeder Fokus aus einem anderen Teil des Querschnitts des Laserstrahls erzeugt werden (etwa mit einer Zonenlinse). Allgemein kann die strahlformende Optik ein refraktives (lichtbrechendes) optisches Element oder ein diffraktives (beugendes) optisches Element oder eine Kombination davon, also ein hybrides optisches Element, umfassen. Der Laserstrahl wirdAlternatively, each focus can be generated from another part of the cross section of the laser beam (such as with a zone lens). In general, the beam-shaping optical system may comprise a refractive (refractive) optical element or a diffractive (diffractive) optical element or a combination thereof, ie a hybrid optical element. The laser beam will
typischerweise mit einem Festkörperlaser, insbesondere mit einer Wellenlänge λ<1 100nm, erzeugt.typically produced with a solid-state laser, in particular with a wavelength λ <1 100 nm.
Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind beispielsweise das Schweißen von Getriebeteilen (etwa Schalträder oder Zwischenwellen) oder lasergeschweißte Stahlkolben. Typischerweise werden Axialrundnähte gefertigt.Applications of the method according to the invention are, for example, the welding of gear parts (such as shift wheels or intermediate shafts) or laser-welded steel pistons. Typically, axial round seams are manufactured.
Bevorzugte Varianten der ErfindungPreferred variants of the invention
Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mittels der strahlformenden Optik eine Laserleistung des Laserstrahls so auf die wenigstens zwei Foki verteilt, dass in ein unteres Drittel der Dampfkapillare wenigstens 30%, bevorzugt wenigstens 50%, derjenigen Laserleistung, die insgesamt auf die Dampfkapillare entfällt, eingekoppelt wird. Dies hat sich als besonders wirksam für die Vermeidung von Heißrisses gezeigt.In a preferred variant of the method according to the invention, a laser power of the laser beam is distributed to the at least two foci by means of the beam-forming optics such that at least 30%, preferably at least 50%, of the laser power which is attributable in total to the vapor capillary, is in a lower third of the vapor capillary. is coupled. This has proven to be particularly effective for the prevention of hot crack.
Bevorzugt ist auch eine Variante, die vorsieht, dass mittels der strahlformenden Optik innerhalb der Dampfkapillare genau zwei Foki des Laserstrahls erzeugt werden, nämlich ein erster, oberer Fokus und ein zweiter, unterer Fokus, und dass auf den zweiten Fokus wenigstens genauso viel Laserleistung entfällt wie auf den ersten Fokus. Diese Variante mit lediglich zwei Foki innerhalb der Dampfkapillare ist besonders einfach, und gestattet in den meisten Fällen eine ausreichende Energieverteilung zur Vermeidung von Heißrissen. Falls nötig, kann die Mitte zwischen den beiden Foki in der unteren Hälfte derAlso preferred is a variant which provides that by means of the jet-forming Optics within the vapor capillary exactly two foci of the laser beam are generated, namely a first, upper focus and a second, lower focus, and that the second focus at least as much laser power is omitted as the first focus. This variant with only two foci within the vapor capillary is particularly simple, and in most cases allows sufficient energy distribution to avoid hot cracks. If necessary, the middle between the two foci in the lower half of
Dampfkapillare liegen. Bei einer bevorzugten Weiterentwicklung dieser Variante entfällt auf den zweiten Fokus mehr Laserleistung als auf den ersten Fokus, insbesondere wobei auf den zweiten Fokus wenigstens 60% derjenigen Laserleistung entfällt, die insgesamt auf den ersten und zweiten Fokus entfällt. Diese Variante lässt besonders viele Freiheiten bei der räumlichen Positionierung der Foki in der Dampfkapillare.Steam capillary lie. In a preferred further development of this variant, more laser power is attributable to the second focus than to the first focus, in particular wherein the second focus accounts for at least 60% of the laser power that is attributable to the first and second focus. This variant allows a lot of freedom in the spatial positioning of the foci in the vapor capillary.
In einer anderen, vorteilhaften Variante werden entlang der Strahlachse drei oder mehr, bevorzugt fünf oder mehr, Foki erzeugt, die innerhalb derIn another advantageous variant, three or more, preferably five or more, foci are generated along the beam axis, which are within the
Dampfkapillare liegen. Durch eine größere Zahl an Foki kann eine genauere Energieverteilung entlang der Tiefenerstreckung der Dampfkapillare eingestellt werden. In dieser Variante ist häufig die Laserleistung auf die Foki gleich verteilt; es ist aber auch möglich, die Laserleistung unterschiedlich auf die Foki zu verteilen.Steam capillary lie. By a larger number of foci a more accurate energy distribution along the depth extension of the vapor capillary can be adjusted. In this variant, the laser power is often distributed equally to the foci; but it is also possible to distribute the laser power differently on the foci.
Eine bevorzugte Weiterentwicklung dieser Variante sieht vor, dass in der unteren Hälfte der Dampfkapillare mehr Foki liegen als in der oberen Hälfte. Dadurch wird die Einstellung einer erfindungsgemäßen Leistungsverteilung besonders einfach.A preferred development of this variant provides that there are more foci in the lower half of the vapor capillary than in the upper half. Thereby, the setting of a power distribution according to the invention is particularly simple.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Weiterentwicklung, bei der in einem unteren Drittel der Dampfkapillare mehr Foki liegen als in einem oberen Drittel, bevorzugt wobei in dem unteren Drittel der Dampfkapillare auch mehr Foki liegen als in einem mittleren Drittel der Dampfkapillare. Dies ist einfach einzurichten, und kann weiterhin eine bezüglich der Spritzerbildung ungünstige hohe lokale Leistungseinbringung im oberen Drittel der Dampfkapillare vermeiden.Also preferred is a further development in which there are more foci in a lower third of the vapor capillary than in an upper third, preferably wherein there are more foci in the lower third of the vapor capillary than in a middle third of the vapor capillary. This is easy to set up and can further avoid an unfavorable high local power input in the upper third of the vapor capillary with respect to spatter formation.
Besonders bevorzugt ist eine Variante, bei der die strahlformende Optik ein diffraktives optisches Element umfasst, insbesondere eine Phasenmaske. Bei einem DOE erfolgt eine Lichtablenkung durch Beugung an einerParticularly preferred is a variant in which the beam-forming optical system comprises a diffractive optical element, in particular a phase mask. In a DOE, light deflection occurs by diffraction at one
mikrostrukturierten Oberfläche. Die Strukturierung wirkt wie ein komplexes optisches Gitter, welches das einfallende Licht winkelabhängig in verschiedene Beugungsordnungen aufspaltet. Je nach Design kann es außerdem an bestimmten Positionen auf der optischen Achse zu konstruktiver oder destruktiver Interferenz kommen. Bei Amplituden-DOEs wird die Amplitude der Laserstrahlung lokal abgeschwächt, etwa durch eine Absorptionsbeschichtung; diese sind sehr einfach und kostengünstig herzustellen, vermindern aber die Laserintensität. Mittels eines Phasen-DOEs („Phasenmaske") wird die optische Weglänge für die Laserstrahlung lokal verändert, etwa mittels einesmicrostructured surface. The structuring acts like a complex optical grating, which splits the incident light into different diffraction orders depending on the angle. Depending on the design, constructive or destructive interference may also occur at certain positions on the optical axis. In amplitude DOEs, the amplitude of the laser radiation is locally attenuated, such as by an absorption coating; These are very simple and inexpensive to manufacture, but reduce the laser intensity. By means of a phase DOE ("phase mask"), the optical path length for the laser radiation is locally changed, for example by means of a
Höhenprofils. Eine typische Phasenmaske umfasst ein in ein (für dieHeight profile. A typical phase mask includes one in (for the
Laserwellenlänge) transparentes Material (etwa Quarzglas) eingebrachtes (etwa eingeätztes) Höhenprofil, das von der Laserstrahlung durchstrahlt wird. Alternativ oder zusätzlich können auch im Material lokale Unterschiede des Brechungsindex vorgesehen sein, durch welche ein Gangunterschied der Phase erreicht werden kann. Phasen-DOEs weisen eine besonders hohe Effizienz auf. Im Allgemeinen können DOEs vergleichsweise flach und leicht gebaut werden. DOEs für die Erfindung können insbesondere lithografisch hergestellt werden. Durch geeignete Strukturierung können im Rahmen der Erfindung mit einem DOE auf einfache Weise mehrere Foki inLaser wavelength) transparent material (such as quartz glass) introduced (approximately etched) height profile, which is irradiated by the laser radiation. Alternatively or additionally, local differences in the refractive index can also be provided in the material, by means of which a path difference of the phase can be achieved. Phase DOEs have a particularly high efficiency. In general, DOEs can be comparatively flat and lightweight. DOEs for the invention can be prepared in particular lithographically. By suitable structuring can be within the scope of the invention with a DOE in a simple way several foci in
unterschiedlichem Abstand zum DOE eingerichtet werden. Mittels eines DOEs ist es zudem möglich, Energie für verschiedene Foki jeweils aus dem gleichen bzw. gesamten Strahlquerschnitt des Laserstrahls zu gewinnen, wodurch etwaige ungleichmäßige Ausleuchtungen innerhalb des Strahlquerschnitts unkritisch sind.different distance to the DOE be established. By means of a DOE, it is also possible to obtain energy for different foci each from the same or entire beam cross section of the laser beam, thereby Any uneven illuminations within the beam cross section are not critical.
Das diffraktive optische Element ist bevorzugt antireflex-beschichtet, um The diffractive optical element is preferably antireflective coated to
Schäden durch rückgeworfenes Laserlicht zu vermeiden.Damage caused by reflected laser light.
Bei einer vorteilhaften Variante umfasst die strahlformende Optik ein refraktives optisches Element, insbesondere eine bifokale Linse oder eine multifokale Linse. Refraktive optische Elemente sind vergleichsweise einfach und kostengünstig herzustellen, insbesondere ist keine so großeIn an advantageous variant, the beam-forming optical system comprises a refractive optical element, in particular a bifocal lens or a multifocal lens. Refractive optical elements are relatively simple and inexpensive to manufacture, in particular, is not so large
Fertigungsgenauigkeit wie für diffraktive optische Elemente nötig. Refraktive optische Elemente beruhen darauf, dass unterschiedliche Teile desManufacturing accuracy as required for diffractive optical elements. Refractive optical elements are based on different parts of the
Laserstrahlquerschnitts mit unterschiedlich zur Strahlachse geneigten Flächen und/oder unterschiedlicher Dicke abgelenkt (und somit in unterschiedliche Richtungen gebrochen) werden.Laser beam cross-section with different planes inclined to the beam axis and / or different thickness deflected (and thus broken in different directions).
In einer bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass der Laserstrahl eine Multi- Mode-Strahlung umfasst, und dass benachbarte Foki einen Abstand AB entlang der Strahlachse aufweisen, mit AB > 2*HB, mit HB: Halbwertsbreite eines Fokus des Laserstrahls in Strahlrichtung ohne die strahlformende Optik. Mit dieser Variante können klar abgegrenzte Foki erhalten werden, um dieIn a preferred variant it is provided that the laser beam comprises a multi-mode radiation, and that adjacent foci have a distance AB along the beam axis, with AB> 2* HB, with HB: half-width of a focus of the laser beam in the beam direction without the beam-forming look. With this variant, clearly delimited foci can be obtained to avoid the
Leistungsverteilung in der Dampfkapillare optimal einzustellen. Mit der Multimode-Strahlung kann eine besonders hohe mittlere optische Leistung bereitgestellt bzw. genutzt werden. Diese Variante wird insbesondere mit DOEs genutzt, deren strahlformende Wirkung auf Interferenzeffekten beruht und damit stark wellenlängenabhängig ist. Jeder Fokus geht mit einem lokalen Intenstitätsmaximum der Laserstrahlung entlang der Strahlachse (z-Richtung) einher. Die Halbwertsbreite bezeichnet den Abstand zwischen den beiden Orten auf der Strahlachse, an denen die Intensität zu beiden Seiten des zu dem Fokus gehörenden Intensitätsmaximums auf die Hälfte der Intensität des Maximums abgefallen ist (FWHM). Bevorzugt ist auch eine Variante, bei der mittels der strahlformenden Optik weiterhin wenigstens ein Zusatzfokus erzeugt wird, der neben der Strahlachse des Laserstrahls außerhalb der Dampfkapillare liegt. Mittels des Zusatzfokus kann die Temperaturverteilung im Werkstück weiter optimiert werden, insbesondere um Temperaturgradienten weiter zu vermindern, und so die Heißrissbildung weiter zu reduzieren. Die Laserleistung des Laserstrahls (bzw. des Lasers) wird zwischen den Foki in der Dampfkapillare und dem oder den Zusatzfoki aufgeteilt. In einer vorteilhaften Weiterbildung hierzu liegt der Zusatzfokus innerhalb eines Schmelzbades, das der Dampfkapillare nachläuft. Dadurch könnenOptimum adjustment of power distribution in the vapor capillary. With the multimode radiation, a particularly high average optical power can be provided or used. This variant is used in particular with DOEs whose beam-forming effect is based on interference effects and thus is strongly wavelength-dependent. Each focus is associated with a local intensity maximum of the laser radiation along the beam axis (z-direction). The half-width indicates the distance between the two locations on the beam axis at which the intensity on both sides of the intensity maximum belonging to the focus has dropped to half the intensity of the maximum (FWHM). Also preferred is a variant in which at least one additional focus is generated by means of the beam-shaping optics, which is located outside of the vapor capillary next to the beam axis of the laser beam. By means of the additional focus, the temperature distribution in the workpiece can be further optimized, in particular in order to further reduce temperature gradients, and thus further reduce hot cracking. The laser power of the laser beam (or of the laser) is split between the foci in the vapor capillary and the additional focal point or foci. In an advantageous development of this, the additional focus lies within a molten bath, which lags behind the vapor capillary. Thereby can
Temperaturgradienten im Bereich der erstarrenden Schmelze besonders effizient reduziert werden. Besonders bevorzugt ist eine Variante, bei der als strahlformende Optik ein einzelnes strahlformendes optisches Element eingesetzt wird, insbesondere wobei das strahlformende optische Element mit einer Einschubkassette in den Strahlengang des Laserstrahl gebracht wird. Ein einzelnes strahlformendes Element ist einfach zu handhaben und insbesondere auch einfachTemperature gradients in the solidifying melt are particularly efficiently reduced. Particularly preferred is a variant in which a single beam-shaping optical element is used as beam-shaping optics, in particular wherein the beam-shaping optical element is brought with a slide-in cassette in the beam path of the laser beam. A single jet-forming element is easy to handle and especially easy
auszutauschen, wenn sich die Bearbeitungsaufgabe an einerexchange if the processing task at a
Laserschweißstation geändert. Mit einer Einschubkassette ist ein besonders schneller Wechsel möglich, wobei mittels der Kassette auch eine einfache und exakte Positionierung des optischen Elements bezüglich des Strahlengangs möglich ist.Laser welding station changed. With a slide-in cassette a particularly fast change is possible, by means of the cassette also a simple and exact positioning of the optical element with respect to the beam path is possible.
Vorteilhaft ist weiterhin eine Variante, bei der die strahlformende Optik im Strahlengang des LaserstrahlsAlso advantageous is a variant in which the beam-shaping optics in the beam path of the laser beam
- zwischen einer Kollimationsoptik und einer Fokussieroptik - Between a collimating optics and a focusing optics
- oder hinter einer Fokussieroptik im Strahlengang des Laserstrahls - or behind a focusing optics in the beam path of the laser beam
angeordnet wird. An diesen Stellen ist eine optimale Ausleuchtung der strahlformenden Optik leicht möglich; zudem kann an diesen Stellen eine strahlformende Optik, die die erfindungsgemäßen wenigstens zwei Foki erzeugt, besonders leicht in bestehenden optischen Strahlengängen bzw.is arranged. Optimal illumination of the beam-shaping optics is easily possible at these points; In addition, at these points one Beam-forming optics, which produces the inventive at least two foci, particularly easy in existing optical beam paths or
Laserschweißvorrichtungen nachgerüstet werden. In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt weiterhin eineLaser welding devices are retrofitted. In the context of the present invention further falls a
Laserschweißvorrichtung, ausgebildet zur Durchführung eines oben Laser welding device, designed to carry a top
dargestellten, erfindungsgemäßen Verfahrens. Mit der Laserschweißvorrichtung können Werkstücke gefertigt werden, bei denen die Heißrissbildung aufgrund der erfindungsgemäßen Leistungsverteilung in der Dampfkapillare beimrepresented, inventive method. With the laser welding device, workpieces can be manufactured in which the hot cracking due to the power distribution in the vapor capillary according to the invention
Laserschweißen reduziert ist, und meist auch eine verminderteLaser welding is reduced, and usually a diminished
Schweißspritzerbildung erreichbar ist. Die Laserschweißvorrichtung umfasst typischerweise eine Laserlichtquelle (etwa das Ende eines Lichtleitkabels, welches anderenends an einen Laser angeschlossen ist), einen Spatter formation is achievable. The laser welding apparatus typically includes a laser light source (such as the end of a light pipe which is connected to a laser at the other end)
Bearbeitungskopf, der die strahlformende Optik, und typischerweise auch eine Kollimationsoptik und/oder eine Fokussieroptik enthält, und meist auch einen Werkstückhalter (etwa eine Auflage oder ein Klemmhalter) für das zuProcessing head containing the beam-shaping optics, and typically also a collimating optics and / or a focusing optics, and usually also a workpiece holder (such as a support or a clamp holder) for the zu
schweißende Werkstück bzw. dessen zu verschweißende Werkstückteile.welding workpiece or its workpiece parts to be welded.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Detaillierte Beschreibung der Erfindung und ZeichnungFurther advantages of the invention will become apparent from the description and the drawings. Likewise, according to the invention, the above-mentioned features and those which are still further developed can each be used individually for themselves or for a plurality of combinations of any kind. The embodiments shown and described are not to be understood as exhaustive enumeration, but rather have exemplary character for the description of the invention. Detailed description of the invention and drawing
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausfüh- 5 rungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention is illustrated in the drawing and is explained in more detail with reference to exemplary embodiments. Show it:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserschweißvorrichtung, zur Durchführung i o des erfindungsgemäßen Laserschweißverfahrens in einer erstenFig. 1 is a schematic view of a first embodiment of a laser welding device according to the invention, for performing i o of the laser welding process according to the invention in a first
Variante, mit einem DOE, das zwei Foki erzeugt; Variant, with a DOE that produces two foci;
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserschweißvorrichtung, zur Durchführung 15 des erfindungsgemäßen Laserschweißverfahrens in einer zweiten2 shows a schematic view of a second embodiment of a laser welding device according to the invention, for the passage 15 of the laser welding method according to the invention in a second
Variante, mit einem refraktiven optischen Element, das fünf Foki erzeugt; Variant, with a refractive optical element that produces five foci;
Fig. 3 eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform einerFig. 3 is a schematic view of a third embodiment of a
20 erfindungsgemäßen Laserschweißvorrichtung, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Laserschweißverfahrens in einer dritten Variante, mit einem DOE, das zwei Foki sowie einen Zusatzfokus im Schmelzbad erzeugt;20 laser welding device according to the invention, for carrying out the laser welding method according to the invention in a third variant, with a DOE that produces two foci and an additional focus in the molten bath;
25 Fig. 4 eine schematische Aufsicht auf eine geätzte, binäre DOE-Struktur, für die Erfindung;Fig. 4 is a schematic plan view of an etched binary DOE structure for the invention;
Fig. 5 eine simulierte Intensitätsverteilung einer5 shows a simulated intensity distribution of a
Laserschweißvorrichtung, hinter dem DOE von Fig. 4; Laser welding apparatus, behind the DOE of Fig. 4;
30 eine simulierte Intentsitätsverteilung der in Fig. 5 verwendeten Laserschweißvorrichtung, ohne das DOE von Fig. 4; eine schematische Darstellung einer Phasenverschiebung einer DOE-Struktur für die Erfindung, welche zwei Foki auf der30 a simulated intensity distribution of the laser welding apparatus used in Fig. 5, without the DOE of Fig. 4; a schematic representation of a phase shift of a DOE structure for the invention, which focuses on two
Strahlachse sowie einen Zusatzfokus erzeugt; eine Röntgenaufnahme von der Seite auf eine Schweißnaht, die mit einem Fokus nach dem Stand der Technik geschweißt wurde, mit Heißrissen; eine Röntgenaufnahme von der Seite auf eine Schweißnaht, die mit zwei Foki mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geschweißt wurde; einen Querschliff einer Schweißnaht, senkrecht zurBeam axis and an additional focus generated; an X-ray photograph of the side on a welded seam, which was welded with a focus according to the prior art, with hot cracks; an X-ray photograph of the side on a weld welded with two foci by the method according to the invention; a transverse section of a weld, perpendicular to
Schweißrichtung, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geschweißt wurde; eine schematische Darstellung der Schweißnaht von Fig. 10; eine Schrägansicht auf die Bearbeitungszone einer Schweißnaht, die mit einem Fokus nach dem Stand der Technik geschweißt wird; eine Schrägansicht auf die Bearbeitungszone einer Schweißnaht, die mit zwei Foki nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geschweißt wird. Die Fig. 1 zeigt in einer schematischen Querschnittsansicht entlang einer Schweißrichtung SR eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserschweißvorrichtung 1 , mit der ein Werkstück 2 (mit jeweils einemWelding direction welded by the method according to the invention; a schematic representation of the weld of FIG. 10; an oblique view of the processing zone of a weld, which is welded to a focus according to the prior art; an oblique view of the processing zone of a weld, which is welded with two foci according to the inventive method. FIG. 1 shows, in a schematic cross-sectional view along a welding direction SR, a first embodiment of a laser welding device 1 according to the invention, with which a workpiece 2 (with a respective one
Werkstückteil oberhalb und unterhalb der Zeichenebene) gemäß demWorkpiece part above and below the drawing plane) according to the
erfindungsgemäßen Verfahren in einer ersten Variante geschweißt wird. Ein Laserstrahl 3 propagiert dabei relativ zum Werkstück 2 in Schweißrichtung SR.inventive method is welded in a first variant. A laser beam 3 propagates relative to the workpiece 2 in the welding direction SR.
Der Laserstrahl 3 tritt am Ende einer Lichtleitfaser (Lichtleitkabel) 4 aus und wird zunächst von einer Kollimationsoptik 5 (hier umfassend eineThe laser beam 3 emerges at the end of an optical fiber (light guide cable) 4 and is first of a Kollimationsoptik 5 (here comprising a
Kollimationslinse) parallelisiert und passiert dann eine strahlformende Optik 6. Die strahlformende Optik 6 ist hier als ein diffraktives optisches Element (DOE) 7 ausgebildet, das aus dem gesamten Querschnitt des Laserstrahls 3 einen Teilstrahl 8 und ebenfalls aus dem gesamten Querschnitt des Laserstrahls 3 einen weiteren Teilstrahl 9 formt. Die Teilstrahlen 8, 9 haben unterschiedliche Öffnungswinkel und werden sodann von einer Fokussieroptik 13 (hier umfassend eine Fokussierlinse) an die beiden Foki 8a, 9a fokussiert. Die Fokussieroptik 13 wird auch als Bearbeitungsoptik bezeichnet. Die Foki 8a, 9a liegen beide auf der Strahlachse 17 des Laserstrahls 3, wenngleich in unterschiedlichen Tiefen im Werkstück 2.The beam-forming optical system 6 is here designed as a diffractive optical element (DOE) 7, which from the entire cross-section of the laser beam 3, a partial beam 8 and also from the entire cross-section of the laser beam 3 another Part beam 9 shapes. The partial beams 8, 9 have different aperture angles and are then focused by a focusing optics 13 (here comprising a focusing lens) to the two foci 8a, 9a. The focusing optics 13 is also referred to as processing optics. The foci 8a, 9a are both on the beam axis 17 of the laser beam 3, albeit at different depths in the workpiece. 2
Die Foki 8a, 9a sind eine Folge von Beugung am DOE 7, also von konstruktiver und destruktiver Interferenz von Anteilen des Laserstrahls 3 ausgehend von der Unterseite des DOE 7. Das DOE 7 umfasst hier ein (nur schematischThe foci 8a, 9a are a consequence of diffraction at the DOE 7, that is, constructive and destructive interference of portions of the laser beam 3 from the bottom of the DOE 7. The DOE 7 includes here (only schematically
dargestelltes) für die Erzeugung der Foki 8a, 9a ausgelegtes Höhenprofil, das in eine Quarzglas-Scheibe eingeätzt ist, und durch das die optische Weglänge in Laserstrahlrichtung (vgl. die Strahlachse 17) durch das DOE 7 als Funktion des Ortes im Strahlquerschnitt eingestellt wird.represented) for the production of Foki 8a, 9a designed height profile, which is etched into a quartz glass disk, and through which the optical path length in the laser beam direction (see the beam axis 17) is set by the DOE 7 as a function of the location in the beam cross-section.
Für eine leichte Auswechselbarkeit ist die strahlformende Optik 6 hier als einzelnes optisches Element ausgebildet und in einer Einschubkassette 21 angeordnet, die in eine entsprechende Führung in einem Bearbeitungskopf 22 der Laserschweißvorrichtung 1 eingeschoben und herausgezogen werden kann. Die eingeschobene Einschubkassette 21 platziert die strahlformende Optik 6 korrekt ausgerichtet im Laserstrahl 3.For ease of interchangeability, the beam-forming optical system 6 is formed here as a single optical element and arranged in a slide-in cassette 21, which in a corresponding guide in a machining head 22nd the laser welding device 1 can be inserted and pulled out. The inserted drawer cassette 21 places the beam-forming optics 6 correctly aligned in the laser beam 3.
Die Foki 8a, 9a liegen in einer Dampfkapillare 14, die vom Laserstrahl 3 bzw. den Teilstrahlen 8, 9 im Werkstück 2 erzeugt wird. Die Dampfkapillare 14 ist von einem Schmelzbad 15 umgeben, dass mit seinem größten Teil derThe foci 8a, 9a are located in a vapor capillary 14, which is generated by the laser beam 3 or the partial beams 8, 9 in the workpiece 2. The vapor capillary 14 is surrounded by a molten bath 15, that with its largest part of the
Dampfkapillare 14 nachläuft. Der obere (erste) Fokus 9a ist hier inSteam capillary 14 lags behind. The upper (first) focus 9a is here in
Laserstrahlrichtung (vgl. die Strahlachse 17) weiter von der derLaser beam direction (see the beam axis 17) further from the
Werkstückoberfläche 16 entfernt als der untere (zweite) Fokus 8a vom unteren Ende 18 der Dampfkapillare 14.Workpiece surface 16 removes as the lower (second) focus 8 a from the lower end 18 of the vapor capillary 14.
Durch die beiden Teilstrahlen 8, 9 mit den Foki 8a, 9a wird erfindungsgemäß in eine untere Hälfte 19 der Dampfkapillare 14 mehr Laserleistung eingekoppelt als in die obere Hälfte 20, beispielsweise wobei ca. 60% der gesamten, in die Dampfkapillare 14 eingekoppelten Laserleistung auf die untere Hälfte 19 entfällt. Man beachte, dass Laserleistung des ersten Teilstrahls 9 bzw. ersten Fokus 9a sowohl zu einem Teil in der oberen Hälfte 20 als auch zu einem Teil in der unteren Hälfte 19 eingekoppelt wird (insbesondere wegen Reflexionen an der Wand der Dampfkapillare 14); entsprechendes gilt für den zweiten Teilstrahl 8 bzw. den zweiten Fokus 8a.By the two partial beams 8, 9 with the foci 8a, 9a 14 more laser power is coupled according to the invention in a lower half 19 of the vapor capillary than in the upper half 20, for example, wherein about 60% of the total, coupled into the vapor capillary 14 laser power on the lower half 19 deleted. Note that laser power of the first sub-beam 9 or first focus 9a is coupled both to a part in the upper half 20 and to a part in the lower half 19 (in particular due to reflections on the wall of the vapor capillary 14); The same applies to the second partial beam 8 and the second focus 8a.
In der gezeigten Variante weiterhin auch auf das untere Drittel 23 derIn the variant shown also on the lower third of the 23
Dampfkapillare14 eine Einkopplung von mehr als der Hälfte der in dieDampfkapillare14 a coupling of more than half of the in the
Dampfkapillare 14 eingekoppelten Laserleistung.Steam capillary 14 coupled laser power.
Durch die erfindungsgemäße Leistungsverteilung in der Dampfkapillare 14 sind Heißrisse im Bereich des Nahtgrundes des abgekühlten Werkstücks 2 reduziert, und Schweißspritzer während des Schweißprozesses reduziert. Die Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserschweißvorrichtung 1 , zur Durchführung des erfindungsgemäßenDue to the power distribution according to the invention in the vapor capillary 14, hot cracks in the region of the seam bottom of the cooled workpiece 2 are reduced, and spatter during the welding process is reduced. FIG. 2 shows a second embodiment of a laser welding device 1 according to the invention for carrying out the invention
Laserschweißverfahrens in einer zweiten Variante. Es werden vor allem die wesentlichen Unterschiede zur Ausführungsform/Variante von Fig. 1 erläutert.Laser welding process in a second variant. Above all, the essential differences from the embodiment / variant of FIG. 1 are explained.
Der aus der Lichtleitfaser 4 austretende Laserstrahl 3 wird hier von einer Kollimationsoptik 5 parallelisiert, und dann von einer strahlformenden Optik 6 auf das Werkstück 2 abgebildet. Die strahlformende Optik 6 ist hier mit einem refraktiven optischen Element in Gestalt einer multifokalen Linse („Zonenlinse") 24 ausgebildet, die an ihrer Unterseite ringförmige Abschnitte mitThe laser beam 3 emerging from the optical fiber 4 is here parallelized by a collimating optical system 5, and then imaged by a beam-forming optical system 6 onto the workpiece 2. The beam-shaping optical system 6 is here formed with a refractive optical element in the form of a multifocal lens ("zonal lens") 24, which has annular sections on its underside
unterschiedlicher Neigung gegen die Strahlachse 17 aufweist; man beachte, dass die ringförmigen Abschnitte weiterhin geringfügig in sich gekrümmt sind (nicht näher dargestellt). Das Laserlicht wird in den radial weiter außen liegenden ringförmigen Abschnitten stärker gebrochen als in den radial weiter innen liegenden Abschnitten; entsprechend werden Teilstrahlen 12, 1 1 , 10, 9, 8 gebildet.having different inclination against the beam axis 17; Note that the annular portions are still slightly curved in themselves (not shown in detail). The laser light is more strongly refracted in the radially outer annular portions than in the radially inner portions; corresponding partial beams 12, 1 1, 10, 9, 8 are formed.
Der radial äußerste ringförmige Abschnitt der multifokalen Linse 24 fokussiert das ihn passierende Laserlicht, das ist der Teilstrahl 12 des Laserstrahls 3, in einen obersten Fokus 12a. Die innere Grenze 12b des Teilstrahls 12 ist hier gepunktet dargestellt, die äußere Grenze des Teilstrahls 12 mit einer durchgezogenen Linie. Die weiteren ringförmigen Abschnitte der multifokalen Linse 24 fokussieren die sie passierenden Teilstrahlen 1 1 , 10, 9, 8, von denen jeweils nur die äußeren Grenzen durchgezogen dargestellt sind, an den Foki 1 1 a, 10a, 9a, 8a. Die strahlformende Optik 6 übernimmt hier also nicht nur eine Aufteilungsfunktion, sondern auch eine Fokussierfunktion. Die Foki 12a, 1 1 a, 10a, 9, 8a liegen alle auf der Strahlachse 17 und innerhalb der Dampfkapillare 14.The radially outermost annular section of the multifocal lens 24 focuses the laser light passing through it, that is the partial beam 12 of the laser beam 3, into an uppermost focus 12a. The inner boundary 12b of the partial beam 12 is shown dotted here, the outer boundary of the partial beam 12 with a solid line. The further annular sections of the multifocal lens 24 focus on them passing partial beams 1 1, 10, 9, 8, of which only the outer limits are shown in solid, at the Foki 1 1 a, 10 a, 9 a, 8 a. The beam-shaping optics 6 thus not only assumes a splitting function, but also a focusing function. The foci 12a, 11a, 10a, 9, 8a are all located on the beam axis 17 and within the vapor capillary 14.
Drei Foki 10a, 9, 8a liegen hier in der unteren Hälfte der Dampfkapillare 14, und zwei der Foki 12a, 1 1 a liegen in der oben Hälfte 20 der Dampfkapillare 14. In der gezeigten Ausführungsform liegen die drei Foki 10a, 9a, 8a auch im unteren Drittel 23 der Dampfkapillare 14. Im mittleren Drittel 25 der Dampfkapillare 14 liegt hier kein Fokus, und in einem oberen Drittel 26 der Dampfkapillare 16 liegen die beiden Foki 12a, 1 1 a. In der gezeigten Ausführungsform entfallen wiederum ca. 60% der in die Dampfkapillare 14 eingestrahlten Laserleistung auf die untere Hälfte 19 der Dampfkapillare 14.Three foci 10a, 9, 8a lie here in the lower half of the vapor capillary 14, and two of the foci 12a, 11a are located in the upper half 20 of the vapor capillary 14. In In the embodiment shown, the three foci 10a, 9a, 8a are also in the lower third 23 of the vapor capillary 14. In the middle third 25 of the vapor capillary 14 is here no focus, and in an upper third 26 of the vapor capillary 16 are the two foci 12a, 1 1 a. In the embodiment shown, in turn, approximately 60% of the laser power irradiated into the vapor capillary 14 accounts for the lower half 19 of the vapor capillary 14.
Die Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßenFig. 3 shows a third embodiment of an inventive
Laserschweißvorrichtung 1 , zur Durchführung des erfindungsgemäßenLaser welding device 1, for carrying out the inventive
Laserschweißverfahrens in einer dritten Variante. Es werden vor allem die wesentlichen Unterschiede zur Ausführungsform/Variante von Fig. 1 erläutert.Laser welding process in a third variant. Above all, the essential differences from the embodiment / variant of FIG. 1 are explained.
In dieser Ausführungsform ist das DOE 7 dazu ausgebildet, aus demIn this embodiment, the DOE 7 is designed to be out of the
Laserstrahl 3 nicht nur zwei Teilstrahlen 8, 9 mit Foki 8a, 9a auf der Strahlachse 17 zu erzeugen, sondern auch einen Teilstrahl 27, der in einem Zusatzfokus 27a fokussiert wird. Dieser Zusatzfokus 27a liegt im nachlaufenden Teil des Schmelzbads 15, also abseits der Strahlachse 17.Laser beam 3 to produce not only two partial beams 8, 9 with Foki 8a, 9a on the beam axis 17, but also a partial beam 27, which is focused in an additional focus 27a. This additional focus 27a lies in the trailing part of the molten bath 15, that is, away from the beam axis 17.
Die Laserleistung verteilt sich hier auf einen ersten Teil, der in dieThe laser power is distributed here on a first part, which in the
Dampfkapillare 14 eingekoppelt wird (vgl. Foki 8a, 9a), und einen zweiten Teil, der direkt in das Schmelzbad 15 eingestrahlt wird (vgl. Zusatzfokus 27a). Der erste Teil der Laserleistung, welcher in die Dampfkapillare 14 eingekoppelt wird, entfällt hier wiederum zu ca. 60% auf die untere Hälfte 19 der Dampfkapillare 14, und zu 40% auf die obere Hälfte 20 der Dampfkapillare 14. Der zweite Teil der Laserleistung, welcher direkt in das Schmelzbad 15 eingestrahlt wird, ändert die Temperaturverteilung im nachlaufenden Schmelzbad 15, wobei erfindungsgemäß Temperaturgradienten im erstarrenden und/oder bereits erstarrten Werkstückmaterial abgemindert werden. Dadurch wird dieSteam capillary 14 is coupled (see Foki 8a, 9a), and a second part which is irradiated directly into the molten bath 15 (see additional focus 27a). The first part of the laser power, which is coupled into the vapor capillary 14, here again accounts for about 60% to the lower half 19 of the vapor capillary 14, and 40% to the upper half 20 of the vapor capillary 14. The second part of the laser power, which is irradiated directly into the molten bath 15, changes the temperature distribution in the trailing molten bath 15, wherein according to the invention temperature gradients are reduced in the solidifying and / or already solidified workpiece material. This will be the
Heißrissbildung weiter verringert. Auch können Konvektionsströme imHot cracking further reduced. Also, convection currents in the
Schmelzbad verringert werden, wodurch die Spritzerbildung reduziert werden kann. Die Fig. 4 zeigt schematisch eine typische geätzte, binäre Struktur eines diffraktiven optischen Elements (DOE), welches mit der Erfindung genutzt werden kann. Helle Bereiche markieren eine erste Höhenstufe, dunkle Bereiche eine zweite Höhenstufe in einem Höhenprofil eines transparenten Materials (etwa Quarzglas), das bei seinem Durchstrahlen (senkrecht zur Zeichenebene) einen lokalen Phasenversatz im Laserstrahl proportional zur lokalen Dicke des Materials verursacht. Mit diesem DOE wird ein Laserstrahl auf zwei Teilstrahlen verteilt, die in an unterschiedlichen Stellen in Strahlausbreitungsrichtung mittels einer gemeinsamen Fokussieroptik (vgl. Fig. 1 , Bzz. 13) fokussiert werden. Das hier im Ausschnitt gezeigte DOE ist beispielsweise als eine 2-Zoll-Maske gefertigt. Zur Wechselwirkung mit dem DOE kann der Laserstrahl aufgeweitet werden, insbesondere auf 20 mm Strahldurchmesser oder mehr. Die Fig. 5 zeigt eine simulierte, räumliche Verteilung der Intensität derMelting bath can be reduced, whereby the spattering can be reduced. FIG. 4 schematically shows a typical etched binary structure of a diffractive optical element (DOE) which can be used with the invention. Bright areas mark a first height level, dark areas a second height level in a height profile of a transparent material (such as quartz glass), which when irradiated (perpendicular to the plane) causes a local phase shift in the laser beam proportional to the local thickness of the material. With this DOE, a laser beam is distributed to two partial beams, which are focused at different points in the direction of beam propagation by means of a common focusing optical system (see Fig. 1, Bzz. For example, the DOE shown here in cut-out is made as a 2-inch mask. For interaction with the DOE, the laser beam can be expanded, in particular to 20 mm beam diameter or more. FIG. 5 shows a simulated, spatial distribution of the intensity of the
Laserstrahlung hinter dem DOE von Fig. 4; nach rechts ist die longitudinale Position z (entspricht der Strahlausbreitungsrichtung) aufgetragen, und nach oben ist die transversale Position x (senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung) aufgetragen. Zunehmende Helligkeit steht für höhere Intensität (in willkürlichen Einheiten). Die Intensitätsverteilung bildet hier zwei Maxima aus, nämlich an longitudinalen Positionen von ca. -1 ,1 mm und +1 ,1 mm, was einem Abstand AB der Maxima von ca. 2,2 mm entspricht.Laser radiation behind the DOE of FIG. 4; the longitudinal position z (corresponding to the beam propagation direction) is plotted to the right, and the transversal position x (perpendicular to the beam propagation direction) is plotted upwards. Increasing brightness stands for higher intensity (in arbitrary units). The intensity distribution here forms two maxima, namely at longitudinal positions of about -1, 1 mm and +1, 1 mm, which corresponds to a distance AB of the maxima of about 2.2 mm.
Die Fig. 6 zeigt zum Vergleich die simulierte, räumliche Intensitätsverteilung im gleichen optischen Aufbau wie in Fig. 5 verwendet, jedoch ohne das DOE von Fig. 4. In diesem Fall bildet sich durch die Fokussieroptik lediglich ein einzelnes Maximum am Koordinatenursprung (bei z=0) aus. Die Intensität fällt (bezüglich z) bei ca. -0,5mm und +0,5mm jeweils auf die Hälfte der Maximalintensität ab. Entsprechend liegt die Halbwertsbreite HB (gemäß Füll Width at Half Maximum, FWHM) bei ca. 1 ,0 mm. Somit gilt hier ca. AB=2,2*HB, was eine gute Trennung der beiden Maxima in der Intensitätsverteilung der Fig. 5 erlaubt, und eine gute Kontrolle über die Temperaturverteilung im Werkstück zur Vermeidung von Heißrissen und zur Reduzierung von Schweißspritzern ergibt.FIG. 6 shows, for comparison, the simulated spatial intensity distribution in the same optical configuration as used in FIG. 5, but without the DOE of FIG. 4. In this case, only a single maximum is formed at the coordinate origin by the focusing optics (at z = 0) off. The intensity drops (with respect to z) at approx. -0.5mm and + 0.5mm to half of the maximum intensity, respectively. Correspondingly, the half-width HB (according to the filling width at half maximum, FWHM) is approx. 1.0 mm. Thus, here about AB = 2.2* HB, which allows a good separation of the two maxima in the intensity distribution of Fig. 5, and gives good control over the temperature distribution in the workpiece to avoid hot cracks and to reduce spatter.
Fig. 7 illustriert die Phasenverteilung an einem DOE, welches mit der Erfindung eingesetzt werden kann, und mit dem zwei Foki auf der Strahlachse sowie ein Zusatzfokus abseits der Strahlachse erzeugt werden kann (vgl. dazu Fig. 3). Nach rechts (x) und oben (y) sind transversale Richtungen (senkrecht zur Strahlachse) aufgetragen; der lokale Grad der Helligkeit entspricht dem lokalen Phasenversatz in rad (hier zwischen ca. -3 rad ganz dunkel, und ca. +3 rad ganz hell, vgl. rechte Skala). Die Phasenversatz wird typischerweise dadurch eingestellt, dass eine entsprechende Dicke eines für die Laserwellenlänge im Wesentlichen transparenten Materials, etwa Quarzglas, durchdrungen wird; das Material wird mit einem entsprechenden Höhenprofil versehen, etwa durch Ätzen.7 illustrates the phase distribution on a DOE which can be used with the invention and with which two foci on the beam axis and an additional focus off the beam axis can be generated (see FIG. 3). To the right (x) and above (y) transversal directions (perpendicular to the beam axis) are plotted; the local degree of brightness corresponds to the local phase shift in rad (very dark between approx. -3 radians and approx. +3 radians, see right-hand scale). The phase offset is typically adjusted by penetrating a corresponding thickness of a material substantially transparent to the laser wavelength, such as quartz glass; The material is provided with a corresponding height profile, such as by etching.
Die Phasenverteilung weist eine kreisförmige Zentralzone sowie mehrere konzentrische, ringförmige weitere Zonen auf („Ringstruktur"). Innerhalb einer Zone gibt es jeweils zueinander parallele, gerade (hier in y-RichtungThe phase distribution has a circular central zone and a plurality of concentric annular further zones ("ring structure"). Within a zone, there are parallel, straight (here in the y direction
verlaufende) und (hier in x-Richtung) aufeinanderfolgende Unterstrukturen, an denen jeweils die Phase zu einer gleichen Seite hin abfällt, in der Kernzone etwa nach rechts (positive x-Richtung) („Gitterstruktur"). Zwischenextending) and (here in the x-direction) successive substructures, at each of which the phase drops towards one side, in the core zone approximately to the right (positive x-direction) ("lattice structure")
benachbarten Zonen wechselt jeweils die Seite, nach der die Phase der Unterstrukturen abfällt; in der innersten ringförmigen Zone fällt die Phase beispielsweise nach links (negative x-Richtung) ab.adjacent zones each change the side after which the phase of the substructures drops; in the innermost annular zone, for example, the phase drops to the left (negative x-direction).
Mit dieser Phasenverteilung bzw. einem entsprechenden Höhenprofil des DOEs werden zwei Foki auf der Strahlachse (bei x, y=0, verlaufend senkrecht zur Zeichenebene) sowie ein Zusatzfokus in x-Richtung neben der Strahlachse liegend erzeugt. Die longitudinale Strahlteilung (Einrichtung zweier Foki entlang der Strahlachse) erfolgt durch die„Ringstruktur", während die transversale Strahlteilung (Einrichtung von Foki auf der Strahlachse einerseits und des des Zusatzfokus abseits der Strahlachse anderrerseits) durch die„Gitterstruktur" erfolgt. In der gezeigten Ausführungsform wird die LaserintensitätWith this phase distribution or a corresponding height profile of the DOE, two foci on the beam axis (at x, y = 0, extending perpendicular to the plane of the drawing) and an additional focus in the x-direction next to the beam axis lying generated. The longitudinal beam splitting (establishment of two foci along the beam axis) takes place through the "ring structure", while the transverse beam splitting (establishment of foci on the beam axis on the one hand and of the additional focus off the beam axis on the other hand) takes place through the "grid structure". In the embodiment shown, the laser intensity becomes
näherungsweise gleich auf den ersten Fokus, den zweiten Fokus und den Zusatzfokus verteilt, wodurch eine gut erkennbare Phasenverteilung in der Fig. 7 erhalten wird. Durch Anpassung der Phasenverteilung (etwa Einstellung der Ringdurchmesser, Ringbreiten, Abstände der Unterstrukturen, usw.) kann die räumliche Verteilung der gebeugten Laserintensität verändert und für eine jeweiligen Laserschweißprozess im Rahmen der Erfindung angepasst bzw. optimiert werden.approximately equally distributed to the first focus, the second focus and the additional focus, whereby a well-recognizable phase distribution is obtained in Fig. 7. By adjusting the phase distribution (such as adjustment of the ring diameter, ring widths, distances of the substructures, etc.), the spatial distribution of the diffracted laser intensity can be changed and adapted or optimized for a respective laser welding process within the scope of the invention.
Die Fig. 8 zeigt eine Röntgendurchstrahlungsanalyse eines Werkstücks im Bereich einer Schweißnaht (Schweißrichtung in Links/Rechts-Richtung), die in einem Vergütungsstahl (Typ 42CrMoS4) mit einem Festkörperlaser, Leistung 1 ,8 kW, cw-Betrieb, Fokuslage -2mm, Vorschubgeschwindigkeit 1 ,0 m/min gefertigt wurde. Dabei wurde der Laserstrahl in herkömmlicher Weise fokussiert (auf einen Fokus). Über die analysierte Nahtlänge sind hier sieben Heißrisse, jeweils mit einer Länge von ca. 2 mm, erkennbar.FIG. 8 shows an X-ray transmission analysis of a workpiece in the region of a weld (welding direction in the left / right direction) in a tempering steel (type 42CrMoS4) with a solid-state laser, power 1, 8 kW, cw-mode, focus position -2 mm, feed rate 1, 0 m / min was made. The laser beam was focused in a conventional manner (on a focus). About the analyzed seam length here seven hot cracks, each with a length of about 2 mm, recognizable.
Die Fig. 9 zeigt eine Röntgendurchstrahlungsanalyse eines Werkstücks im Bereich einer Schweißnaht, die unter gleichen Bedingungen wie bei Fig. 8 angegeben gefertigt wurde, jedoch unter Verwendung eines DOEs zurFIG. 9 shows an X-ray transmission analysis of a workpiece in the region of a weld, which was produced under the same conditions as indicated in FIG. 8, but using a DOE for
Aufspaltung des Laserstrahls auf zwei in Strahlrichtung (hier senkrecht von oben nach unten) beabstandete Foki (vgl. Fig. 4, Fig. 5), mit erfindungsgemäß verteilter Laserleistung, entsprechend einer Einkopplung von mehr als der Hälfte der Laserleistung in die untere Hälfte der Dampfkapillare. Über die analysierte Nahtlänge sind keinerlei Heißrisse erkennbar. Fig. 10 zeigt einen Querschliff (senkrecht zur Schweißrichtung) einer typischen Schweißnaht (hier in Einschweißung), die im Rahmen gemäß desSplitting the laser beam into two focused in the beam direction (here vertically from top to bottom) Foki (see Fig. 4, Fig. 5), with inventively distributed laser power, corresponding to a coupling of more than half of the laser power in the lower half of the vapor capillary , No hot cracks are visible over the analyzed seam length. FIG. 10 shows a transverse section (perpendicular to the welding direction) of a typical weld seam (here in weld-in), which in the frame according to FIG
erfindungsgemäßen Verfahrens gefertigt wurde; die obere Nahtbreite beträgt hier ca. 2mm. Fig. 11 zeigt dazu schematisch entsprechend die Grenzlinie 32 zwischen erstarrtem Werkstückmaterial 30 (innen) und festgebliebeneminventive method was made; the upper seam width is about 2mm. Fig. 11 shows schematically corresponding to the boundary line 32 between solidified workpiece material 30 (inside) and fixed
Werkstückmaterial 31 (außen), entsprechend der maximalen Ausdehnung des Schweißbades während des Schweißprozesses. Die Schweißnaht 29 ist hier näherungsweise I-förmig ausgebildet. Insbesondere gilt für die mittlere Breite MBO im oberen Drittel 33 der Schweißnaht 29 und für die mittlere Breite MBU im unteren Drittel 34 der Schweißnaht ca. MBU=0,7*MBO. Die I-förmige Schweißnaht 29 kann mit einer erfindungsgemäßen Verteilung vonWorkpiece material 31 (outside), corresponding to the maximum expansion of the weld pool during the welding process. The weld 29 is approximately I-shaped here. In particular, for the mean width MBO in the upper third 33 of the weld 29 and for the average width MBU in the lower third 34 of the weld approximately MBU = 0.7* MBO. The I-shaped weld 29 can with a distribution according to the invention of
Laserleistung gut erhalten werden.Laser power are well preserved.
Bei einer I-förmigen Schweißnaht (für die gilt MBU>0,6*MBO, bevorzugt MBU>0,7*MBO) haben sich Heißrisse im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders wirksam vermeiden lassen.In the case of an I-shaped weld (for which MBU> 0.6* MBO, preferably MBU> 0.7* MBO), hot cracks within the scope of the method according to the invention can be avoided particularly effectively.
Man beachte, dass im Rahmen der Erfindung sowohl Einschweißungen als auch Durchschweißungen gefertigt werden können.It should be noted that in the context of the invention, both welds and blow-throughs can be manufactured.
Die Fig. 12 zeigt eine Schrägansicht auf eine Schweißnaht eines Werkstücks beim Laserweißen, Werkstückmaterial Vergütungsstahl (Typ 42CrMoS4), Festkörperlaser, Leistung 1 ,8 kW, cw-Betrieb, Fokuslage -2mm,FIG. 12 shows an oblique view of a weld seam of a workpiece during laser welding, workpiece material tempering steel (type 42CrMoS4), solid-state laser, power 1, 8 kW, cw operation, focus position -2 mm,
Vorschubgeschwindigkeit 1 ,0 m/min. Dabei wurde der Laserstrahl inFeed rate 1, 0 m / min. The laser beam was in
herkömmlicher Weise fokussiert (auf einen Fokus). Auf ca. 63,4% des Bildes sind Schweißspritzer (hell) zu sehen.conventionally focused (on a focus). On about 63.4% of the image spatter (bright) can be seen.
Die Fig. 13 zeigt eine Schrägansicht auf eine Schweißnaht eines Werkstücks beim Laserschweißen, unter gleichen Bedingungen wie bei Fig. 12 angegeben, jedoch unter Verwendung eines DOEs zur Aufspaltung des Laserstrahls auf zwei in Strahlrichtung (hier senkrecht von oben nach unten) beabstandete Foki (vgl. Fig. 4, Fig. 5), mit erfindungsgemäß verteilter Laserleistung, entsprechend einer Einkopplung von mehr als der Hälfte der Laserleistung in die untere Hälfte der Dampfkapillare. Hier sind auf ca. 55,7% des Bildes Schweißspritzer zu sehen. Entsprechend konnte die Schweißspritzerbildung deutlich, hier um ca. 1/8, reduziert werden.FIG. 13 shows an oblique view of a welding seam of a workpiece during laser welding, under the same conditions as indicated in FIG. 12, but using a DOE for splitting the laser beam into two foci spaced apart in the beam direction (in this case vertically from top to bottom) (see Fig. 4, Fig. 5), with inventively distributed laser power, corresponding to a coupling of more than half of the laser power in the lower half of the vapor capillary. Here are on about 55.7% of the image spattering seen. Accordingly, the spattering could be reduced significantly, here by about 1/8.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Laserschweißvorrichtung1 laser welding device
2 Werkstück 2 workpiece
3 Laserstrahl 3 laser beam
4 Lichtleitfaser (Lichtleitkabel) 4 optical fiber (fiber optic cable)
5 Kollimationsoptik 5 collimation optics
6 strahlformende Optik 6 beam-forming optics
7 diffraktives optisches Element (DOE) 7 diffractive optical element (DOE)
8 Teilstrahl 8 partial beam
8a (zweiter) Fokus 8a (second) focus
9 Teilstrahl 9 partial beam
9a (erster) Fokus 9a (first) focus
10-12 Teilstrahlen 10-12 partial beams
10a-12a Foki 10a-12a foci
12b innere Grenze (des Teilstrahls) 12b inner boundary (of the sub-beam)
13 Fokussieroptik (Bearbeitungsoptik) 13 focusing optics (processing optics)
14 Dampfkapillare 14 vapor capillary
15 Schmelzbad 15 molten bath
16 Oberfläche (des Werkstücks) 16 surface (of the workpiece)
17 Strahlachse 17 beam axis
18 unteres Ende (der Dampfkapillare) 18 lower end (the vapor capillary)
19 untere Hälfte (der Dampfkapillare) 19 lower half (the vapor capillary)
20 obere Hälfte (der Dampfkapillare) 20 upper half (the vapor capillary)
21 Einschubkassette 22 Bearbeitungskopf21 slide-in cassette 22 machining head
23 unters Drittel (der Dampfkapillare) 23 under third (the vapor capillary)
24 multifokale Linse 24 multifocal lens
25 mittleres Drittel (der Dampfkapillare) 25 middle third (the vapor capillary)
26 oberes Drittel (der Dampfkapillare) 26 upper third (the vapor capillary)
27 Teilstrahl 27 partial beam
27a Zusatzfokus 27a additional focus
29 Schweißnaht 29 weld
30 erstarrtes Material 30 solidified material
31 festgebliebenes Material 31 remaining material
32 Grenzlinie 32 borderline
33 oberes Drittel (der Schweißnaht) 33 upper third (the weld)
34 unteres Drittel (der Schweißnaht) 34 lower third (the weld)
AB Abstand (der Foki in Strahlrichtung) AB distance (of the foci in beam direction)
HB Halbwertsbreite HB half-width
MBO Mittlere Breite des oberen Drittels der Schweißnaht MBO Average width of the upper third of the weld
MBU Mittlere Breite des unteren Drittels der SchweißnahtMBU Average width of the lower third of the weld
SR SchweißrichtungSR welding direction
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| Date | Code | Title | Description |
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| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application | Ref document number:18728549 Country of ref document:EP Kind code of ref document:A1 | |
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase | Ref document number:18728549 Country of ref document:EP Kind code of ref document:A1 |