WO2008095738A2 - Verfahren und vorrichtung zum laserschweissen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum laserschweissen Download PDF

Info

Publication number
WO2008095738A2
WO2008095738A2 PCT/EP2008/050056 EP2008050056W WO2008095738A2 WO 2008095738 A2 WO2008095738 A2 WO 2008095738A2 EP 2008050056 W EP2008050056 W EP 2008050056W WO 2008095738 A2 WO2008095738 A2 WO 2008095738A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
processing area
area
focus
laser radiation
intensity distribution
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/050056
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2008095738A3 (de
Inventor
Reiner Ramsayer
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to JP2009548633A priority Critical patent/JP5334866B2/ja
Priority to EP08707826A priority patent/EP2117762A2/de
Priority to US12/526,629 priority patent/US20100072178A1/en
Publication of WO2008095738A2 publication Critical patent/WO2008095738A2/de
Publication of WO2008095738A3 publication Critical patent/WO2008095738A3/de

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/073—Shaping the laser spot
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for joining materials by means of laser radiation.
  • the materials to be joined usually metals, are irradiated with a focused laser beam and are thus heated and melted.
  • An essential quality feature of deep welding is the stability of the forming keyholes. It has a significant influence on the process reproducibility, the
  • a method for welding by means of laser radiation is described, with at least one laser beam, in which the intensity of the laser radiation is adjusted by beam shaping in and on the surface of workpieces so that a small area with a high intensity in Workpiece, there to form a vapor capillary and another larger adjacent area with a smaller is irradiated on the workpiece surface in such a way that a cup-shaped opening of the vapor capillary is formed on the workpiece surface and the cooling rate of the melt is reduced, the position and / or orientation of the axes of at least two laser beams or partial beams to the workpiece surface during the implementation of Welding process can be varied depending on temperature.
  • the document further describes an apparatus for carrying out the method in which a laser beam of a laser beam source is directed onto a beam splitter and two sub-beams are directed onto two beam shaping units and a strongly focused partial beam is directed onto the workpiece by means of a beam shaping unit, which superimposes on the second defocused component beam is, at least one temperature sensor the
  • Measures the temperature distribution on the workpiece and the / the temperature sensor (s) are connected to a control of the laser beam sources and / or the beam forming control, which during the implementation of the welding process, the position and / or orientation of the axes of the partial beams to the material surface as a function of the temperature distribution changed.
  • a disadvantage of this method or in this device is that consuming and thus expensive optical components are necessary to adapt the intensity distribution to the welding task, in particular if the intensity distribution during the welding process depending on the measured temperature distribution in the welding point to be varied.
  • the intensity distribution is limited to patterns that can be achieved by two overlapping focus surfaces of circular or oval cross-section.
  • the object of the invention relating to the method is achieved in that the laser radiation is focused onto a small focal area which is small compared to a processing area and that a predefinable intensity distribution over the processing area is achieved by moving the focus area over the processing area.
  • the method makes it possible to set an approximately arbitrary average intensity distribution within the processing area solely by specifying the movement of the focus area.
  • the movement and thus the intensity distribution can be changed at any time by appropriately controllable optical components which deflect the laser beam, without it being necessary to provide a change of optical components.
  • a device operated according to the method can be adapted very quickly to changing welding tasks.
  • the contour of the processing area can also be freely specified within the resolution predetermined by the size of the focus area and the heat conduction of the joining partners.
  • the predefinable intensity distribution over the processing area by different dwell times of the focus area on parts of the processing area and / or by different intensities of the laser radiation depending on the position of the focus area within the processing area and / or a different frequency with which the focus area is guided over parts of the processing area is generated. All variants as well as combinations of the variants make it possible to vary the mean energy introduced per part of the processing area.
  • the focus area over areas of high required intensity can be performed correspondingly more often or slower than areas of low intensity required or the intensity of the laser radiation can be set correspondingly high depending on the position of the focus area in areas of high intensity required and correspondingly low in areas of low intensity required , Is it provided that processing areas in a size range of 150 .mu.m to 600 .mu.m are produced by focus areas of 10 .mu.m to 100 .mu.m, preferably from 10 .mu.m to 20 .mu.m, and / or that processing areas which are larger by a factor of at least eight than the focus area are produced, Thus, within the laser welding of conventional processing areas, intensity distributions can be achieved with sufficient quality
  • Different intensity distributions within the processing area can be achieved by moving the focus area over the processing area along freely definable paths and / or in grid form.
  • the desired intensity distribution can be set with a constant intensity of the laser radiation and path velocity of the focus surface by appropriate selection of the movement path, while with a raster motion of the focus surface the intensity of the laser radiation or the speed of movement of the focus surface must be varied ,
  • An extended weld between the joining partners is achieved by moving the processing area along a joint line.
  • a freely selectable and fast movement of the focus area within the processing area can be achieved by causing the movement of the focus area through scanner mirrors arranged in a beam path of the laser radiation and / or moving wedge plates and / or moving roof mirrors and / or moving lenses.
  • the movement of the focus area over the processing area takes place so rapidly that an intensity distribution approximately stationary for the process is achieved via the processing area.
  • the temperature stability within a point of the processing area is determined by the frequency with which the focus area per unit time is passed over the point and the heat conduction from or to the point.
  • the intensity distribution in the laser beam can also be adjusted Depth of the workpieces to be joined are set. For example, in the case of partial welding, three-dimensional intensity distributions can be realized in a targeted manner.
  • the laser radiation is focused on the surface of a forming Keyholes. This way you can work with optimal focus position at every workstation.
  • a high intensity of the laser radiation is set in a front section of the processing area in the direction of movement of the processing area
  • the formation of a suitable keyholes is of particular importance.
  • the intensity distribution is set in such a way that a geometry of a forming keyhole optimized for the welding task is formed.
  • both the intensity distribution in the plane of the processing area and in the depth can be specified accordingly.
  • a crescent-shaped region of high intensity can be generated within the processing area, wherein the apex of the convex curvature of the crescent-shaped area in the welding direction, ie in the direction of movement of the processing area shows.
  • the intensity distribution over the processing area is set in such a way that a high intensity is applied to one joint partner and a lower one to a second joint partner.
  • intensity of the laser radiation acts. So it may be useful when connecting dissimilar materials only one of the two joining partners only melt, whereas the second joining partners must be melted and partially evaporated. It is thus possible to combine materials with widely differing melting and evaporation temperatures, which is difficult to achieve with a homogeneous intensity distribution. This results in new possibilities when connecting such previously critically weldable material pairings.
  • the intensity distribution over the processing area is set in such a way that a melt bath mixing is set in a targeted manner. This can also mean that the Schmelzbad mitmischung is at least largely prevented.
  • a melt bath mixing is set in a targeted manner.
  • the mixing of the melt pool is strongly influenced by the intensity distribution and the resulting induced flow in the melt pool.
  • the additional material is distributed homogeneously in the microstructure or is specifically enriched in certain regions in the weld pool in order to produce certain properties in the microstructure there.
  • the welding process can be stabilized significantly and the seam shape can be designed according to the requirements.
  • the intensity distribution in the context of a control loop is set on the basis of measured conditions in the processing area, then the welding parameters can be varied and adjusted directly during the welding process.
  • disturbances can be detected and compensated by adjusting the intensity and intensity distribution.
  • a melt bath flow and / or gap widths between joining partners are taken into account as conditions in the processing area.
  • the melt bath flow can be detected and always adjusted optimally with a corresponding control circuit on the intensity distribution over the processing area to achieve processes with high reproducibility and quality.
  • a gap between two joining parts be recognized in the butt joint and the intensity distribution are designed such that the two joining partners are exposed to a higher beam intensity than the gap.
  • the laser beam thus does not break through, as can occur in conventional laser welding with a fixed intensity distribution, the gap can close.
  • the gap bridgeability increases.
  • the processing area can always be optimally adjusted to the position of the joining partners, even with inaccurate edge quality of the abutting edges.
  • the object of the invention relating to the device is achieved in that by means of movable optical components a small compared to a processing area
  • Focusing surface of the laser radiation over the processing area is movable and that a disk laser or a fiber laser is provided as the radiation source.
  • scanner mirrors used as movable optical components allow a fast and freely programmable path movement. Due to their very high beam quality, disk lasers and fiber lasers make it possible to form very small focus surfaces, as required for carrying out the described method. For example, focus areas of a few ⁇ m in diameter can be achieved with a fiber laser.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a first laser welding arrangement according to the prior art
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a second laser welding arrangement according to the prior art
  • FIG. 3 is a schematic representation of a processing area with a homogeneous intensity distribution
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a processing area with an inhomogeneous intensity distribution
  • FIG. 5 a schematic representation of a further processing area with an inhomogeneous intensity distribution
  • FIG. 6 is a schematic representation of a further processing area with an inhomogeneous intensity distribution
  • Figure 7 shows a schematic representation of another processing area with an inhomogeneous intensity distribution.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first laser welding arrangement 10 according to the prior art.
  • a first laser beam 11.1 is used to supply a first laser beam 12.1 and a second optical fiber 12.2 to a second common lens 13.1 and then to a second common lens 13.2 and to the surface of a first joining partner 15.1 and a second joining partner 15.2 in the area of one Feint line 16 focused.
  • the laser beams 12.1, 12.2 each form on the surface of the joining partners 15.1, 15.2 a focal point 14.1, 14.2 which is extended in the area.
  • the joining partners 15.1, 15.2 are heated and melted in the region of the joint line 16, so that a connection of the joint partners 15.1, 15.2 takes place.
  • the focus points 14.1, 14.2 Due to the planar extent of the focus points 14.1, 14.2, these can be at least partially superimposed. In the overlay area, there is then a high beam intensity in comparison to a non-overlapping area.
  • a desired intensity distribution can be specified within an irradiated processing area. In this case, the intensity distribution can be varied by the position and the ratio of the superimposed to the non-superimposed regions, by different beam intensities between the first and the second laser beam 12.1, 12.2 and / or by differently sized focus points 14.1, 14.2.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a second laser welding arrangement 20 according to the prior art.
  • the same components as introduced in Figure 1 are designated.
  • the beam paths of the first laser beam 12. 1 and of the second laser beam 12. 2 are guided separately.
  • the geometry of the focal points 14.1, 14.2 can be varied from approximately circular to oval by the inclination of the beam axes of the laser beams 12.1, 12.2, which provides additional possibilities for the adjustable intensity distributions.
  • the advantage of the laser welding arrangements 10, 20 shown in FIG. 1 and FIG. 2 with two focus points 14. 1, 14. 2 is that welding processes can be carried out in a clearly reproducible manner within the processing area due to the adjustable intensity distributions.
  • the shape of a forming keyhole can be optimized during deep welding.
  • the disadvantage of the illustrated laser welding arrangements 10, 20 is that the intensity distributions are system-dependent in a fixed working plane, the focal plane, which can not be changed during the process. On the other hand, the distribution of the intensity, even with the use of special optics, during the process or only limited modifiable.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a processing area 30 with a homogeneous intensity distribution 40, as can be generated according to the invention.
  • the intensity distribution 40 is indicated by the density of the points shown, wherein a high point density corresponds to a high intensity.
  • a significantly smaller focus area 31 of a laser radiation, not shown, than the processing area 30 is shown, which is moved along a predetermined path movement 32 within the processing area 30.
  • the size of the processing area 30 corresponds approximately to the superimposed focus points 14.1, 14.2 generated in known laser welding arrangements 10, 20 and lies typically of the order of 150 ⁇ m to 600 ⁇ m.
  • the compared very small focus area 31 in the order of, for example, 15 microns beam sources with high beam quality are required.
  • fiber lasers or disk lasers can be used.
  • focus areas 31 in the range of a few ⁇ m can be achieved with a fiber laser.
  • any desired geometries of the processing area 30, even deviations from round or oval areas, can be achieved, for example with rectangular, triangular or linear base areas. Due to the speed of movement of the focus area 31 or the dwell time of the focus area 31 over a part of the processing area 30, the average intensity can be scaled over the area traveled over. This makes it possible to adapt the power distribution in the processing area 30 to the processing task. By means of suitable control algorithms, it is still possible to continuously optimally guide and adapt the intensity distribution 40 during the welding process.
  • the web movement 32 can be effected by introduced into the beam path of the laser radiation scanner mirror, known as galvo scanners, which allow a freely programmable path movement 32 at high speed.
  • optics based on moving wedge plates, known as trepanning optics in the field of laser drilling, or other moving optical elements such as roof mirrors, mirrors or special lenses for beam guidance and deflection can be used.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a processing area 30 with an inhomogeneous intensity distribution 40, in which a focus area 31 is moved along a freely selectable path movement 32.
  • the path movement 31 is selected such that a region of high average intensity 41 and a region of comparatively low average intensity 42 form within the processing region 30.
  • the intensity distribution 40 is again indicated by the density of the points shown.
  • the intensity distribution 40 can be freely specified according to the joining task. It is possible to change the distribution of the intensity over the processing area 40 during processing online. An adaptation of the processing area 40 and the intensity distribution 40 over the processing area 40 is possible at any time during the welding process.
  • the conditions in the processing area 40 for example the temperature distribution or the flow in the weld pool or the gap position or the edge quality of the joining partners 15.1, 15.2, can be detected with suitable sensors and the intensity distribution on the basis of these measurements 40 can always be optimally adapted to the boundary conditions of the process, which contributes to a stabilization of the welding process.
  • the control process compensates for disturbances. If, for example, a gap between two joining partners 15.1, 15.2 opens in the butt joint, the intensity distribution 40 can be designed such that the two joining partners 15.1, 15.2 are irradiated to a greater extent than the gap. The resulting melt can thus close the gap, without the laser radiation breaks through, as may occur in known laser welding assemblies 10, 20.
  • An advantage of the method is that a wide variety of intensity distributions 40 can be realized with an optical structure, whereby considerable costs can be saved compared to known systems if different processes are to be carried out with one system and the parameters have to be varied accordingly, respectively to achieve optimal results.
  • the intensity distribution 40 within the plane of the processing area 30 can be adjusted, but also the intensity distribution 40 in the propagation direction of the laser radiation, that is, in the depth of the joining partners 15.1, 15.2.
  • This can be achieved, for example, by shifting the focal position with a focusing lens, which is tracked by means of a corresponding drive, in the propagation direction of the laser radiation. It can be used as a drive, for example, a piezo actuator.
  • the arrangement makes it possible to set a three-dimensional intensity distribution 40 in a targeted manner. It is thus possible, for example, to guide the focus surface 31 over the surface of a keyhole that is being formed, so that it is possible to work with optimum focus position and corresponding intensity distribution 40 at each processing point. Due to the possibility of moving the focal position in the propagation direction of the laser radiation, the diameter of the focus area 31 and thus the irradiance within the focus area 31 can furthermore be varied in order to ensure optimum conditions for the process to ensure us.
  • FIG. 5 shows, in a schematic representation, a further processing area 30 with an inhomogeneous intensity distribution 40, as indicated in turn by the density of the points shown.
  • the processing area 30 is moved in accordance with a direction of movement 18 along a joint line 16 between two joining partners 15.1, 15.2, so that a weld seam 17 is formed.
  • the intensity distribution 40 is predetermined such that a range of high average intensity 41 in the movement direction 18 in the front of the processing area 30 and an area in the direction of movement 18 at the rear, ie in the wake, and at the weld edges low average intensity 42 is formed.
  • Such an intensity distribution 40 may be useful, for example, in cw seam welding, in order to introduce more energy at the welding front. With this measure, slim and deep seams can be produced.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a further processing area 30 with an inhomogeneous intensity distribution 40.
  • the description and the designation of the illustrated components correspond to those in FIG. 5.
  • a region of high average intensity 41 is formed on a joining partner 15 on the other joint partner 15.2, a region of low average intensity 42.
  • This intensity distribution 40 makes it possible, for example, to connect dissimilar materials.
  • the material of the first joining partner 15.1 shown on the left requires a high average intensity 41 for melting, whereas the material of the second joining partner 15.2 shown on the right may only be exposed to a lower average intensity 42.
  • the process makes it possible to combine non-dissimilar materials with very different properties, such as melting temperature or the like. Due to the targeted possible energy input, it is still possible to connect crack-sensitive materials. The process makes reproducible welding of such material pairings possible in the first place.
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a further processing area 30 with an inhomogeneous intensity distribution 40, the processing area 30 deviating from a circular shape.
  • a region of high average intensity 41 is set in the form of a sickle in the direction of movement 18 in the front in the processing region 30, while a region of low average intensity 42 is provided in the rear region of the processing region 30.
  • the intensity distribution 40 forms a keyhole 43 with an opening deviating from a circular geometry. Due to the inhomogeneous specification of the intensity distribution 40, the geometry of a forming keyhole 43 can thus be determined and thus optimized with respect to the welding task. In addition to the illustrated intensity distribution 40, any further intensity distributions are conceivable.
  • the adapted intensity distribution 40 can influence the flow direction and the flow velocity in the molten bath as well as the shape of the forming keyhole 43 during deep welding. This allows the process to stabilize significantly and shape the seam shape according to the requirements. This can be further optimized by the already described possibility of setting the focal plane along the beam axis of the laser radiation.
  • Flows in the molten bath is affected.
  • the intensity distribution 40 By adapting the intensity distribution 40, the process can also be further optimized here.
  • the additional material is distributed homogeneously in the microstructure or is specifically enriched in certain regions in the weld pool in order to cause certain properties in the microstructure there.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Werkstoffen mittels Laserstrahlung. Dabei ist es vorgesehen, dass die Laserstrahlungauf eine im Vergleich zu einem Bearbeitungsgebiet (30) kleine Fokusfläche (31) fokussiert wird und dass eine vorgebbare Intensitätsverteilung über dem Bearbeitungsgebiet über eine Bewegung der Fokusfläche über das Bearbeitungsgebiet erreicht wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Fügen von Werkstoffen mittels Laserstrahlung, wobeimittels beweglicher optischer Bauelemente eine im Vergleich zu einem Bearbeitungsgebiet kleine Fokusfläche der Laserstrahlung über das Bearbeitungsgebiet bewegbar ist und wobeials Strahlungsquelle ein Scheibenlaser oder ein Faserlaser vorgesehen ist. Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen es, über einem Bearbeitungsgebiet eine nahezu beliebige Intensitätsverteilung einzustellen und so einen an die Fügeaufgabe angepassten, reproduzierbaren Schweißprozess zu erreichen.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren und Vorrichtung zum Laserschweißen
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fügen von Werkstoffen mittels Laserstrahlung.
Beim Laserschweißen werden heute mit einem fokussierten Laserstrahl der oder die zu fügenden Werkstoffe, zumeist Metalle, bestrahlt und dadurch erwärmt und aufgeschmolzen.
Durch eine hohe Intensität der Bestrahlung kann erreicht werden, dass eine zumindest teilweise Verdampfung des Werkstoffes auftritt. Dadurch bildet sich eine Dampfkapillare, das so genannte Keyhole, aus. Das Verfahren ist als Keyhole- oder als Tiefschweißen bekannt.
Ein wesentliches Qualitätsmerkmal beim Tiefschweißen ist die Stabilität des sich bilden- den Keyholes. Sie hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Prozessreproduzierbarkeit, die
Schmelzbadausbildung und auf die Verteilung der Legierungselemente im Schweißbad beim Verbinden verschiedenartiger Werkstoffe oder beim Schweißen mit Zusatzwerkstoffen.
In der Schrift DE 197 51 195 Cl ist ein Verfahren zum Schweißen mittels Laserstrahlung beschrieben, mit mindestens einem Laserstrahl, bei dem die Intensität der Laserstrahlung durch Strahlformung in und auf der Oberfläche von Werkstücken so eingestellt wird, dass ein kleiner Bereich mit einer großen Intensität im Werkstück, dort zur Ausbildung einer Dampfkapillare und ein weiterer größerer angrenzender Bereich mit einer kleineren Inten- sität auf der Werkstückoberfläche in der Weise bestrahlt wird, dass eine kelchförmig Öffnung der Dampfkapillare an der Werkstückoberfläche ausgebildet und die Abkühlgeschwindigkeit der Schmelze verringert wird, wobei die Lage und/oder Ausrichtung der Achsen mindestens zweier Laserstrahlen oder Teilstrahlen zur Werkstückoberfläche wäh- rend der Durchführung des Schweißverfahrens temperaturabhängig zueinander variiert werden. In der Schrift ist weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens beschrieben, bei der ein Laserstrahl einer Laserstrahlquelle auf einen Strahlteiler und zwei Teilstrahlen auf zwei Strahlformungseinheiten gerichtet sind und mittels einer Strahlformungseinheit ein stark fokussierter Teilstrahl auf das Werkstück gerichtet ist, der vom zweiten defokussierten Teilstrahl überlagert ist, mindestens ein Temperatursensor die
Temperaturverteilung auf dem Werkstück misst und der/die Temperatursensoren mit einer die Laserstrahlquellen und/oder die Strahlformungseinheiten regelnden Steuerung verbunden is1/sind, die während der Durchführung des Schweißverfahrens die Lage und/oder die Ausrichtung der Achsen der Teilstrahlen zur Werkstoffoberfläche in Abhängigkeit von der Temperaturverteilung verändert.
Nachteilig bei diesem Verfahren beziehungsweise bei dieser Vorrichtung ist, dass zur Anpassung der Intensitätsverteilung an die Schweißaufgabe aufwändige und somit teure optische Bauelemente notwendig sind, insbesondere, wenn die Intensitätsverteilung wäh- rend des Schweißprozesses in Abhängigkeit von der gemessenen Temperaturverteilung im Schweißpunkt variiert werden soll. Dabei ist die Intensitätsverteilung auf Muster beschränkt, die sich durch zwei überlagernde Fokusflächen von kreisförmigem oder ovalem Querschnitt erzielen lassen.
Ein weiterer Nachteil des Verfahrens ist, dass die Fokusebene in einer fest vorgegebenen
Arbeitsebene liegt, die sich während des Schweißvorgangs nicht verändern lässt. Eine Anpassung der Intensitätsverteilung an die Fügeaufgabe senkrecht zur Fokusebene ist dadurch nicht möglich.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine an die
Schweißaufgabe angepasste Einstellung einer Intensitätsverteilung in einem Bearbeitungsgebiet ermöglicht. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Vorrichtung bereitzustellen. Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Laserstrahlung auf eine im Vergleich zu einem Bearbeitungsgebiet kleine Fokusfläche fo- kussiert wird und dass eine vorgebbare Intensitätsverteilung über dem Bearbeitungsgebiet über eine Bewegung der Fokusfläche über das Bearbeitungsgebiet erreicht wird. Das Verfahren ermöglicht es, dass innerhalb des Bearbeitungsgebietes alleine durch die Vorgabe der Bewegung der Fokusfläche eine annähernd beliebig wählbare mittlere Intensitätsverteilung einstellbar ist. Die Bewegung und damit die Intensitätsverteilung kann durch entsprechend ansteuerbare, den Laserstrahl ablenkende optische Bauelemente jederzeit verändert werden, ohne dass ein Wechsel von optischen Bauelementen vorgesehen wer- den muss. Eine entsprechend dem Verfahren betriebene Vorrichtung kann demnach sehr schnell an wechselnde Schweißaufgaben angepasst werden. Neben der Intensitätsverteilung innerhalb des Bearbeitungsgebietes kann auch die Kontur des Bearbeitungsgebietes innerhalb der durch die Größe der Fokusfläche und die Wärmeleitung der Fügepartner vorgegebenen Auflösung frei vorgegeben werden.
Gemäß bevorzugter Ausführungsvarianten der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die vorgebbare Intensitätsverteilung über dem Bearbeitungsgebiet durch unterschiedliche Verweildauern der Fokusfläche auf Teilen des Bearbeitungsgebiets und/oder durch unterschiedliche Intensitäten der Laserstrahlung in Abhängigkeit von der Position der Fokusflä- che innerhalb des Bearbeitungsgebiets und/oder durch eine unterschiedliche Häufigkeit, mit der die Fokusfläche über Teile des Bearbeitungsgebietes geführt wird, erzeugt wird. Alle Varianten sowie Kombinationen der Varianten ermöglichen es, dass die mittlere eingebrachte Energie je Teil des Bearbeitungsgebietes variiert werden kann. So kann die Fokusfläche über Bereiche hoher benötigter Intensität entsprechend öfter oder langsamer geführt werden als über Bereiche niedriger benötigter Intensität oder die Intensität der Laserstrahlung kann in Abhängigkeit der Position der Fokusfläche in Bereichen hoher benötigter Intensität entsprechend hoch und in Bereichen niedriger benötigter Intensität entsprechend niedrig eingestellt werden. Ist es vorgesehen, dass Bearbeitungsgebiete in einem Größenbereich von 150μm bis 600μm durch Fokusflächen von lOμm bis lOOμm, vorzugsweise von lOμm bis 20μm, erzeugt werden und/oder dass Bearbeitungsgebiete, die um einen Faktor von mindestens acht größer sind als die Fokusfläche, erzeugt werden, so können innerhalb heute beim Laserschweißen üblicher Bearbeitungsgebiete Intensitätsverteilungen mit ausreichender
Auflösung erreicht werden.
Unterschiedliche Intensitätsverteilungen innerhalb des Bearbeitungsgebietes können dadurch erreicht werden, dass die Bewegung der Fokusfläche über das Bearbeitungsgebiet entlang frei vorgebbarer Bahnen und/oder rasterförmig erfolgt. Bei frei vorgebbaren Bahnen kann die gewünschte Intensitätsverteilung bei gleich bleibender Intensität der Laserstrahlung und Bahngeschwindigkeit der Fokusfläche durch entsprechende Wahl der Bewegungsbahn eingestellt werden, während bei einer rasterfömigen Bewegung der Fokusfläche die Intensität der Laserstrahlung oder die Geschwindigkeit der Bewegung der Fo- kusf lache variiert werden muss.
Eine ausgedehnte Schweißnaht zwischen den Fügepartnern wird dadurch erreicht, dass das Bearbeitungsgebiet entlang einer Fügelinie bewegt wird.
Eine frei wählbare und schnelle Bewegung der Fokusfläche innerhalb des Bearbeitungsgebietes kann dadurch erreicht werden, dass die Bewegung der Fokusfläche durch in einem Strahlengang der Laserstrahlung angeordnete Scannerspiegel und/oder bewegte Keilplatten und/oder bewegte Dachspiegel und/oder bewegte Linsen bewirkt wird.
Um den Schweißprozess reproduzierbar führen zu können kann es vorgesehen sein, dass die Bewegung der Fokusfläche über das Bearbeitungsgebiet so schnell erfolgt, dass eine für den Prozess annähernd stationäre Intensitätsverteilung über das Bearbeitungsgebiet erreicht wird. Die Temperaturstabilität innerhalb eines Punktes des Bearbeitungsgebietes stellt sich dabei aus der Häufigkeit, mit der die Fokusfläche je Zeiteinheit über den Punkt geführt wird, und der Wärmeleitung aus beziehungsweise zu dem Punkt ein.
Ist es vorgesehen, dass der Fokus der Laserstrahlung entlang der Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung verstellt werden kann, so kann auch die Intensitätsverteilung in die Tiefe der zu verbindenden Werkstücke eingestellt werden. Es lassen sich so beispielsweise beim Teifschweißen dreidimensionale Intensitätsverteilungen gezielt realisieren.
Dabei kann es insbesondere vorteilhaft sein, wenn die Laserstrahlung auf die Oberfläche eines sich bildenden Keyholes fokussiert wird. So kann an jeder Bearbeitungsstelle mit optimaler Fokuslage gearbeitet werden.
Die Möglichkeit zur Variation der Fokuslage in Strahlrichtung ermöglicht es weiterhin, dass die Größe der Fokusfläche eingestellt werden kann. Dadurch ergibt sich eine weitere Möglichkeit, die Intensitätsverteilung auf der Werkstückoberfläche innerhalb des Bearbeitungsgebietes gezielt zu variieren.
Beim cw- Nahtschweißen kann es sinnvoll sein, dass vermehrt Energie an der Schweißfront eingebracht wird, um schlanke und tiefe Schweißnähte zu erzeugen. Daher kann es vorgesehen sein, dass in einem in Bewegungsrichtung des Bearbeitungsgebietes vorderen Abschnitt des Bearbeitungsgebietes eine hohe Intensität der Laserstrahlung eingestellt wird
Beim Tiefschweißen kommt der Ausbildung eines geeigneten Keyholes eine besondere Bedeutung zu. Dabei kann beispielsweise durch eine geeignete Geometrie des sich bildenden Keyholes der Austritt von sich bildenden, gasförmigen Komponenten erleichtert werden, wodurch Stauungen und Spritzen vermieden werden können. Daher ist es gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung vorgesehen, dass die Intensitätsverteilung derart eingestellt wird, dass sich eine für die Schweißaufgabe optimier- te Geometrie eines sich bildenden Keyholes ausbildet. Dazu kann sowohl die Intensitätsverteilung in der Ebene des Bearbeitungsgebietes als auch in der Tiefe entsprechend vorgegeben werden. Zur Ausbildung eines geeigneten Keyholes kann innerhalb des Bearbeitungsgebietes beispielsweise ein sichelförmiger Bereich hoher Intensität erzeugt werden, wobei der Scheitel der konvexen Krümmung des sichelförmigen Bereiches in Schweißrichtung, also in die Bewegungsrichtung des Bearbeitungsgebietes, zeigt.
Insbesondere zur Verbindung artungleicher Werkstoffe kann es vorgesehen sein, dass die Intensitätsverteilung über das Bearbeitungsgebiet derart eingestellt wird, dass auf einen Fügepartner eine hohe Intensität und auf einen zweiten Fügepartner eine niedrigere In- tensität der Laserstrahlung einwirkt. So kann es beim Verbinden artungleicher Werkstoffe sinnvoll sein, einen der beiden Fügepartner nur aufzuschmelzen, wohingegen der zweite Fügepartner aufgeschmolzen und teilweise verdampft werden muss. Es lassen sich so Werkstoffe mit stark unterschiedlichen Schmelz- und Verdampfungstemperaturen verbin- den, was mit einer homogenen Intensitätsverteilung nur schwer möglich ist. Dadurch ergeben sich neue Möglichkeiten beim Verbinden solcher bisher kritisch schweißbaren Werkstoff paarungen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung kann es vorgese- hen sein, dass die Intensitätsverteilung über das Bearbeitungsgebiet derart eingestellt wird, dass eine Schmelzbaddurchmischung gezielt eingestellt wird. Dies kann auch bedeuten, dass die Schmelzbaddurchmischung zumindest weitestgehend unterbunden wird. Aus dem Nahtschweißen mit Zusatzwerkstoffen ist bekannt, dass die Durchmischung des Schmelzbades stark von der Intensitätsverteilung und von den dadurch induzierten Strö- mungen im Schmelzbad beeinflusst wird. Durch die Optimierung der Schmelzbaddurchmischung kann erreicht werden, dass das Zusatzmaterial sich homogen im Gefüge verteilt oder gezielt an bestimmten Regionen im Schweißbad angereichert wird, um dort bestimmte Eigenschaften im Gefüge hervorzurufen. Durch eine gezielt eingestellte Strömungsrichtung und Strömungsgeschwindigkeit im Schmelzbad in Kombination mit einer geeigneten Form eines sich bildenden Keyholes lässt sich der Schweißprozess deutlich stabilisieren und die Nahtform entsprechend den Anforderungen gestalten.
Ist es vorgesehen, dass die Intensitätsverteilung im Rahmen eines Regelkreises auf Basis von gemessenen Bedingungen im Bearbeitungsgebiet eingestellt wird, so können die Schweißparameter direkt während des Schweißprozesses gezielt variiert und eingestellt werden. Durch geeignete Sensoren können Störungen erkannt und durch Anpassung der Intensität und Intensitätsverteilung ausgeglichen werden.
So kann es vorgesehen sein, dass als Bedingungen im Bearbeitungsgebiet eine Schmelzbadströmung und/oder Spaltbreiten zwischen Fügepartnern berücksichtigt werden. Durch entsprechend Sensoren kann die Schmelzbadströmung detektiert und mit einem entsprechenden Regelkreis über die Intensitätsverteilung über dem Bearbeitungsgebiet immer optimal eingestellt werden, um Prozesse mit hoher Reproduzierbarkeit und Qualität zu erreichen. Weiterhin kann beispielsweise ein Spalt zwischen zwei Fügepart- nern im Stumpfstoß erkannt und die Intensitätsverteilung derart gestaltet werden, dass die beiden Fügepartner einer höheren Strahl intensität ausgesetzt werden als der Spalt. Der Laserstrahl bricht somit nicht durch, wie es bei konventionellen Laserschweißverfahren mit fester Intensitätsverteilung auftreten kann, der Spalt kann sich schließen. Weiterhin erhöht sich die Spaltüberbrückbarkeit. Durch geeignete Sensoren kann das Bearbeitungsgebiet immer optimal auf die Lage der Fügepartner, auch bei ungenauer Kantenqualität der Stoßkanten, eingeregelt werden.
Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass mittels beweglicher optischer Bauelemente eine im Vergleich zu einem Bearbeitungsgebiet kleine
Fokusfläche der Laserstrahlung über das Bearbeitungsgebiet bewegbar ist und dass als Strahlungsquelle ein Scheibenlaser oder ein Faserlaser vorgesehen ist. Dabei erlauben insbesondere als bewegliche optische Bauelemente eingesetzte Scannerspiegel eine schnelle und frei programmierbare Bahnbewegung. Scheibenlaser und Faserlaser ermög- liehen aufgrund ihrer sehr hohen Strahlqualität die Ausbildung von sehr kleinen Fokusflächen, wie sie für die Durchführung des beschriebenen Verfahrens benötigt werden. So lassen sich beispielsweise mit einem Faserlaser Fokusflächen von wenigen μm Durchmesser erreichen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 in schematischer Darstellung eine erste Laserschweißanordnung nach dem Stand der Technik,
Figur 2 in schematischer Darstellung eine zweite Laserschweißanordnung nach dem Stand der Technik,
Figur 3 in schematischer Darstellung ein Bearbeitungsgebiet mit einer homo- genen Intensitätsverteilung,
Figur 4 in schematischer Darstellung ein Bearbeitungsgebiet mit einer inhomogenen Intensitätsverteilung,
Figur 5 in schematischer Darstellung ein weiteres Bearbeitungsgebiet mit einer inhomogenen Intensitätserteilung, Figur 6 in schematischer Darstellung ein weiteres Bearbeitungsgebiet mit einer inhomogenen Intensitätsverteilung,
Figur 7 in schematischer Darstellung ein weiteres Bearbeitungsgebiet mit einer inhomogenen Intensitätsverteilung.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Laserschweißanordnung 10 nach dem Stand der Technik. Mit einem ersten Lichtleiter 11.1 wird ein erster Laserstrahl 12.1 und mit einem zweiten Lichtleiter 11.2 wird ein zweiter Laserstrahl 12.2 einer ersten gemeinsamen Linse 13.1 und anschließend einer zweiten gemeinsamen Linse 13.2 zugeführt und auf die Oberfläche eines ersten Fügepartners 15.1 und eines zweiten Fügepartners 15.2 im Bereich einer Fügelinie 16 fokussiert. Die Laserstrahlen 12.1, 12.2 bilden auf der Oberfläche der Fügepartner 15.1, 15.2 jeweils einen in der Fläche ausgedehnten Fo- kuspunkt 14.1, 14.2 aus.
Durch die Laserstrahlen 12.1, 12.2 werden die Fügepartner 15.1, 15.2 im Bereich der Fügelinie 16 erwärmt und aufgeschmolzen, so dass eine Verbindung der Fügepartner 15.1, 15.2 erfolgt.
Auf Grund der flächigen Ausdehnung der Fokuspunkte 14.1, 14.2 können diese zumindest teilweise überlagert werden. Im Überlagerungsbereich liegt dann eine im Vergleich zu einem nicht überlagerten Bereich hohe Strahlintensität vor. Durch gezielte Überlagerung der Fokuspunkte 14.1, 14.2 kann innerhalb eines bestrahlten Bearbeitungsgebietes eine gewünschte Intensitätsverteilung vorgegeben werden. Dabei kann die Intensitätsverteilung durch die Lage und das Verhältnis der überlagerten zu den nicht überlagerten Bereichen, durch unterschiedlicher Strahlintensitäten zwischen dem ersten und dem zweiten Laserstrahl 12.1, 12.2 und/oder durch unterschiedlich große Fokuspunkte 14.1, 14.2 variiert werden.
Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite Laserschweißanordnung 20 nach dem Stand der Technik. Dabei sind gleiche Komponenten wie in Figur 1 eingeführt bezeichnet. Im Gegensatz zu dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Strahlengänge des ersten Laserstrahls 12.1 und des zweiten Laserstrahls 12.2 getrennt geführt. Dabei wird der erste Laserstrahl 12.1 durch eine erste vordere Linse 21.1 und eine erste hintere Linse 21.3 und der zweite Laserstrahl 12.2 mit einer zweiten vorderen Linse 21.2 und einer zweiten hinteren Linse 21.4 auf die Oberfläche der beiden Fügepartner 15.1,
15.2 fokussiert.
Zusätzlich zu den in Figur 1 genannten Möglichkeiten der Einstellung einer Intensitätsverteilung kann durch die Neigung der Strahlachsen der Laserstrahlen 12.1, 12.2 die Geo- metrie der Fokuspunkte 14.1, 14.2 von annähern kreisrund zu oval variiert werden, was zusätzliche Möglichkeiten für die einstellbaren Intensitätsverteilungen ergibt.
Der Vorteil der in Figur 1 und Figur 2 dargestellten Laserschweißanordnungen 10, 20 mit zwei Fokuspunkten 14.1, 14.2 ist, dass sich aufgrund der einstellbaren Intensitätsverei- lungen innerhalb des Bearbeitungsgebietes Schweißprozesse deutlich reproduzierbarer führen lassen. So kann beispielsweise die Form eines sich bildenden Keyholes bei Tiefschweißen optimiert werden.
Nachteilig bei den dargestellten Laserschweißanordnungen 10, 20 ist, dass die Intensi- tätsverteilungen systembedingt in einer festen Arbeitsebene, der Fokusebene, liegen, die sich während des Prozesses nicht verändern lässt. Zum anderen ist die Verteilung der Intensität, auch bei Verwendung von Sonderoptiken, während des Prozesses nicht oder nur begrenzt veränderbar.
Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung ein Bearbeitungsgebiet 30 mit einer homogenen Intensitätsverteilung 40, wie es erfindungsgemäß erzeugt werden kann. Dabei ist die Intensitätsverteilung 40 durch die Dichte der dargestellten Punkte angedeutet, wobei eine hohe Punktdichte einer hohen Intensität entspricht. Innerhalb des Bearbeitungsgebiets 30 ist eine im Vergleich zu dem Bearbeitungsgebiet 30 deutlich kleinere Fokusfläche 31 einer nicht dargestellten Laserstrahlung dargestellt, die entlang einer vorgegebenen Bahnbewegung 32 innerhalb des Bearbeitungsgebietes 30 bewegt wird.
Die Größe des Bearbeitungsgebietes 30 entspricht ungefähr dem bei bekannten Laserschweißanordnungen 10, 20 erzeugten, überlagerten Fokuspunkten 14.1, 14.2 und liegt typisch in der Größenordnung von 150μm bis 600μm. Zur Erreichung der dazu im Vergleich sehr kleinen Fokusfläche 31 in der Größenordnung von beispielsweise 15μm sind Strahlquellen mit hoher Strahlqualität erforderlich. Hier können Faserlaser oder Scheibenlaser eingesetzt werden. So lassen sich mit einem Faserlaser Fokusflächen 31 im Bereich einiger μm erreichen.
Wird nun mit einer solchen Strahlquelle ein Bearbeitungsgebiet 30 mit einer kleinen Fokusfläche 31 schnell abgerastert, so sind beliebige, auch von runden oder ovalen Flächen abweichende Geometrien des Bearbeitungsgebietes 30 erzielbar, beispielsweise mit rechteckigen, dreieckigen oder linienförmigen Grundflächen. Durch die Geschwindigkeit der Bewegung der Fokusfläche 31 oder der Verweilzeit der Fokusfläche 31 über einem Teil des Bearbeitungsgebiets 30 lässt sich die mittlere Intensität über dem überfahrenen Bereich skalieren. Dadurch besteht die Möglichkeit, die Leistungsverteilung im Bearbeitungsgebiet 30 an die Bearbeitungsaufgabe anzupassen. Durch geeignete Regelalgorith- men besteht weiterhin die Möglichkeit, die Intensitätsverteilung 40 während des Schweißprozesses ständig optimal zu führen und anzupassen.
Für das Verfahren ist es wichtig, dass die Bewegung der Fokusfläche 31 so erfolgt, dass der Prozess eine quasi-konstante Intensitätsverteilung 40 über dem Bearbeitungsgebiet 30 erzielt. Dazu ist es notwendig, dass sich die Fokusfläche 31 ausreichend schnell über das Bearbeitungsgebiet 30 bewegt. Dazu bieten sich verschiedene bekannte Technologien an. So kann die Bahnbewegung 32 durch in den Strahlengang der Laserstrahlung eingebrachte Scannerspiegel, bekannt als Galvo-Scanner, bewirkt werden, welche eine frei programmierbare Bahnbewegung 32 mit hoher Geschwindigkeit erlauben. Des weite- ren können Optiken auf Basis von bewegten Keilplatten, bekannt als Trepanieroptiken aus dem Bereich des Laserbohrens, oder weitere bewegte optische Elemente wie Dachspiegel, Spiegel oder Speziallinsen zur Strahlführung und -ablenkung eingesetzt werden. Figur 4 zeigt in schematischer Darstellung ein Bearbeitungsgebiet 30 mit einer inhomogenen Intensitätsverteilung 40, in dem eine Fokusfläche 31 entlang einer frei wählbaren Bahnbewegung 32 bewegt wird. Dabei ist die Bahnbewegung 31 so gewählt, dass sich innerhalb des Bearbeitungsgebietes 30 ein Bereich mit hoher mittlerer Intensität 41 und ein Bereich mit vergleichsweise niedriger mittlerer Intensität 42 ausbilden. Die Intensitätsverteilung 40 ist wieder durch die Dichte der dargestellten Punkte angedeutet. Die Intensitätsverteilung 40 kann der Fügeaufgabe entsprechend frei vorgegeben werden. Dabei besteht die Möglichkeit, die Verteilung der Intensität über dem Bearbeitungsgebiet 40 während der Bearbeitung online zu ändern. Eine Anpassung des Bearbeitungsgebietes 40 als auch der Intensitätsverteilung 40 über das Bearbeitungsgebiet 40 ist während dem Schweißvorgang jederzeit möglich. Dies ermöglicht den Aufbau eines Regelkreises, bei dem mit geeigneten Sensoren die Bedingungen im Bearbeitungsgebiet 40, beispielsweise die Temperaturverteilung oder die Strömung im Schweißbad oder die Spaltlage o- der die Kantenqualität der Fügepartner 15.1, 15.2, erfasst werden können und auf Basis dieser Messungen die Intensitätsverteilung 40 immer optimal an die Randbedingungen des Prozesses angepasst werden kann, was zu einer Stabilisierung des Schweißprozesses beiträgt. Durch den Regelprozess lassen sich Störungen ausgleichen. Wenn sich beispielsweise ein Spalt zwischen zwei Fügepartnern 15.1, 15.2 im Stumpfstoß öffnet, kann die Intensitätsverteilung 40 derart gestaltet werden, dass die beiden Fügepartner 15.1, 15.2 stärker bestrahlt werden als der Spalt. Die entstehende Schmelze kann so den Spalt schließen, ohne dass die Laserstrahlung durchbricht, wie es bei bekannten Laserschweißanordnungen 10, 20 auftreten kann.
Vorteilhaft bei dem Verfahren ist, dass mit einem optischen Aufbau verschiedenste Intensitätsverteilungen 40 realisierbar sind, wodurch im Vergleich zu bekannten Systemen er- hebliche Kosten eingespart werden können, wenn verschiedene Prozesse mit einem System durchgeführt werden sollen und die Parameter entsprechend zu variieren sind, um jeweils optimale Ergebnisse zu erzielen.
Durch einen geeigneten optischen Aufbau lässt sich des weitern nicht nur die Intensitäts- Verteilung 40 innerhalb der Ebene des Bearbeitungsgebietes 30 einstellen, sondern auch die Intensitätsverteilung 40 in Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung, also in die Tiefe der Fügepartner 15.1, 15.2. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Fokuslage mit einer Fokussierlinse, die mit Hilfe eines entsprechenden Antriebs nachgeführt wird, in Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung verschoben wird. Dabei kann als Antrieb beispielsweise ein Piezo-Steller verwendet werden. Die Anordnung ermöglicht es, eine dreidimensionale Intensitätsverteilung 40 gezielt einzustellen. So ist es beispielsweise möglich, die Fokusfläche 31 über die Oberfläche eines sich bildenden Keyholes zu lenken, so dass an jeder Bearbeitungsstelle mit optimaler Fokuslage und entsprechender Intensitätsverteilung 40 gearbeitet werden kann. Durch die Möglichkeit, die Fokuslage in Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung zu bewegen kann weiterhin der Durchmesser der Fokusfläche 31 und damit die Bestrahlungsstärke innerhalb der Fokusfläche 31 variiert werden, um optimale Bedingungen für den Prozess zu schaffen uns sicherzustellen.
Figur 5 zeigt in schematischer Darstellung ein weiteres Bearbeitungsgebiet 30 mit einer inhomogenen Intensitätserteilung 40, wie sie wiederum durch die Dichte der dargestellten Punkte angedeutet ist. Das Bearbeitungsgebiet 30 wird entsprechend einer Bewegungs- richtung 18 entlang einer Fügelinie 16 zwischen zwei Fügepartnern 15.1, 15.2 bewegt, so dass sich eine Schweißnaht 17 ausbildet. Die Intensitätsverteilung 40 ist auf Grund einer Bewegung einer nicht dargestellten Fokusfläche 31 über das Bearbeitungsgebiet 30 so vorgegeben, dass in Bewegungsrichtung 18 vorne im Bearbeitungsgebiet 30 ein Bereich hoher mittlerer Intensität 41 und in Bewegungsrichtung 18 hinten, also im Nachlauf, sowie an den Schweißnahtflanken ein Bereich niedriger mittlerer Intensität 42 ausgebildet ist.
Eine solche Intensitätsverteilung 40 kann beispielsweise beim cw- Nahtschweißen sinnvoll sein, um an der Schweißfront vermehrt Energie einzubringen. Mit dieser Maßnahme lassen sich schlanke und tiefe Nähte erzeugen.
Figur 6 zeigt in schematischer Darstellung ein weiteres Bearbeitungsgebiet 30 mit einer inhomogenen Intensitätsverteilung 40. Dabei entspricht die Beschreibung und die Bezeichnung der dargestellten Komponenten denen in Figur 5. Im Gegensatz zu Figur 5 ist hier auf einem Fügepartner 15.1 ein Bereich hoher mittlerer Intensität 41 ausgebildet und auf dem anderen Fügepartner 15.2 ein Bereich niedriger mittlerer Intensität 42. Diese In- tensitätsverteilung 40 ermöglicht es zum Beispiel, artungleiche Materialien zu verbinden.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfordert das links dargestellte Material des ersten Fügepartners 15.1 eine hohe mittlere Intensität 41 zum Aufschmelzen, während das rechts dargestellte Material des zweiten Fügepartners 15.2 nur einer niedrigeren mittleren Intensität 42 ausgesetzt werden darf. Das Verfahren ermöglicht es so, artungleiche Werk- Stoffe mit stark unterschiedlichen Eigenschaften wie Schmelztemperatur oder ähnlichem zu verbinden. Durch die gezielt mögliche Energieeinbringung wird es weiterhin möglich, rissempfindliche Werkstoffe zu verbinden. Durch das Verfahren wird das reproduzierbare Schweißen solcher Werkstoffpaarungen erst möglich. Figur 7 zeigt in schematischer Darstellung ein weiteres Bearbeitungsgebiet 30 mit einer inhomogenen Intensitätsverteilung 40, wobei das Bearbeitungsgebiet 30 von einer kreisrunden Form abweicht. Ein Bereich hoher mittlerer Intensität 41 ist sichelförmig in Bewegungsrichtung 18 vorne in dem Bearbeitungsgebiet 30 vorgegeben, während in dem hin- teren Bereich des Bearbeitungsgebietes 30 ein Bereich niedriger mittlerer Intensität 42 vorgesehen ist. Durch die Intensitätsverteilung 40 bildet sich ein Keyhole 43 mit einer von einer kreisrunden Geometrie abweichenden Öffnung. Durch die inhomogene Vorgabe der Intensitätsverteilung 40 lässt sich somit die Geometrie eines sich bildenden Keyholes 43 bestimmen und somit bezüglich der Schweißaufgabe optimieren. Dazu sind neben der dargstellten Intensitätsverteilung 40 beliebige weitere Intensitätsverteilungen denkbar.
Durch die angepasste Intensitätsverteilung 40 kann Einfluss genommen werden auf die Strömungsrichtung und die Strömungsgeschwindigkeit im Schmelzbad so wie auf die Form des sich ausbildenden Keyholes 43 beim Tiefschweißen. Dadurch lässt sich der Prozess deutlich stabilisieren und die Nahtform entsprechend den Anforderungen gestalten. Dies lässt sich durch die bereits beschriebene Möglichkeit, die Fokusebene entlang der Strahlachse der Laserstrahlung einzustellen, noch weiter optimieren.
Aus dem Nahtschweißen mit Zusatzwerkstoffen ist bekannt, dass die Durchmischung des Schmelzbades stark von der Intensitätsverteilung 40 und von den dadurch induzierten
Strömungen in dem Schmelzbad beeinflusst wird. Durch die Anpassung der Intensitätsverteilung 40 kann der Prozess auch hier weiter optimiert werden. Dadurch kann bei Schweißnähten 17 erreicht werden, dass das Zusatzmaterial sich homogen im Gefüge verteilt oder gezielt an bestimmten Regionen im Schweißbad angereichert wird, um dort im Gefüge bestimmte Eigenschaften hervorzurufen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Fügen von Werkstoffen mittels Laserstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung auf eine im Vergleich zu einem Bearbeitungsgebiet (30) kleine Fokusfläche (31) fokussiert wird und dass eine vorgebbare Intensi- tätsverteilung (40) über dem Bearbeitungsgebiet (30) über eine Bewegung der Fokusfläche (31) über das Bearbeitungsgebiet (30) erreicht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbare Intensitätsverteilung (40) über dem Bearbeitungsgebiet (30) durch unterschiedliche Ver- weildauern der Fokusfläche (31) auf Teilen des Bearbeitungsgebiets (30) und/oder durch unterschiedliche Intensitäten der Laserstrahlung in Abhängigkeit von der Position der Fokusfläche (31) innerhalb des Bearbeitungsgebiets (30) und/oder durch eine unterschiedliche Häufigkeit, mit der die Fokusfläche (31) über Teile des Bearbeitungsgebietes (30) geführt wird, erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Bearbeitungsgebiete (30) in einem Größenbereich von 150μm bis 600μm durch Fokusflächen (31) von lOμm bis lOOμm, vorzugsweise von lOμm bis 20μm, erzeugt werden und/oder dass Bearbeitungsgebiete (30), die um einen Faktor von mindestens acht größer sind als die Fokusfläche (31), erzeugt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Fokusfläche (31) über das Bearbeitungsgebiet (30) entlang frei vorgebbarer Bahnen und/oder rasterförmig erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungsgebiet (30) entlang einer Fügelinie (16) bewegt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Fokusfläche (31) durch in einem Strahlengang der Laserstrahlung angeordnete Scannerspiegel und/oder bewegte Keilplatten und/oder bewegte Dachspiegel und/oder bewegte Linsen bewirkt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Fokusfläche (31) über das Bearbeitungsgebiet (30) so schnell erfolgt, dass eine für den Prozess annähernd stationäre Intensitätsverteilung (40) ü- ber das Bearbeitungsgebiet (30) erreicht wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokus der Laserstrahlung entlang der Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung verstellt werden kann.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
Laserstrahlung auf die Oberfläche eines sich bildenden Keyholes (43) fokussiert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Fokusfläche (31) eingestellt werden kann.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einem in Bewegungsrichtung des Bearbeitungsgebietes (30) vorderen Abschnitt des Bearbeitungsgebietes (30) eine hohe Intensität der Laserstrahlung eingestellt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsverteilung (40) derart eingestellt wird, dass sich eine für die Schweißaufgabe optimierte Geometrie eines sich bildenden Keyholes (43) ausbildet.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsverteilung (40) über das Bearbeitungsgebiet (30) derart eingestellt wird, dass auf einen Fügepartner (15.1) eine hohe Intensität und auf einen zweiten Fügepartner (15.2) eine niedrigere Intensität der Laserstrahlung einwirkt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsverteilung (40) über das Bearbeitungsgebiet (30) derart eingestellt wird, dass eine Schmelzbaddurchmischung gezielt eingestellt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsverteilung (40) im Rahmen eines Regelkreises auf Basis von gemessenen Bedingungen im Bearbeitungsgebiet (30) eingestellt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Bedingungen im
Bearbeitungsgebiet (30) eine Schmelzbadströmung und/oder Spaltbreiten zwischen Fügepartnern (15.1, 15.2) berücksichtigt werden.
17. Vorrichtung zum Fügen von Werkstoffen mittels Laserstrahlung, dadurch gekenn- zeichnet, dass mittels beweglicher optischer Bauelemente eine im Vergleich zu einem Bearbeitungsgebiet (30) kleine Fokusfläche (31) der Laserstrahlung über das Bearbeitungsgebiet (30) bewegbar ist und dass als Strahlungsquelle ein Scheibenlaser oder ein Faserlaser vorgesehen ist.
PCT/EP2008/050056 2007-02-08 2008-01-04 Verfahren und vorrichtung zum laserschweissen WO2008095738A2 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009548633A JP5334866B2 (ja) 2007-02-08 2008-01-04 レーザ溶接する方法及び装置
EP08707826A EP2117762A2 (de) 2007-02-08 2008-01-04 Verfahren und vorrichtung zum laserschweissen
US12/526,629 US20100072178A1 (en) 2007-02-08 2008-01-04 Method and device for laser welding

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102007006330.1 2007-02-08
DE102007006330A DE102007006330A1 (de) 2007-02-08 2007-02-08 Verfahren und Vorrichtung zum Laserschweißen

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2008095738A2 true WO2008095738A2 (de) 2008-08-14
WO2008095738A3 WO2008095738A3 (de) 2008-12-18

Family

ID=39247223

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2008/050056 WO2008095738A2 (de) 2007-02-08 2008-01-04 Verfahren und vorrichtung zum laserschweissen

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20100072178A1 (de)
EP (1) EP2117762A2 (de)
JP (1) JP5334866B2 (de)
DE (1) DE102007006330A1 (de)
WO (1) WO2008095738A2 (de)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009046485A1 (de) 2009-11-06 2011-05-12 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Laserschweißen
DE102009047490A1 (de) * 2009-12-04 2011-06-09 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung
JP5902400B2 (ja) 2011-04-26 2016-04-13 トヨタ自動車株式会社 レーザ溶接装置、レーザ溶接方法、鋼板積層体の製造方法及び積層体のレーザ溶接による溶接構造
DE102011108773A1 (de) 2011-07-28 2013-01-31 Michael Koch Drucksensorhalter zur differenzierten Ansatzdruckmessung für das Mundstück eines Blasinstruments
DE102012008053A1 (de) 2011-07-28 2013-01-31 Michael Koch Mehrteiliges Mundstück für ein Blasinstrument zur differenzierten Ansatzdruckmessung
US9067278B2 (en) * 2013-03-29 2015-06-30 Photon Automation, Inc. Pulse spread laser
DE102015207279A1 (de) * 2015-04-22 2016-10-27 Ipg Laser Gmbh Fügevorrichtung und Fügeverfahren
WO2018227382A1 (en) * 2017-06-13 2018-12-20 GM Global Technology Operations LLC Method for laser welding metal workpieces using a combination of weld paths
DE102017215068A1 (de) 2017-08-29 2019-02-28 Robert Bosch Gmbh Optische Baugruppe und Verwendung einer optischen Baugruppe
DE102019215181A1 (de) 2019-10-02 2021-04-08 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Laserschweißen und Bauteilverbund

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5939490A (ja) 1982-08-27 1984-03-03 Toshiba Corp レ−ザ加工装置
EP0872303A2 (de) 1997-04-14 1998-10-21 Schott Glas Verfahren und Vorrichtung zum Durchtrennen von flachen Werkstücken aus sprödem Material, insbesondere aus Glas
WO2000013839A1 (de) 1998-09-08 2000-03-16 Heidelberger Druckmaschinen Aktiengesellschaft Laserstrahlungsquelle
FR2836080A1 (fr) 2002-02-20 2003-08-22 Abb Body In White Procede de configuration d'un faisceau laser et procedes de soudage de toles par laser
WO2006116722A2 (en) 2005-04-28 2006-11-02 The Pennsylvania State Research Foundation Apparatus and method for conducting laser stir welding
WO2006117936A1 (ja) 2005-04-27 2006-11-09 Japan Drilling Co., Ltd. 岩石又はコンクリートの加工方法及びその装置
FR2887161A1 (fr) 2005-06-20 2006-12-22 Commissariat Energie Atomique Procede et dispositif d'ablation laser d'une couche superficielle d'une paroi, telle q'un revetement de peinture dans une installation nucleaire

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3772395B2 (ja) * 1996-05-14 2006-05-10 スズキ株式会社 レーザ溶接方法
DE19716293C2 (de) * 1997-04-18 2000-07-13 Daimler Chrysler Ag Vorrichtung zur Regelung der Fokuslage beim Laserstrahlschweißen
JPH1119787A (ja) * 1997-07-03 1999-01-26 Nissan Motor Co Ltd レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置
DE19751195C1 (de) 1997-08-01 1999-04-29 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren und Vorrichtung zum Schweißen mittels Laserstrahlung
JPH11104877A (ja) * 1997-09-30 1999-04-20 Kawasaki Heavy Ind Ltd レーザビームの高速ウィービング方法
JP3456424B2 (ja) * 1998-09-30 2003-10-14 スズキ株式会社 レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置
WO2002009904A1 (en) * 2000-07-31 2002-02-07 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Laser beam machining method
US7154065B2 (en) * 2002-05-24 2006-12-26 Alcon Inc. Laser-hybrid welding with beam oscillation
US7087853B2 (en) * 2003-08-26 2006-08-08 The Procter & Gamble Company Method for joining porous metal structures and structure formed thereby
US7479616B2 (en) * 2004-04-20 2009-01-20 General Motors Corporation Compound laser beam welding
US7820936B2 (en) * 2004-07-02 2010-10-26 Boston Scientific Scimed, Inc. Method and apparatus for controlling and adjusting the intensity profile of a laser beam employed in a laser welder for welding polymeric and metallic components

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5939490A (ja) 1982-08-27 1984-03-03 Toshiba Corp レ−ザ加工装置
EP0872303A2 (de) 1997-04-14 1998-10-21 Schott Glas Verfahren und Vorrichtung zum Durchtrennen von flachen Werkstücken aus sprödem Material, insbesondere aus Glas
WO2000013839A1 (de) 1998-09-08 2000-03-16 Heidelberger Druckmaschinen Aktiengesellschaft Laserstrahlungsquelle
FR2836080A1 (fr) 2002-02-20 2003-08-22 Abb Body In White Procede de configuration d'un faisceau laser et procedes de soudage de toles par laser
WO2006117936A1 (ja) 2005-04-27 2006-11-09 Japan Drilling Co., Ltd. 岩石又はコンクリートの加工方法及びその装置
WO2006116722A2 (en) 2005-04-28 2006-11-02 The Pennsylvania State Research Foundation Apparatus and method for conducting laser stir welding
FR2887161A1 (fr) 2005-06-20 2006-12-22 Commissariat Energie Atomique Procede et dispositif d'ablation laser d'une couche superficielle d'une paroi, telle q'un revetement de peinture dans une installation nucleaire

Also Published As

Publication number Publication date
EP2117762A2 (de) 2009-11-18
JP2010517783A (ja) 2010-05-27
DE102007006330A1 (de) 2008-08-14
WO2008095738A3 (de) 2008-12-18
US20100072178A1 (en) 2010-03-25
JP5334866B2 (ja) 2013-11-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2008095738A2 (de) Verfahren und vorrichtung zum laserschweissen
DE102007038502B4 (de) Verfahren zum Fügen von mindestens zwei Werkstücken mittels eines Laserstrahls
DE102012008940B4 (de) Verfahren zum Fügen von mindestens zwei Werkstücken
EP2925481B1 (de) Vorrichtung sowie verfahren zur lasermaterialbearbeitung
DE102012100721B3 (de) Verfahren zum Regeln eines Laserschneidprozesses und Laserschneidmaschine
DE102015104411B4 (de) Laserstrahlfügeverfahren und Laserbearbeitungsoptik
EP2205393B1 (de) Vorrichtung und verfahren zur laserbearbeitung
DE102008022014B3 (de) Dynamische Strahlumlenkung eines Laserstrahls
WO2015185415A1 (de) VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM VERSCHWEIßEN ZWEIER FÜGEPARTNER AUS THERMOPLASTISCHEN KUNSTSTOFFEN ENTLANG EINER SCHWEIßNAHT MITTELS LASER
DE102014203025A1 (de) Verfahren zum Laserstrahlschweißen und Schweißkopf
DE102009020272B4 (de) Laserschweißsystem
DE10113471B4 (de) Verfahren zum Hybridschweißen mittels eines Laserdoppelfokus
DE102018220336A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Strahlformung und Strahlmodulation bei einer Lasermaterialbearbeitung
EP1832377B1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Schweißen eines Werkstückes
DE102016220067B4 (de) Verfahren zum Tiefschweißen eines Werkstücks, wobei eine verkippte Dampfkapillare mittels zweier Laserstrahlen erzeugt wird
DE10037109C2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Schweißnahtglättung beim Strahlschweißen
WO2018041463A1 (de) VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM VERSCHWEIßEN VON FÜGEPARTNERN
DE102010063236B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Verschweißen von Bauteilen mittels eines Laserstrahls
DE19608074C2 (de) Verfahren zum Schweißen von relativbewegten Werkstücken
DE102018127649A1 (de) Verfahren zum Laserschweißen mit stabilem Schmelzbad und Laserbearbeitungsvorrichtung
DE102016010508A1 (de) Vorrichtung, Bearbeitungsvorrichtung und Verfahren zum Durchführen eines Bearbeitungsprozesses mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls unter Anpassung des Bearbeitstrahls nach Maßgabe einer aktuellen Bearbeitungssituation
WO2021175555A1 (de) Verfahren zum laserschweissen zweier beschichteter werkstücke
DE102020211343A1 (de) Verfahren zum Laserschweißen mittels eines in einer Doppelkernfaser geführten Laserstrahls sowie zugehörige Laserschweißmaschine und Computerprogrammprodukt
DE19604205A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Fügen von Werkstücken durch Laserstrahlung
DE102021115036A1 (de) Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks und dazugehöriges Laserbearbeitungssystem

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 08707826

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2008707826

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2009548633

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 12526629

Country of ref document: US