WO2021099299A1 - Verfahren zum laserschweissen eines werkstücks, mit strahlformung mittels eines axicons, und optische apparatur - Google Patents

Verfahren zum laserschweissen eines werkstücks, mit strahlformung mittels eines axicons, und optische apparatur Download PDF

Info

Publication number
WO2021099299A1
WO2021099299A1 PCT/EP2020/082359 EP2020082359W WO2021099299A1 WO 2021099299 A1 WO2021099299 A1 WO 2021099299A1 EP 2020082359 W EP2020082359 W EP 2020082359W WO 2021099299 A1 WO2021099299 A1 WO 2021099299A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
axicon
laser beam
area
optics
section
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/082359
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel FLAMM
Original Assignee
Trumpf Laser- Und Systemtechnik 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 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh filed Critical Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
Priority to CN202080080209.7A priority Critical patent/CN114728372A/zh
Publication of WO2021099299A1 publication Critical patent/WO2021099299A1/de
Priority to US17/742,494 priority patent/US20220266387A1/en

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
    • B23K26/0734—Shaping the laser spot into an annular shape
    • 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
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0648—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising lenses
    • 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
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0652—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising prisms
    • 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
    • B23K26/0665—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by beam condensation on the workpiece, e.g. for focusing
    • 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
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B23K26/24—Seam welding

Definitions

  • the invention relates to a method for laser welding a workpiece, wherein
  • a laser beam is provided at a laser beam source
  • the provided laser beam is collimated with collimation optics
  • the collimated laser beam is reshaped with a reshaping optics, and - the reshaped laser beam is focused with a focusing optics and directed onto the workpiece to be welded.
  • Welding is a joining process with which parts of a workpiece can be permanently connected to one another.
  • Laser welding is mostly used when welding is to be carried out at high welding speed, with a narrow and slender weld seam shape and with little thermal distortion.
  • the energy is supplied via a laser beam.
  • beam shaping In order to obtain weld seams of particularly high quality, it is known to use beam shaping on the laser beam.
  • DE 102 61 422 A1 proposes splitting a collimated laser beam into two partial beams with a beam splitter and focusing these partial laser beams with mutually offset working points.
  • DE 10 2010 003 750 A1 suggests coupling a laser beam into a double clad fiber in order to obtain a laser beam with a filled circular profile according to an inner fiber core and a ring profile according to an outer fiber core at the exit of the double clad fiber.
  • the laser beam profile can be used for laser welding, and it can be adapted to the respective application.
  • a multiclad fiber such as a double clad fiber
  • the coupling of the laser beam into the multiclad fiber are comparatively complex and expensive.
  • the object of the invention is to propose a method for laser welding with which a beam can be formed with little effort and at low cost, in particular in order to achieve a good quality of a weld seam.
  • a method of the type mentioned at the outset which is characterized in that the forming optics have at least a partial area in which at least a part of at least one axicon is formed, and that the collimated laser beam has at least part of its beam cross section is directed to this part of the forming optics.
  • the present invention proposes to subject the laser beam to beam shaping by means of laser welding by means of at least one axicon (or part of an axicon).
  • the collimated laser beam can be focused in a ring surface (or part of a ring surface) on a workpiece.
  • This ring surface can be used in the welding process and favorably influence the welding process, in particular reduce the melt pool dynamics and, for example, reduce spatter formation and / or waviness of the weld seam.
  • An axicon is a comparatively inexpensive optical component that can be used with a simple optical fiber.
  • no expensive multiclad fiber or a complex coupling of the laser beam into a certain partial fiber (or several partial fibers) of the multiclad fiber is necessary in order to focus the laser beam (at least partially) in an annular surface.
  • the axicon or its part can be refractive or diffractive.
  • a refractive axicon comprises a conical jacket-shaped (conical jacket-shaped) formed surface; the material of the axicon is transparent to the laser radiation, but refractive.
  • the axicon angle (here the cone angle) determines the direction in which the ring surface is created; the width of the ring surface is determined by the width of the collimated laser beam incident on the axicon. It should be noted that the axicon can protrude from a substrate, or it can also be worked into a substrate as a recess ("inverse axicon").
  • a diffractive axicon comprises periodically arranged, concentric ring areas each with rising or falling conical surface areas (conical surface areas), typically set up as a rotationally symmetrical (radially symmetrical) sawtooth grid; the material of the axicon is in turn transparent for the laser radiation, but diffractive.
  • the grating period determines the diffraction angle via the so-called grating equation, and the direction of the grating determines the local direction of the diffracted light perpendicular to the grating structure; this results in the overall direction in which the associated ring surface is generated.
  • the grating period correlates with the pitch angle of the sawtooth grid and the phase jump set up at the sawtooth steps. Smaller grating periods result in larger axicon angles, and smaller grating periods result in larger diffraction angles.
  • a (complete) axicon is basically rotationally symmetrical and occupies a circular area.
  • the forming optics are designed and the collimated laser beam is directed onto the forming optics in such a way that the focused laser beam is present
  • a core focus portion in particular wherein the core focus portion is provided by non-diffracted or unbroken laser radiation on the forming optics, and
  • At least one ring focus portion that surrounds the core focus portion on a ring surface or part of a ring surface, in particular wherein the ring focus portion is provided by diffracted or refracted laser radiation on the forming optics on the axicon.
  • a beam profile with a (circular) core focus portion and at least one (circular) ring focus portion is advantageous in many laser welding applications to ensure smooth To obtain a weld pool with low spatter formation and a low waviness of the resulting weld seam, in particular where the laser welding takes place in the regime of deep welding (with the formation of a vapor capillary).
  • the focused laser radiation advantageously has a double top-hat profile;
  • the intensity of the laser radiation is approximately constant within the core focus portion and also approximately constant in the area of the ring focus portion (or a respective ring focus portion).
  • Several ring foci can be achieved over several axicon angles and / or in the radial direction different grid periods of zones of ring areas of the axicon.
  • the simplest way to provide a core focus portion is that only part of the beam cross-section of the laser beam falls on the (at least one) axicon (or part of an axicon), and a further part of the beam cross-section does not fall on the (at least one) Axicon (or part of the axicon) is omitted.
  • the axicon it is also possible for the axicon to only incompletely shape the incident laser beam, in particular to bend it incompletely.
  • an integrated laser power of the core focus portion is at least 25% of the total laser power of the focused laser beam. This has proven itself to achieve a good seam quality with many workpiece materials, especially in the deep welding regime.
  • the integrated laser power of the core focus portion is between 25% and 60%, preferably between 30% and 50% of the total laser power.
  • a further development is also preferred which provides that the forming optics have a further sub-area that adjoins the sub-area in a direction R, and that for setting a distribution of the laser power between the core focus portion and the at least one ring focus portion the order form optics is moved in the direction R relative to the collimated laser beam.
  • This is a structurally simple, inexpensive and reliable way of dividing the power distribution of the laser radiation between the core focus component and the (at least one) ring focus component, in particular dividing it differently depending on the application.
  • a variant preferably provides that the sub-area has a diffractive axicon, in particular wherein the collimated laser beam illuminates the diffractive axicon with its entire beam cross-section, and in particular wherein the collimated laser beam illuminates the diffractive axicon in a rotationally symmetrical manner around a center of the axicon, and that the diffractive axicon subjects the collimated laser beam to a reduced phase modulation.
  • An undeflected or undeflected core focus component is generated via the reduced phase modulation ("0 th order regulation").
  • a fixed power distribution can be set between a ring focus component and a core focus component; it is not necessary to use the To split the beam cross-section of the (collimated) laser beam in the reshaping optics for power distribution in a certain way, which simplifies the process and the associated optical structure.
  • the diffractive axicon around a center of the axicon has periodically arranged, concentric ring areas, each with rising or falling conical surface areas in the radial direction, each being at a step from one concentric ring area to the next con central ring area a phase jump PHS of less than 2p is set up, in particular with p / 2 ⁇ PHS ⁇ 3p / 2, preferably 2.5 rad ⁇ PHS ⁇ 3 rad.
  • the "incomplete" phase jump at a respective stage results in an incomplete diffraction of the (collimated) laser beam in the ring focus portion, and a corresponding remaining portion of the laser beam or the laser power in the core focus portion.
  • a phase jump PHS ⁇ 3 rad results in a comparatively large proportion of laser power for the core focus area, which is usually preferred in laser welding for good seam quality. Without reduced phase modulation, the phase jump at one stage of a diffractive axicon would be 2 p in each case.
  • the power component in the core component is determined by the etching depth (height H) compared to the wavelength of the laser radiation.
  • the sub-area of the shaping optics has a plurality of axicons arranged next to one another, that the part of the beam cross-section of the collimated laser beam completely or partially illuminates several of the axicons of the sub-area, and that a further part of the beam cross-section of the collimated laser beam from the axicons remains unaffected.
  • the division of the beam cross-section between the (first) part and the further (second) part determines the power distribution, possibly adjustable via an adjustment device of the forming optics relative to the laser beam.
  • the axi cons in the sub-area can be arranged on a grid (typically where all axicons are the same size), in particular on a Cartesian grid or a hexagonal grid, or they can be arranged randomly (the axi cons being the same size or different in size could be).
  • axicons axicon array
  • the axicons are typically applied to a common substrate.
  • the axicons arranged next to one another are designed as refractive axicons. This is structurally particularly easy to do.
  • the sub-area only has a part of an axicon, that the part of the beam cross-section of the collimated laser beam completely or partially illuminates the part of the axicon, and that a further part of the beam cross-section is unaffected by the part of the axicon remains influenced.
  • the (first) part of the beam cross-section can be focused on a corresponding part of an annular surface (i.e. into an incomplete annular surface); In laser welding applications, this can be advantageous for the seam quality or the formation of spatter.
  • the core focus can be illuminated via the further (second) part of the beam cross-section.
  • the part of the axicon comprises a sector-shaped part of the axicon, preferably the sector-shaped part having an angular range between 90 ° and 270 °, particularly preferably between 130 ° and 230 °, very particularly preferably 180 °.
  • a corresponding sector-shaped part of a ring surface or a corresponding ring focus can be illuminated ("ring segment focus"); the size of the axicon angle segment (axicon angle range) determines the size of the segment focus (ring surface angle range).
  • a semi-ring-shaped ring focus can be set up, which typically precedes the core focus in the feed direction in the welding process, thereby preparing the melt bath so that the core focus can generate a vapor capillary in already melted workpiece material.
  • a power distribution between the ring focus portion and the core focus portion can also be achieved in a particularly simple manner by relative displacement of the forming optics and the laser beam.
  • a variant is also advantageous which provides that the sub-area comprises only one axicon or only part of an axicon, that the part of the beam cross-section that is directed onto the sub-area illuminates the axicon or the part of the axicon in a rotationally symmetrical manner, and that another Part of the beam cross-section remains unaffected by the axicon or the part of the axicon.
  • the rotationally symmetrical illumination of the axicon (or a typically rotationally symmetrical and / or ring-shaped part of an axicon) with the (first) part of the beam cross-section generates a completely (all-round) illuminated ring surface or a completely (all-round) illuminated ring focus.
  • the further (second) part of the beam cross-section generates the core focus.
  • a particularly compact design of the order form optics can be achieved; it is particularly well suited for comparatively narrow ring foci.
  • the further part of the beam cross section comprises an area radially inside an annular part of an axicon and / or an area radially outside the axicon or the part of the axicon.
  • the scope of the present invention also includes an optical apparatus for laser welding a workpiece, in particular designed to carry out a method according to one of the preceding claims
  • a focusing optics for focusing the reshaped laser beam and for directing the focused laser beam onto the workpiece to be welded which is characterized in that the reshaping optics has at least a partial area in which at least a part of at least one axicon is formed.
  • Beam shaping can be used to adapt to a specific laser welding application, in particular to optimize the quality of the weld seam, for example with regard to mechanical strength or waviness, or to minimize spatter formation during the welding process.
  • the optical apparatus can in particular be used to carry out a method according to the invention as described above.
  • a preferred embodiment of the optical apparatus according to the invention provides that the forming optics are designed with
  • a diffractive axicon designed for a reduced phase modulation of the collimated laser beam, in particular having ring areas concentric to the center of the axicon, each with rising or falling conical surface areas in the radial direction, in each case at a step from one concentric ring area to the next concentric ring area a phase jump PHS of less than 2p is established, or
  • the optical apparatus being set up so that the collimated laser beam with part of its beam cross-section illuminates the axicon or part of the axicon in a rotationally symmetrical manner, and another part of the beam cross Section of the collimated laser beam remains unaffected by the axicon or part of the axicon.
  • the forming optics comprise a further sub-area without axicons, which adjoins the sub-area in a direction R, and that an adjustment device, in particular a motorized adjustment device, is provided with which the forming optics are collimated relative to the Laser beam is adjustable at least in the R direction.
  • the adjustment device or a corresponding relative displacement of the shape optics and the collimated laser beam makes it possible to adjust the power components of the laser beam that are attributable to (at least) one ring focus and one core focus and to adapt them to the specific machining application.
  • an embodiment is preferred in which, within at least one axicon, the axicon has several axicon angles and / or several grating periods of a ring area profile.
  • FIG. 1a shows a schematic longitudinal section of an embodiment of an apparatus according to the invention for carrying out the method according to the invention
  • Fig. Lb shows a schematic cross section of a focused laser beam according to the invention
  • Fig. Lc shows schematically an exemplary intensity distribution along a central cutting direction x of a focused laser beam according to the invention He;
  • 2a shows schematically a cross-sectional profile of a diffractive axicon of a forming optics for the invention, the diffractive axicon having a redu ed phase modulation;
  • Fig. 2b shows schematically the phase shift in the cross section of a laser beam by passing a reshaping optics with diffractive axicon with reduced phase modulation according to Fig. 2a, for the inven tion;
  • FIG. 2c shows schematically the intensity distribution in the cross section of a laser beam after the reshaping of FIG. 2b after focusing;
  • 3a shows schematically the phase shift in the cross section of the laser beam due to the passage of a reshaping optics, which forms several diffractive axicons in one sub-area and does not form any axicons in a further sub-area, for the invention
  • Fig. 3b shows schematically the phase shift in the cross section of the laser beam by passing a reshaping optics, which forms several refractive axicons on a Cartesian grating in a sub-area, and no axicons in a further sub-area, for the invention;
  • Fig. 3c shows schematically the intensity distribution in the cross section of the laser beam after the reshaping of Fig. 3a or 3b after focusing;
  • Fig. 3d shows schematically the phase shift in the cross section of the laser beam by passing a reshaping optics, which forms several refractive axicons on a hexagonal grating in a sub-area, and no axicons in a further sub-area, for the invention
  • Fig. 3e shows schematically the phase shift in the cross section of the laser beam by passing a reshaping optics, which forms several refractive axicons in a statistical arrangement in a sub-area, and forms no axicons in a further sub-area, for the invention
  • FIG. 4a shows schematically the phase shift in the cross section of a laser beam as it passes through a reshaping optics, which forms a part of a diffractive axicon encompassing 180 ° in a partial area and does not form any axicons in a further partial area, for the invention
  • FIG. 4b shows schematically the intensity distribution in the cross section of the laser beam after the reshaping of FIG. 4a after focusing
  • Fig. 4c shows schematically the phase shift in the cross section of a laser beam through the passage of a forming optics, which forms a 180 ° comprehensive part of a diffractive axicon in a partial area, the grating period is greater in an inner zone of the axicon than in an outer zone of the Axicons, and wherein the reshaping optics does not form axicons in a further sub-area, for the invention;
  • FIG. 4d shows schematically the intensity distribution in the cross section of the laser beam after the reshaping of FIG. 4c after focusing
  • 4e shows schematically the phase shift in the cross section of a laser beam as it passes through a reshaping optics, which forms a part of a diffractive axicon encompassing 120 ° in one sub-area and does not form any axicons in a further sub-area, for the invention
  • FIG. 4f shows schematically the intensity distribution in the cross section of the laser beam after the reshaping of FIG. 4e after focusing
  • Fig. 5a shows a schematic longitudinal section of a reshaping optics for the inven tion, which forms an annular part of a refractive axicon, and is flat in a region in the center of the annular part;
  • Fig. 5b shows a schematic longitudinal section of a reshaping optics for the inven tion, which forms a refractive axicon in a partial area, which is illuminated by part of the beam cross-section of the laser beam, and a further part of the beam cross-section radially around the refractive axicon illuminates flat, ring-shaped further partial area of the forming optics;
  • Fig. 5c shows a schematic longitudinal section of a reshaping optics for the inven tion, which is formed with a refractive axicon, in which two ver different axicon angles are set up;
  • Fig. 5d shows a schematic longitudinal section of a forming optics for the inven tion, which is formed with a refractive axicon, which is formed as a recess in a substrate.
  • Fig. La shows in a schematic longitudinal section an exemplary Ausense approximate form of an optical apparatus 1 for the invention, and in particular for performing a method according to the invention for laser welding; this structure can be used accordingly for all further presented embodiments and variants.
  • a laser beam 4 emerges from an optical fiber cable 2 at one end 3.
  • the end 3 of the fiber optic cable 2 serves as a laser beam source 5.
  • the laser beam 4 provided is collimated by means of collimation optics 6, here a single collimation lens 7, whereby a collimated laser beam 8 is obtained.
  • the collimated laser beam 8 passes through forming optics 9 which are transparent for the laser radiation and which transforms the collimated laser beam 8, typically wise by refraction or diffraction, whereby a reshaped laser beam 10 is obtained.
  • the reshaped laser beam 10 passes a focusing optics 11, here a single focusing lens 12, whereby a focused laser beam 13 is obtained.
  • the focused laser beam 13 is directed onto a workpiece 14 to be welded, typically at the joint of two workpiece parts of the workpiece 14 to be welded.
  • the focus of the focused laser beam 13 is typically on or close to the surface of the workpiece 14.
  • the forming optics 9 have a partial area 15 in which at least one axicon or at least part of an axicon is formed.
  • three axicons 17 lying next to one another are formed in the partial area 15 in the longitudinal section shown.
  • the collimated laser beam 8 is directed at least with a part 18 of its beam cross section onto this sub-area 15 of the forming optics 9.
  • two of the three axicons 17 are illuminated in a longitudinal section through part 18 of the beam cross section.
  • the forming optics 9 is typically made of glass.
  • the reshaping optics 9 also have a further sub-area 19, which is formed without axicons, here with a flat upper surface on the rear side 27 of the reshaping optics 9. Another part 20 of the beam cross-section of the collimated laser beam 8 illuminates this further sub-area 20 of the forming optics 9.
  • the further sub-area 19 adjoins sub-area 15 in a direction R transversely to the direction of beam propagation of the collimated laser beam 8.
  • the forming optics 9 can be adjusted relative to the optical arrangement 1 by means of a motorized adjusting device 21 in the direction R.
  • the part 18 of the beam cross-section of the collimated laser beam 8 that is allocated to the sub-area 15 generates a ring focus component in the beam profile of the focused laser beam 13, and the further part 19 of the beam cross-section that is allocated to the sub-area 19 generates a core focus in the beam profile of the focused laser beam 13 Share, as explained below.
  • FIG. 1b schematically illustrates a typical beam profile of a focused laser beam within the scope of the invention, as it can be generated, for example, with the optical apparatus 1 shown in FIG. 1a, and can be used on the surface of the workpiece 14 for laser welding.
  • the beam profile has at least one ring focus portion 22, which is provided in a (circular) ring surface 23 or a part of a (circular) ring surface laser power.
  • the ring surface 23 is illuminated all around (over 360 °).
  • the beam profile has a core focus portion 24 which lies radially inside the annular surface 23 and which makes the laser power available in a circular surface 24a.
  • the core focus portion 24 adjoins the ring focus portion 22 directly radially on the inside; alternatively, it is also possible that an intermediate zone which is not illuminated (or only weakly illuminated) by laser radiation is set up between the ring focus component and the core focus component (not shown in more detail, but see, for example, Fig. 4b).
  • several concentric ring focus portions can also be provided (not shown in more detail, but see FIG. 4d).
  • FIG. 1c shows a diagram of the local laser intensity I (laser power per area) as a function of location x, along a cutting direction perpendicular to the direction of propagation of the laser beam, for the beam profile of FIG. 1b. top hat "profile.
  • the laser intensity within the core focus portion 24 has an essentially constant, first high value IK; the value of IK usually does not fluctuate by more than 25% around its mean value.
  • the laser intensity within the ring focus -Proportion 22 has a substantially constant, second lower value IR; usually the value of IR does not fluctuate by more than 25% around its mean value.
  • approx. IK 3.5 * IR applies; generally IK> 3 * IR, often IK> 6 * IR.
  • LK LR applies here; Generally, LK> 0.5 * (LR + LK) applies, with LK: integrated laser power in the core focus portion 24, and LR: integrated laser power in the ring focus portion 22 (possibly all ring focus portions).
  • 2a shows a schematic cross section of a diffractive axicon 25 of a forming optics for the invention.
  • the axicon 25 is flat on a front side 26 (incidence side for the laser beam) and on a rear side 27 (exit side for the laser beam) with a plurality of ring regions concentric to a central axis A (which defines a radial center Z of the axicon 25) - Chen 28, each having sloping conical surface areas in the radial direction R away from the central axis A.
  • the cone shell surfaces in cross section or the saw teeth have a radial width B ("grid period" of the sawtooth grid), and at the respective steps 29 between two adjacent ring areas 28, the axial thickness of the axi cons 25 changes by the height H.
  • the axicon 25 thus has an “incomplete” etching depth compared to a conventional diffractive axicon.
  • FIG. 2b illustrates an example of the local phase change f of a passing laser radiation set up by the axicon 25 with reduced phase modulation according to FIG. 2a in a forming optics 9 as a function of the location (spatial coordinates x, y) in the beam cross section; the brightness illustrates the local phase change f.
  • the coverage of a typical beam cross section 30 on the axicon 25 is shown within the scope of the invention; the beam cross-section lies here completely within and centrally in the axicon 25.
  • the largest phase difference of the axicon 25 at a respective step is here approx. 2.5 rad.
  • FIG. 2c shows the intensity I (illustrated via the brightness) of the focused laser beam resulting from the beam reshaping of FIG. 2b as a function of the location (location coordinates x, y) in the beam cross-section.
  • the "incomplete" phase jump at the steps 29 ensures incomplete diffraction of the laser beam into the ring focus portion 22; however, the ring focus portion 22 is fully (over 360 °) illuminated all around cher portion of the laser beam is not bent and remains undeflected as a central core focus portion 24.
  • 3a illustrates the local phase change f (illustrated by the brightness) in the beam cross section 30 of a laser beam in a variant, set up by a forming optics 9 which one sub-area 15 of the reshaping optics 9 has a multiplicity of diffractive axicons 31 arranged next to one another, and in which the phase remains the same in a further sub-area 19 without axicons.
  • the diffractive axicons 31 each have phase jumps of 2p at their steps; the phase change varies accordingly between -3.14 rad and +3.14 rad.
  • the beam cross section 30 illuminates here with its left part (left e half) the sub-area 15 over a multiplicity of axicons 31, and with its further right part (right half) the further sub-area 19.
  • the illumination in sub-area 15 ensures a diffraction of the associated portion of the laser radiation into a (fully encircling) ring focus portion 22 of the focused laser radiation, and the illumination in the sub-area 19 for an undeflected portion of the laser radiation which forms the core focus portion 24 in the focused laser radiation.
  • the laser intensity I is illustrated here again via the brightness.
  • the distribution of the laser power on the ring focus portion 22 and the core focus portion 24 can be changed or adjusted.
  • refractive axicons 17 arranged next to one another can also be used in the sub-area 15 of the forming optics 9, as shown in FIG. What is shown here is the local phase change f (illustrated via the brightness) of the forming optics 9 in the area of the beam cross section 30 of the laser beam; the local phase change essentially corresponds to a local axial height. Again, no axicons are formed in a further sub-area 19.
  • the refractive axicons 17 each have a (non-stepped) conical jacket-shaped surface, with the local cone axis perpendicular to the drawing plane. A large number of refractive axicons 17 are located in the sub-area 15 (cf. also FIG. 1 a).
  • This reshaping optics 9 also results in an intensity distribution corresponding to the illustration of FIG. 3c.
  • the illumination in sub-area 15 of FIG. 3b ensures a refraction of the associated portion of the laser radiation into a (fully encircling) ring focus portion 22 of the focused laser radiation, and the illumination in sub-area 19 for an undeflected portion of the laser radiation, which in of the focused laser radiation forms the core focus portion 24.
  • the refractive axicons 17 are arranged in a Cartesian grid. It should be noted that the axicons 17 arranged next to one another in the partial area 15 of the forming optics 9 can alternatively also be arranged in a hexagonal grid, cf.
  • FIG. 4a shows the local phase change f established by a forming optics 9 (illustrated by the brightness) in the area of the beam cross section 30 of a laser beam in a variant in which a sub-area 15 of the forming optics 9 is a part 33 of a (here) diffractive axicon 34 and in which the phase remains the same in a wide ren sub-area 19.
  • the part 33 of the axicon 34 here consists of a 180 ° sector of a (not set up, complete) diffractive axicon 34, and the phase jump at steps of the diffractive axicon 34 is 2p here.
  • the beam cross-section 30 here with its left part (left half) illuminates the subarea 15 over an inner area of the part 33 of the axis 34, and with its further right part (right half) the further subarea 19.
  • FIG. 4b shows the intensity I (illustrated as brightness) in the cross section of the resulting, focused laser beam.
  • the grating period of the ring areas changes from a first zone 36 to a second zone 37, as shown in FIG. 4c, several ring focus portions 22 result in the cross section of the focused laser beam 38 at different radial positions, as shown in the intensity image of FIG. 4d; the ring focus portions 22, 38 each sweep over a semicircular arc of 180 °, corresponding to the realized part 33 of the axicon 34.
  • the grating period with a slope angle ("axicon angle" in the diffractive axicon) of the ring areas correlated, which therefore changed from zone 36 to zone 37.
  • the intensity I in the cross section of the resulting laser beam shows a ring focus portion 22, which corresponds to a corresponding part of an annular surface 35, here a third of a ring surface corresponding to the third revolution (or an angular range of 120 °), cf. 4f.
  • a shaping optics 9 for the invention is shown in longitudinal section, in which the shaping optics 9 forms a ring-shaped (rotationally symmetrical) part 39 of a refractive axicon 40 in an annular partial area 15.
  • the reshaping optics 9 are formed on the rear side 27 with a truncated cone 41 about an axis (cone axis) A; the cone angle ⁇ ("axicon angle" in the refractive axicon) of the truncated cone 41 determines the angle at which the ring focus component is obtained in the reshaped laser beam 10 and also in the focused laser beam.
  • the rear side 27 of the transforming optics 9 is flat in a further sub-area 19; the sub-area 19 is thus “missing” for a complete refractive axicon 40.
  • the collimated laser beam 8 is directed coaxially to the axis A onto the front side 26 of the forming optics 9, and here for the most part illuminates the part 39 of the axicon 40, specifically in a rotationally symmetrical manner.
  • the collimated laser beam 8 strikes part 39 of the axicon 40 with an annular part 18 of its beam cross-section, whereby this part 18 of the beam cross-section is deflected and the ring focus portion is obtained in the focused laser beam; the ring focus portion is fully illuminated all around (not shown, but see FIG. 1b).
  • the collimated laser beam 8 illuminates the flat, further sub-area 19, that is to say an area 44 radially outside of the part 39, and accordingly remains undeflected; this results in the core focus area in the focused laser beam (not shown, but see FIG. 1b).
  • FIG. 5b shows a reshaping optics 9 for the invention, in which the reshaping optics 9 forms a complete conical casing around the axis A on the rear side 27, and accordingly forms a complete refractive axicon 42 in a partial area 15.
  • the rear side 27 of the reshaping optics 9 is flat.
  • the axicon 42 protrudes here with a conical projection from an otherwise flat substrate (glass substrate) 50 of the reshaping optics 9.
  • the beam cross-section of the collimated laser beam 8 is omitted with a first part 18 on the sub-area 15 or the axicon 42, whereby this part 18 of the beam cross-section is deflected and a ring focus portion is obtained in the focused laser beam; the ring focus portion is illuminated all the way around (not shown, cf. FIG. 1b).
  • Another, ring-shaped part 20 of the beam cross-section of the collimated laser beam 8 is omitted from the surrounding further sub-area 19, whereby this part 20 of the beam cross-section remains undeflected and results in a core focus portion in the focused laser beam (not shown, but see Fig. lb).
  • the refractory axicon 42 here has a first axicon angle range 51 in which the axicon angle is ß1; this first axicon angle area 51 lies here radially inward with respect to the axis A. Furthermore, the axicon 42 has a second axicon angle area 52 in which the axicon angle is ⁇ 2; this second axicon angle area 52 lies around the first axicon angle area 51 on the outside.
  • ß2> ßl is chosen.
  • the collimated laser beam 8 lights up with its part 18 of the beam cross-section both axicon angle areas 51, 52 of the axicon 42 at the same time, which results in two ring focus portions in the focused laser beam; the sub-area 20 in turn results in a core focus portion (not shown).
  • FIG. 5d likewise illustrates a reshaping optics 9 for the invention in longitudinal section, similar to the design of FIG. 5b, so that again only the essential differences are explained.
  • the refractory axicon 42 is formed here on the rear side 27 of the reshaping optics 9 by means of a cone-shaped recess 53 in the substrate (glass substrate) 50; This design of the axicon 42 is also referred to as "in verses axicon", which can be used in the context of the invention.
  • collimation optics 7 collimation lens 8 collimated laser beam
  • R direction (radial / transverse to the direction of beam propagation)
  • x location coordinate y location coordinate Z center a pitch angle / axicon angle in the diffractive axicon ß, ßl, ß2 cone angle / axicon angle in the refractive axicon

Landscapes

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

Abstract

Ein Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstücks (14), wobei - ein Laserstrahl (4) an einer Laserstrahlquelle (5) bereit gestellt wird, - der bereitgestellte Laserstrahl (4) mit einer Kollimationsoptik (6) kollimiert wird, - der kollimierte Laserstrahl (8) mit einer Umformoptik (9) umgeformt wird, und - der umgeformte Laserstrahl (10) mit einer Fokussieroptik (11) fokussiert und auf das zu schweißende Werkstück (14) gerichtet wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Umformoptik (9) zumindest einen Teilbereich (15) aufweist, in welchem zumindest ein Teil (33; 39) wenigstens eines Axicons (17; 25; 31; 34; 40; 42) ausgebildet ist, und dass der kollimierte Laserstrahl (8) zumindest mit einem Teil (18) seines Strahlquerschnitts (30) auf diesen Teilbereich (15) der Umformoptik (9) gerichtet ist. Die Erfindung schlägt ein Verfahren zum Laserschweißen vor, mit dem mit geringem Aufwand und kostengünstig eine Strahlformung erfolgen kann, insbe- sondere um eine gute Qualität einer Schweißnaht zu erzielen.

Description

Verfahren zum Laserschweissen eines Werkstücks, mit Strahlformuna mittels eines Axicons, und ootische Apparatur
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstücks, wobei
- ein Laserstrahl an einer Laserstrahlquelle bereit gestellt wird,
- der bereitgestellte Laserstrahl mit einer Kollimationsoptik kollimiert wird,
- der kollimierte Lasersstrahl mit einer Umformoptik umgeformt wird, und - der umgeformte Laserstrahl mit einer Fokussieroptik fokussiert und auf das zu schweißende Werkstück gerichtet wird.
Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der DE 102 61 422 Al bekannt ge worden.
Schweißen ist ein Fügeverfahren, mit dem Werkstückteile eines Werkstücks dau- erhaft miteinander verbunden werden können. Laserschweißen wird meist einge setzt, wenn mit hoher Schweißgeschwindigkeit, schmaler und schlanker Schweiß nahtform und mit geringem thermischem Verzug geschweißt werden soll. Beim Laserschweißen erfolgt die Energiezufuhr über einen Laserstrahl. Um Schweißnähte mit besonders hoher Qualität zu erhalten, ist es bekannt, eine Strahlformung am Laserstrahl einzusetzen.
Die DE 102 61 422 Al schlägt vor, einen kollimierten Laserstrahl mit einem Strahlteiler auf zwei Teilstrahlen aufzuteilen und diese Teillaserstrahlen mit zuei- nander versetzen Arbeitspunkten zu fokussieren.
Die DE 10 2010 003 750 Al schlägt vor, einen Laserstrahl in eine Doppelclad-Fa- ser einzukoppeln, um am Ausgang der Doppelclad-Faser einen Laserstrahl mit ei nem gefüllten Kreisprofil gemäß einem inneren Faserkern und einem Ringprofil gemäß einem äußeren Faserkern zu erhalten. Das Laserstrahl profil kann zum La serschweißen eingesetzt werden, wobei eine Anpassung an die jeweilige Applika tion erfolgen kann.
Die Bereitstellung einer Multiclad-Faser, etwa einer Doppelclad-Faser, sowie die Einkopplung des Laserstrahls in die Mutliclad-Faser sind vergleichsweise aufwän dig und teuer.
Aufgabe der Erfindung Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Laserschweißen vorzuschlagen, mit dem mit geringem Aufwand und kostengünstig eine Strahlformung erfolgen kann, insbesondere um eine gute Qualität einer Schweißnaht zu erzielen. Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Umformoptik zumindest einen Teilbereich aufweist, in welchem zumin dest ein Teil wenigstens eines Axicons ausgebildet ist, und dass der kollimierte Laserstrahl zumindest mit einem Teil seines Strahlquer schnitts auf diesen Teilbereich der Umformoptik gerichtet ist. Die vorliegende Erfindung schlägt vor, mittels beim Laserschweißen mittels we nigstens eines Axicons (oder eines Teils eines Axicons) den Laserstrahl einer Strahlformung zu unterziehen. Mittels des Axicons kann der kollimierte La serstrahl in eine Ringfläche (oder einen Teil einer Ringfläche) auf einem Werk stück fokussiert werden. Diese Ringfläche kann im Schweißprozess genutzt wer- den und den Schweißprozess günstig beeinflussen, insbesondere die Schmelz baddynamik verringern und beispielsweise eine Spritzerbildung und/oder eine Welligkeit der Schweißnaht reduzieren.
Ein Axicon ist ein vergleichsweise kostengünstiges optisches Bauteil, das mit ei- ner einfachen optischen Faser genutzt werden kann. Insbesondere ist keine teure Mutliclad-Faser oder eine aufwändige Einkopplung des Laserstrahls in eine be stimmte Teilfaser (oder mehrere Teilfasern) der Multiclad-Faser nötig, um den Laserstrahl (zumindest teilweise) in eine Ringfläche zu fokussieren. Das Axicon oder dessen Teil kann refraktiv oder diffraktiv ausgebildet sein. Ein refraktives Axicon umfasst eine konusmantelförmig (kegelmantelförmig) ausge bildete Oberfläche; das Material des Axicons ist für die Laserstrahlung transpa rent, aber lichtbrechend. Der Axicon-Winkel (hier Konuswinkel) bestimmt die Richtung, in der die Ringfläche erzeugt wird; die Breite der Ringfläche bestimmt sich über die Breite des am Axicon einfallenden, kollimierten Laserstrahls. Man beachte, dass das Axicon von einem Substrat hervorstehen kann, oder auch als Vertiefung in ein Substrat hinein gearbeitet sein kann („inverses Axicon"). Ein diffraktives Axicon umfasst periodisch angeordnete, konzentrische Ringbereiche mit jeweils in radialer Richtung ansteigenden oder abfallenden Konusmantelflä chen (Kegelmantelflächen), typischerweise eingerichtet als rotationssymmetri sches (radialsymmetrisches) Sägezahngitter; das Material des Axicons ist wiede rum für die Laserstrahlung transparent, aber lichtbeugend. Die Gitterperiode be stimmt über die so genannte Gittergleichung den Beugungswinkel, und die Aus richtung des Gitters legt die lokale Richtung des gebeugten Lichts senkrecht zur Gitterstruktur fest; dadurch ergibt sich insgesamt die Richtung, in der die zuge hörige Ringfläche erzeugt wird. In Kleinwinkelnäherung ergibt sich beim diffrakti- ven Axicon dessen Öffnungswinkel g aus der Gitterperiode P über R=l/((h-1)*g), mit n: Brechungsindex des Axiconmaterials, und l: (mittlere) Wellenlänge des Laserlichts. Man beachte weiterhin, dass die Gitterperiode mit dem Steigungs winkel des Sägezahngitters und dem an den Sägezahn-Stufen eingerichteten Phasensprung korelliert. Kleinere Gitterperioden resultieren in größeren Axicon- winkeln, und kleinere Gitterperioden resultieren in größeren Beugungswinkeln.
Ein (vollständiges) Axicon ist grundsätzlich rotationssymmetrisch ausgebildet und nimmt eine kreisförmige Fläche ein.
Bevorzugte Varianten der Erfindung
Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgese hen, dass die Umformoptik so ausgebildet ist und der kollimierte Laserstrahl so auf die Umformoptik gerichtet ist, dass der fokussierte Laserstrahl aufweist
- einen Kernfokus-Anteil, insbesondere wobei der Kernfokus-Anteil durch an der Umformoptik ungebeugte oder ungebrochene Laserstrahlung bereitgestellt ist, und
- wenigstens einen Ringfokus-Anteil, der den Kernfokus-Anteil auf einer Ringflä che oder einem Teil einer Ringfläche umgibt, insbesondere wobei der Ringfokus- Anteil durch an der Umformoptik am Axicon gebeugte oder gebrochene Laser strahlung bereitgestellt wird. Ein Strahlprofil mit einem (kreisflächenförmigen) Kernfokus- Anteil und wenigstens einem (kreisringförmigen) Ringfokus-Anteil ist in vielen Anwendungen des Laserschweißens von Vorteil, um ein ruhiges Schmelzbad mit geringer Spritzerbildung und eine geringe Welligkeit der resultie renden Schweißnaht zu erhalten, insbesondere wobei das Laserschweißen im Re gime des Tiefschweißens (mit Entstehung einer Dampfkapillare) erfolgt. Die fo kussierte Laserstrahlung hat vorteilhafter Weise ein doppeltes Top-hat-Profil; ty pischerweise ist die Intensität der Laserstrahlung innerhalb des Kernfokus-Anteils näherungsweise konstant und ebenfalls im Bereich des Ringfokus-Anteils (bzw. eines jeweiligen Ringfokus-Anteils) näherungsweise konstant. Mehrere Ringfoki können über mehrere Axicon-Winkel und/oder in radialer Richtung unterschiedli che Gitterperioden von Zonen von Ringbereichen des Axicons erreicht werden.
Ein Kernfokus-Anteil kann am Einfachsten dadurch bereit gestellt werden, dass nur ein Teil des Strahlquerschnitts des Laserstrahls auf das (wenigstens eine) Axicon (oder einen Teil eines Axicons) entfällt, und ein weiteren Teil des Strahl querschnitts nicht auf das (wenigstens eine) Axicon (oder den Teil des Axicons) entfällt. Alternativ ist es auch möglich, dass das Axicon den einfallenden Laser strahl nur unvollständig formt, insbesondere unvollständig beugt.
Bevorzugt ist eines Weiterentwicklung dieser Variante, bei eine integrierte Laser leistung des Kernfokus-Anteils wenigstens 25% der gesamten Laserleistung des fokussierten Laserstrahls beträgt. Dies hat sich zur Erreichung einer guten Naht qualität bei vielen Werkstückmaterialien, insbesondere im Tiefschweiß-Regime, bewährt. Meist liegt die integrierte Laserleistung des Kernfokus-Anteils zwischen 25% und 60%, bevorzugt zwischen 30% und 50% der gesamten Laserleistung.
Bevorzugt ist auch eine Weiterentwicklung, die vorsieht, dass die Umformoptik einen weiteren Teilbereich aufweist, der sich in einer Richtung R an den Teilbe reich anschließt, und dass zur Einstellung einer Verteilung der Laserleistung zwi schen dem Kernfokus-Anteil und dem wenigstens einen Ringfokus-Anteil die Um formoptik relativ zum kollimierten Laserstrahl in der Richtung R verfahren wird. Dies ist eine baulich einfache, kostengünstige und zuverlässige Möglichkeit, die Leistungsverteilung der Laserstrahlung zwischen dem Kernfokus-Anteil und dem (wenigstens einen) Ringfokus-Anteil aufzuteilen, insbesondere auch je nach An wendungsfall immer wieder unterschiedlich aufzuteilen. Ausführungsformen mit einem diffraktiven Axicon
Bevorzugt sieht eine Variante vor, dass der Teilbereich ein diffraktives Axicon aufweist, insbesondere wobei der kollimierte Laserstrahl mit seinem gesamten Strahlquer schnitt das diffraktive Axicon ausleuchtet, und insbesondere wobei der kollimierte Laserstrahl das diffraktive Axicon rotationssymmetrisch um ein Zentrum des Axi- cons ausleuchtet, und dass das diffraktive Axicon den kollimierten Laserstrahl einer reduzierten Phasenmodulation unterzieht. Über die reduzierte Phasenmodulation wird ein un gebeugter bzw. unabgelenkter Kernfokus-Anteil erzeugt („Regelung 0. Ord nung"). Dabei kann eine feste Leistungsverteilung zwischen einem Ringfokus-An teil und einem Kernfokus-Anteil eingestellt werden; es ist nicht nötig, den Strahl- querschnitt des (kollimierten) Laserstrahls in der Umformoptik für die Leistungs verteilung auf eine bestimmte Weise aufzuteilen, was das Verfahren und den zu gehörigen optischen Aufbau vereinfacht.
Bei einer bevorzugten Weiterentwicklung dieser Variante weist zur Einrichtung der reduzierten Phasenmodulation das diffraktive Axicon um ein Zentrum des Axicons periodisch angeordnete, konzentrische Ringbereiche mit jeweils in radia ler Richtung ansteigenden oder abfallenden Konusmantelflächen auf, wobei je weils an einer Stufe von einem konzentrischen Ringbereich zum nächsten kon zentrischen Ringbereich ein Phasensprung PHS von weniger als 2p eingerichtet ist, insbesondere mit p/2 < PHS < 3p/2, bevorzugt 2,5 rad < PHS < 3 rad. Aus dem „unvollständigen" Phasensprung an einer jeweiligen Stufe ergibt sich eine unvollständige Beugung des (kollimierten) Laserstrahls in den Ringfokus-Anteil, und entsprechend ein verbleibender Anteil des Laserstrahls bzw. der Laserleis tung in den Kernfokus-Anteil. Der Phasensprung PHS ergibt sich aus der Höhe H der Stufe (in Strahlausbreitungsrichtung), der Wellenlänge l der Laserstrahlung und der Brechungsindexdifferenz An des Materials des Axicons (meist Glas) zur Umgebung (meist Luft) (bei der Wellenlänge l der Laserstrahlung), mit RH5=2p*Dh*H/l. Ein Phasensprung PHS < 3 rad resultiert in einem vergleichs weise großen Anteil von Laserleistung für den Kernfokus-Bereich, was beim La serschweißen für eine gute Nahtqualität meist bevorzugt ist. Ohne reduzierte Phasenmodulation würde der Phasensprung an einer Stufe eines diffraktiven Axi- cons jeweils 2 p betragen. Der Leistungsanteil im Kernanteil bestimmt sich über die Ätztiefe (Höhe H) im Vergleich zur Wellenlänge der Laserstrahlung. Nähe rungsweise gilt für den Leistungsanteil Po, der ein Gitter mit der Stufenhöhe (Git tertiefe) H unmoduliert passiert (Leistungsanteil nullter Ordnung, entsprechend dem Leistungsanteil des Kernanteils):
Figure imgf000009_0001
mit der maximalen Gittertiefe Hmax mit Hmax=Ä/(n-l), weiter mit n: Brechungsin dex des Axicon-Materials, und mit P: Gesamtlaserleistung, und wobei die Stufen höhe H von 0 bis Hmax beträgt. Liegt H bei Hmax, so beträgt der Phasensprung an einer jeweiligen Stufe 2p und es wird alles Licht moduliert, und Po=0. Liegt H bei null, so ist kein Gitter mehr vorhanden, und Po=P. Im Rahmen dieser Weiterent wicklung wird die Stufenhöhe H dazwischen, also mit 0<H<Hmax gewählt.
Ausführungsformen mit Axiconarray
Bei einer bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass der Teilbereich der Um formoptik eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Axicons aufweist, dass der Teil des Strahlquerschnitts des kollimierten Laserstrahls mehrere der Axicons des Teilbereichs ganz oder teilweise ausleuchtet, und dass ein weiterer Teil des Strahlquerschnitts des kollimierten Laserstrahls von den Axicons unbeeinflusst bleibt. Durch Ausleuchtung von mehreren Axicons mit einem Teil des Strahlquerschnitts, typischerweise größtenteils jeweils ganz, oder auch teilweise bei unterschiedlichen jeweiligen beleuchteten Winkel-Aus schnitten der Axicons, kann eine im Wesentlichen gleichmäßige Ausleuchtung des Ringfokus-Anteils bzw. der Ringfläche auf dem Werkstück erreicht werden. Mit dem weiteren Teil des Strahlquerschnitts kann der Kernfokus-Anteil ausgeleuch tet werden. Die Aufteilung des Strahlquerschnitts zwischen dem (ersten) Teil und dem weiteren (zweiten) Teil bestimmt die Leistungsverteilung, ggf. einstellbar über eine Verstelleinrichtung der Umformoptik relativ zum Laserstrahl. Die Axi cons im Teilbereich können auf einem Gitter angeordnet sein (typischerweise wo bei alle Axicons gleich groß sind), insbesondere auf einem kartesischen Gitter o- der einem hexagonalen Gitter, oder auch zufällig angeordnet sein (wobei die Axi cons gleich groß oder auch unterschiedlich groß sein können). Bei Verwendung mehrerer Axicons („Axiconarray") werden die Axicons typischerweise auf einem gemeinsamen Substrat aufgebracht.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung dieser Variante sind die nebeneinander an geordneten Axicons als refraktive Axicons ausgebildet. Dies ist baulich besonders einfach möglich.
Ausführungsformen mit Teilaxicon
Bei einer anderen, bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass der Teilbereich le diglich einen Teil eines Axicons aufweist, dass der Teil des Strahlquerschnitts des kollimierten Laserstrahls den Teil des Axicons ganz oder teilweise ausleuchtet, und dass ein weiterer Teil des Strahlquerschnitts von dem Teil des Axicons unbe einflusst bleibt. Durch das ganze oder teilweise Ausleuchten (nur) des Teils eines Axicons kann der (erste) Teil des Strahlquerschnitts einen entsprechenden Teil einer Ringfläche (also in eine unvollständige Ringfläche) fokussiert werden; dies kann bei Laserschweiß-Anwendungen vorteilhaft für die Nahtqualität oder die Spritzerbildung sein. Über den weiteren (zweiten) Teil des Strahlquerschnitts kann der Kernfokus ausgeleuchtet werden. Auch bei dieser Variante ist eine Leis tungsaufteilung über die Relativposition von Umformoptik und kollimierten Laser strahl möglich.
Bei einer bevorzugten Weiterentwicklung dieser Variante umfasst der Teil des Axicons ein sektorförmiger Teil des Axicons, bevorzugt wobei der sektorförmige Teil einen Winkelbereich zwischen 90° und 270°, besonders bevorzugt zwischen 130° und 230°, ganz besonders bevorzugt von 180° umfasst. Dadurch kann ein entsprechender sektorförmiger Teil einer Ringfläche bzw. ein entsprechender Ringfokus ausgeleuchtet werden („Ringsegmentfokus"); die Größe des Axicon- Winkelsegments (Axicon-Winkelbereichs) bestimmt die Größe des Segmentfokus (Ringflächen-Winkelbereichs). Mit einem Winkelbereich von 180° kann ein halb ringförmiger Ringfokus eingerichtet werden, der typischerweise im Schweißpro zess in Vorschubrichtung dem Kernfokus vorausläuft, und dadurch das Schmelz bad vorbereitet, so dass der Kernfokus eine Dampfkapillare in bereits aufge schmolzenem Werkstückmaterial erzeugen kann. Mit einem Winkelberiech von 180°, also einem halbringförmigen Ringfokus-Anteil, kann zudem besonders ein fach eine Leistungsverteilung zwischen dem Ringfokus-Anteil und dem Kernfo- kus-Anteil durch relative Verschiebung von Umformoptik und Laserstrahl erreicht werden.
Variante mit Strahlanteil, der ein Axicon oder ein Teil eines Axicons rotations symmetrisch ausleuchtet
Vorteilhaft ist auch eine Variante, die vorsieht, dass der Teilbereich lediglich ein Axicon oder lediglich einen Teil eines Axicons umfasst, dass der Teil des Strahlquerschnitts, der auf den Teilbereich gerichtet ist, das Axicon oder den Teil des Axicons rotationssymmetrisch ausleuchtet, und dass ein weiterer Teil des Strahlquerschnitts vom Axicon oder dem Teil des Axicons unbe einflusst bleibt. Die rotationssymmetrische Ausleuchtung des Axicons (oder eines typischerweise rotationssymmetrischen und/oder ringförmigen Teils eines Axi cons) mit dem (ersten) Teil des Strahlquerschnitts erzeugt eine vollständig (um laufend) ausgeleuchtete Ringfläche bzw. einen vollständig (umlaufend) ausge leuchteten Ringfokus. Der weitere (zweite) Teil des Strahlquerschnitts erzeugt den Kernfokus. Bei dieser Variante kann ein besonders kompakter Bau der Um formoptik erreicht werden; sie ist insbesondere für vergleichsweise schmale Ringfoki gut geeignet. Eine Weiterentwicklung dieser Variante sieht vor, dass der weitere Teil des Strahlquerschnitts einen Bereich radial innerhalb eines ringförmigen Teils eines Axicons und/oder einen Bereich radial außerhalb des Axicons oder des Teils des Axicons umfasst. Dadurch kann auf kleinem Bauraum auf einfache Weise der Kernfokus- Anteil eingerichtet werden.
Erfindungsgemäße optische Apparatur
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine optische Apparatur zum Laserschweißen eines Werkstücks, insbesondere ausgebildet zur Durchfüh rung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend
- eine Laserstrahlquelle zum Bereitstellen eines Laserstrahls,
- eine Kollimationsoptik zum Kollimieren des bereitgestellten Laserstrahls der La serstrahlquelle,
- eine Umformoptik zum Umformen des kollimierten Laserstrahls, und
- eine Fokussierungsoptik zum Fokussieren des umgeformten Laserstrahls und zum Richten des fokussierten Laserstrahls auf das zu schweißende Werkstück, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Umformoptik zumindest einen Teilbereich aufweist, in welchem zumin dest ein Teil wenigstens eines Axicons ausgebildet ist. Mittels des wenigstens ei nen Axicons oder Teils eines Axicons kann eine Strahlumformung mit Erzeugung eines Ringfokus auf einfache Weise und kostengünstig eingerichtet werden. Zu dem ist es leicht möglich, zusätzlich einen Kernfokus zu erzeugen. Mittels der Strahlumformung kann eine Anpassung an eine konkrete Laserschweiß-Anwen dung erfolgen, insbesondere zur Optimierung der Qualität der Schweißnaht, etwa in Hinblick auf mechanische Festigkeit oder Welligkeit, oder auch zur Minimierung von Spritzerbildung während des Schweißprozesses. Die optische Apparatur kann insbesondere zur Ausführung eines oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden. Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Apparatur sieht vor, dass die Umformoptik ausgebildet ist mit
- in dem Teilbereich einem diffraktiven Axicon, ausgebildet für eine reduzierte Phasenmodulation des kollimierten Laserstrahls, insbesondere aufweisend zu ei nem Zentrum des Axicons konzentrische Ringbereiche mit jeweils in radialer Richtung ansteigenden oder abfallenden Konusmantelflächen, wobei jeweils an einer Stufe von einem konzentrischen Ringbereich zum nächsten konzentrischen Ringbereich ein Phasensprung PHS von weniger als 2p eingerichtet ist, oder
- in dem Teilbereich einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Axicons und einem weiteren Teilbereich ohne Axicons, oder
- in dem Teilbereich lediglich einem Teil eines Axicons und einem weiteren Teil bereich ohne Axicons, insbesondere wobei der Teil des Axicons ein sektorförmi ger Teil des Axicons ist, oder
- in dem Teilbereich lediglich einem Axicon oder lediglich einem Teil eines Axi cons, wobei die optische Apparatur so eingerichtet ist, dass der kollimierte Laser strahl mit einem Teil seines Strahlquerschnitts das Axicon oder den Teil des Axi cons rotationssymmetrisch ausleuchtet, und ein weiterer Teil des Strahlquer schnitts des kollimierten Laserstrahls vom Axicon oder dem Teil des Axicons un beeinflusst bleibt. Mit dieser Ausführungsform ist es auf einfache Weise Möglich, neben dem Ringfokus-Anteil auch einen Kernfokus-Anteil im fokussierten und auf das Werkstück gerichteten Laserstrahl zu erhalten.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Ausführungsform, die vorsieht, dass die Umformoptik einen weiteren Teilbereich ohne Axicons umfasst, der sich in einer Richtung R an den Teilbereich anschließt, und dass eine Verstelleinrichtung, insbesondere moto rische Verstelleinrichtung, vorgesehen ist, mit der die Umformoptik relativ zum kollimierten Laserstrahl zumindest in der Richtung R verstellbar ist. Durch die Verstelleinrichtung bzw. eine entsprechende relative Verschiebung von Um formoptik und kollimiertem Laserstrahl ist es möglich, die auf (wenigstens) einen Ringfokus und auf einen Kernfokus entfallenden Leistungsanteile des Laserstrahls einzustellen und an die konkrete Bearbeitungs-Anwendung anzupassen. Bevorzugt ist zudem eine Ausführungsform, bei der innerhalb wenigstens eines Axicons das Axicon mehrere Axiconwinkel und/oder mehrere Gitterperioden eines Ringbereichprofils aufweist. Dadurch ist es möglich, mehrere Ringfoki zu erzeu gen, wodurch das Strahlprofil des Laserstrahls noch weiter an eine konkrete Be arbeitungs-Anwendung angepasst werden kann. Man beachte, dass mehrere Axi conwinkel bzw. mehrere Gitterperioden eines Ringbereichprofils insbesondere auch in den jeweiligen Axicons eines Axiconarrays eingesetzt werden können, insbesondere wenn das Axiconarray ein regelmäßiges Gitter von Axicons ausbil det. Eine jeweilige Einheitszelle des Gitters erzeugt dann Beiträge zu mehreren Ringfoki (oder Teilen davon) gemäß den mehreren Axiconwinkeln bzw. Gitterpe rioden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeich nung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführ ten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in be liebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, son dern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
Fig. la zeigt einen schematischen Längsschnitt einer Ausführungsform einer er- findungsmäßen Apparatur zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver fahrens;
Fig. lb zeigt einen schematischen Querschnitt eines fokussierten Laserstrahls ge mäß der Erfindung;
Fig. lc zeigt schematisch eine beispielhafte Intensitätsverteilung entlang einer zentralen Schnittrichtung x eines fokussierten Laserstrahls gemäß der Er findung; Fig. 2a zeigt schematisch ein Querschnittsprofil eines diffraktiven Axicons einer Umformoptik für die Erfindung, wobei das diffraktive Axicon eine redu zierte Phasenmodulation aufweist;
Fig. 2b zeigt schematisch die Phasenverschiebung im Querschnitt eines Laser strahls durch das Passieren einer Umformoptik mit diffraktivem Axicon mit reduzierter Phasenmodulation entsprechend Fig. 2a, für die Erfin dung;
Fig. 2c zeigt schematisch die Intensitätsverteilung im Querschnitt eines Laser strahls nach der Umformung von Fig. 2b nach dem Fokussieren;
Fig. 3a zeigt schematisch die Phasenverschiebung im Querschnitt Laserstrahls durch das Passieren einer Umformoptik, die in einem Teilbereich mehrere diffraktive Axicons ausbildet, und in einem weiteren Teilbereich keine Axi cons ausbildet, für die Erfindung;
Fig. 3b zeigt schematisch die Phasenverschiebung im Querschnitt des Laser strahls durch Passieren einer Umformoptik, die in einem Teilbereich meh rere refraktive Axicons auf einem kartesischen Gitter ausbildet, und in ei nem weiteren Teilbereich keine Axicons ausbildet, für die Erfindung;
Fig. 3c zeigt schematisch die Intensitätsverteilung im Querschnitt des Laser strahls nach der Umformung von Fig. 3a oder 3b nach dem Fokussieren;
Fig. 3d zeigt schematisch die Phasenverschiebung im Querschnitt des Laser strahls durch Passieren einer Umformoptik, die in einem Teilbereich meh rere refraktive Axicons auf einem hexagonalen Gitter ausbildet, und in ei nem weiteren Teilbereich keine Axicons ausbildet, für die Erfindung; Fig. 3e zeigt schematisch die Phasenverschiebung im Querschnitt des Laser strahls durch Passieren einer Umformoptik, die in einem Teilbereich meh rere refraktive Axicons in statistischer Anordnung ausbildet, und in einem weiteren Teilbereich keine Axicons ausbildet, für die Erfindung;
Fig. 4a zeigt schematisch die Phasenverschiebung im Querschnitt eines Laser strahls durch das Passieren einer Umformoptik, die in einem Teilbereich einen 180° umfassenden Teil eines diffraktiven Axicons ausbildet, und in einem weiteren Teilbereich keine Axicons ausbildet, für die Erfindung;
Fig. 4b zeigt schematisch die Intensitätsverteilung im Querschnitt des Laser strahls nach der Umformung von Fig. 4a nach dem Fokussieren;
Fig. 4c zeigt schematisch die Phasenverschiebung im Querschnitt eines Laser- Strahls durch das Passieren einer Umformoptik, die in einem Teilbereich einen 180° umfassenden Teil eines diffraktive Axicons ausbildet, wobei in einer inneren Zone des Axicons die Gitterperiode größer ist als in einer äußeren Zone des Axicons, und wobei die Umformoptik in einem weiteren Teilbereich keine Axicons ausbildet, für die Erfindung;
Fig. 4d zeigt schematisch die Intensitätsverteilung im Querschnitt des Laser strahls nach der Umformung von Fig. 4c nach dem Fokussieren;
Fig. 4e zeigt schematisch die Phasenverschiebung im Querschnitt eines Laser- Strahls durch das Passieren einer Umformoptik, die in einem Teilbereich einen 120° umfassenden Teil eines diffraktiven Axicons ausbildet, und in einem weiteren Teilbereich keine Axicons ausbildet, für die Erfindung;
Fig. 4f zeigt schematisch die Intensitätsverteilung im Querschnitt des Laser strahls nach der Umformung von Fig. 4e nach dem Fokussieren; Fig. 5a zeigt einen schematischen Längsschnitt einer Umformoptik für die Erfin dung, die einen ringförmigen Teil eines refraktiven Axicons ausbildet, und in einem Bereich im Zentrum des ringförmigen Teils eben ausgebildet ist;
Fig. 5b zeigt einen schematischen Längsschnitt einer Umformoptik für die Erfin dung, die in einem Teilbereich ein refraktives Axicon ausbildet, welches von einem Teil des Strahlquerschnitts des Laserstrahls ausgeleuchtet wird, und wobei ein weiterer Teil des Strahlquerschnitts radial um das re- fraktive Axicon herum einen ebenen, ringförmigen weiteren Teilbereich der Umformoptik ausleuchtet;
Fig. 5c zeigt einen schematischen Längsschnitt einer Umformoptik für die Erfin dung, die mit einem refraktiven Axicon ausgebildet ist, bei dem zwei ver schiedene Axiconwinkel eingerichtet sind;
Fig. 5d zeigt einen schematischen Längsschnitt einer Umformoptik für die Erfin dung, die mit einem refraktiven Axicon ausgebildet ist, welches als Ver tiefung in einem Substrat ausgebildet ist.
Die Fig. la zeigt in einem schematischen Längsschnitt eine beispielhafte Ausfüh rungsform einer optischen Apparatur 1 für die Erfindung, und insbesondere zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserschweißen; dieser Aufbau kann entsprechend für alle weiteren vorgestellten Ausführungsformen und Varianten angewandt werden.
Aus einem Lichtleitkabel 2 tritt an einem Ende 3 ein Laserstrahl 4 aus. Das Ende 3 des Lichtleitkabels 2 dient insoweit als eine Laserstrahlquelle 5. Der bereitge stellte Laserstrahl 4 wird mittels einer Kollimationsoptik 6, hier einer einzelnen Kollimationslinse 7, kollimiert, wodurch ein kollimierter Laserstrahl 8 erhalten wird. Der kollimierte Laserstrahl 8 passiert eine für die Laserstrahlung transpa rente Umformoptik 9, welcher den kollimierten Laserstrahl 8 umformt, typischer- weise durch Lichtbrechung oder Lichtbeugung, wodurch ein umgeformter Laser strahl 10 erhalten wird. Der umgeformte Laserstrahl 10 passiert eine Fokussier optik 11, hier eine einzelne Fokussierlinse 12, wodurch ein fokussierter Laser strahl 13 erhalten wird. Der fokussierte Laserstrahl 13 wird auf ein zu schweißen- des Werkstück 14, typischerweise am Stoß von zwei Werkstückteilen des zu schweißenden Werkstücks 14, gerichtet. Der Fokus des fokussierten Laserstrahls 13 liegt dabei typischerweise auf oder nahe bei der Oberfläche des Werkstücks 14. Die Umformoptik 9 weist erfindungsgemäß einen Teilbereich 15 auf, in welchem wenigstens ein Axicon oder wenigstens ein Teil eines Axicons ausgebildet ist. In der gezeigten Ausführungsform sind in dem Teilbereich 15 im gezeigten Längs schnitt drei nebeneinander liegende Axicons 17 ausgebildet. Der kollimierte La serstrahl 8 ist zumindest mit einem Teil 18 seines Strahlquerschnitts auf diesen Teilbereich 15 der Umformoptik 9 gerichtet. In der gezeigten Ausführungsform werden im Längsschnitt durch den Teil 18 des Strahlquerschnitts zwei der drei Axicons 17 ausgeleuchtet. Die hier refraktiven Axicons 17 weisen jeweils eine ke gelmantelförmige Oberfläche an der Rückseite 27 der Umformoptik 9 auf, wobei die jeweilige kegelmantelförmige Oberfläche rotationssymmetrisch um eine je- weilige lokale Kegelachse 16 liegt; die Kegelachse 16 liegt parallel zur Strahlaus breitungsrichtung des kollimierten Laserstrahls 8. Die Umformoptik 9 ist typi scherweise aus Glas gefertigt.
In der gezeigten Ausführungsform weist die Umformoptik 9 auch einen weiteren Teilbereich 19 auf, der ohne Axicons ausgebildet ist, hier mit einer ebenen Ober fläche an der Rückseite 27 der Umformoptik 9. Ein weiterer Teil 20 des Strahl querschnitts des kollimierten Laserstrahls 8 leuchtet diesen weiteren Teilbereich 20 der Umformoptik 9 aus. Der weitere Teilbereich 19 schließt sich in einer Rich tung R quer zur Strahlausbreitungsrichtung des kollimierten Laserstrahls 8 an den Teilbereich 15 an. In der gezeigten Ausführungsform ist die Umformoptik 9 mittels einer motorischen Verstelleinrichtung 21 in der Richtung R relativ zur üb rigen optischen Anordnung 1 verstellbar. Der auf den Teilbereich 15 entfallende Teil 18 des Strahlquerschnitts des kolli- mieten Laserstrahls 8 erzeugt im Strahlprofil des fokussierten Laserstrahls 13 ei nen Ringfokus-Anteil, und der auf den Teilbereich 19 entfallende weitere Teil 19 des Strahlquerschnitts erzeugt im Strahlprofil des fokussierten Laserstrahls 13 einen Kernfokus-Anteil, wie nachfolgend erläutert wird.
Die Fig. lb illustriert schematisch ein typisches Strahlprofil eines fokussierten Laserstrahls im Rahmen der Erfindung, wie es beispielsweise mit der in Fig. la dargestellten optischen Apparatur 1 erzeugt werden kann, und auf der Oberflä- che des Werkstücks 14 zum Laserschweißen genutzt werden kann.
Das Strahlprofil weist zumindest einen Ringfokus-Anteil 22 auf, der in einer (kreisringförmigen) Ringfläche 23 oder einem Teil einer (kreisringförmigen) Ring fläche Laserleistung bereitgestellt wird. In der gezeigten Ausführungsform ist die Ringfläche 23 vollständig umlaufend (über 360°) ausgeleuchtet. Weiterhin weist das Strahlprofil einen Kernfokus-Anteil 24 auf, der radial innerhalb der Ringfläche 23 liegt, und der Laserleistung in einer Kreisfläche 24a zur Verfügung stellt. In der gezeigten Variante schließt sich der Kernfokus-Anteil 24 direkt radial innen an den Ringfokus-Anteil 22 an; alternativ ist es auch möglich, dass zwischen dem Ringfokus-Anteil und dem Kernfokus-Anteil eine von Laserstrahlung unbeleuch tete (oder nur schwach beleuchtete) Zwischenzone eingerichtet ist (nicht näher dargestellt, vgl. aber z.B. Fig. 4b). Man beachte außerdem, dass alternativ auch mehrere konzentrische Ringfokus-Anteile vorgesehen sein können (nicht näher dargestellt, vgl. aber Fig. 4d).
Die Fig. lc zeigt stellt in einem Diagramm die lokale Laserintensität I (Laserleis tung pro Fläche) als Funktion des Ortes x, entlang einer Schnittrichtung senk recht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls, für das Strahlprofil von Fig. lb dar. Die Laserintensität weist ein doppeltes „top hat"-Profil auf. Die Laserintensi- tät innerhalb des Kernfokus-Anteils 24 weist einen im Wesentlichen konstanten, ersten hohen Wert IK auf; meist schwankt der Wert von IK um nicht mehr als 25% um seinem Mittelwert. Die Laserintensität innerhalb des Ringfokus-Anteils 22weist einen im Wesentlichen konstanten, zweiten niedrigeren Wert IR auf; meist schwankt der Wert von IR um nicht mehr als 25% um seinem Mittelwert.
In der gezeigten Variante gilt ca. IK=3,5*IR; allgemein gilt meist IK>3*IR, oft IK>6*IR. Für die über die Fläche des jeweiligen Fokus-Anteils integrierte Laser leistung gilt hier ca. LK=LR; allgemein gilt meist LK>0,5*(LR+LK), mit LK: Inte grierte Laserleistung im Kernfokus-Anteil 24, und LR: integrierte Laserleistung im Ringfokus-Anteil 22 (ggf. allen Ringfokus-Anteilen). Die Fig. 2a zeigt einen schematischen Querschnitt eines diffraktiven Axicons 25 einer Umformoptik für die Erfindung. Das Axicon 25 ist auf einer Vorderseite 26 (Einfallsseite für den Laserstrahl) eben ausgebildet, und an einer Rückseite 27 (Ausfallseite für den Laserstrahl) mit einer Vielzahl von zu einer zentralen Achse A (die ein radiales Zentrum Z des Axicons 25 definiert) konzentrischen Ringberei- chen 28, die in radialer Richtung R von der zentralen Achse A weg jeweils abfal lende Konusmantelflächen aufweisen, ausgebildet. Im Querschnitt ergibt sich dadurch ein rotationssymmetrisches, periodisches Sägezahngitter. Die Konus mantelflächen im Querschnitt bzw. die Sägezähne weisen eine radiale Breite B auf („Gitterperiode" des Sägezahngitters), und an den jeweiligen Stufen 29 zwi- sehen zwei benachbarten Ringbereichen 28 ändert sich die axiale Dicke des Axi cons 25 um die Höhe H. Die Breite B und die Höhe H korrelieren mit einem Stei gungswinkel a des Sägezahngitters gemäß H/B=tan(a); der Steigungswinkel a eines diffraktiven Axicons kann auch als „Axiconwinkel" bezeichnet werden. Bei einem herkömmlichen Axicon 25 wird die Höhe H an einer Stufe 29 typischer weise so gewählt, dass sich für die Laserstrahlung der (mittleren) Wellenlänge l eine Phasensprung PHS an der Stufe 29 ergibt mit RH5 = 2p*Dh*H/l=2p, mit An: Differenz der Brechungsindeces (bei der Wellenlänge l) des Materials des Axi cons 25 (meist Glas) und der Umgebung (meist Luft). Im Rahmen der Erfindung wird ein Phasensprung PHS = 2n typischerweise dann eingerichtet, wenn die Um formoptik zusätzlich zum Teilbereich mit wenigstens einem Axicon oder eines Teils davon auch ein weiterer Teilbereich ohne Axicon eingerichtet ist. In der hier vorgestellten Variante ist die Höhe H der Stufe 29 so bemessen, dass der sich an einer Stufe 29 ergebende Phasensprung PHS kleiner als 2p ist, hier mit ca. PHS = 2,5 rad („reduzierte Phasenmodulation"); allgemein bevorzugt gilt hierfür PHS < 3 rad. Das Axicon 25 weist also eine „unvollständige" Ätztiefe ge- genüber einem herkömmlichen diffraktiven Axicon auf.
Die Fig. 2b illustriert beispielhaft die durch das Axicon 25 mit reduzierter Pha senmodulation entsprechend Fig. 2a bei einer Umformoptik 9 eingerichtete lokale Phasenänderung f einer passierenden Laserstrahlung als Funktion des Ortes (Ortskoordianten x, y) im Strahlquerschnitt; die Helligkeit illustriert die lokalen Phasenänderung f. Beispielshaft ist die Abdeckung eines typischen Strahlquer schnitts 30 am Axicon 25 im Rahmen der Erfindung eingezeichnet; der Strahl querschnitt liegt hier vollständig innerhalb und zentral im Axicon 25. Die größte Phasendifferenz des Axicons 25 an einer jeweiligen Stufe beträgt hier ca. 2,5 rad.
Die Fig. 2c zeigt die Intensität I (illustriert über die Helligkeit) des aus der Strahl-Umformung von Fig. 2b resultierenden fokussierten Laserstrahls als Funk tion des Ortes (Ortskoordinaten x, y) im Strahlquerschnitt. Wie aus der Fig. 2c ersichtlich ist, sorgt der „unvollständige" Phasensprung an den Stufen 29 für eine unvollständige Beugung des Laserstrahls in den Ringfokus-Anteil 22; der Ring- Fokusanteil 22 ist jedoch voll (über 360°) umlaufend ausgeleuchtet. Ein erhebli cher Anteil des Laserstrahls wird nicht gebeugt und verbleibt unabgelenkt als ein zentraler Kernfokus-Anteil 24. Die Fig. 3a illustriert die durch eine Umformoptik 9 eingerichtete lokale Pha senänderung f (illustriert durch die Helligkeit) im Strahlquerschnitt 30 eines La serstrahls in einer Variante, bei der ein Teilbereich 15 der Umformoptik 9 eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten diffraktiven Axicons 31 aufweist, und bei der in einem weiteren Teilbereich 19 ohne Axicons die Phase gleich bleibt. Die diffraktiven Axicons 31 weisen jeweils Phasensprünge von 2p an ihren Stufen auf; entsprechend variiert die Phasenänderung zwischen -3.14 rad und +3,14 rad. Der Strahlquerschnitt 30 beleuchtet hier mit seinem linken Teil (linke Hälfte) den Teilbereich 15 über eine Vielzahl von Axicons 31, und mit seinem weiteren rechten Teil (rechte Hälfte) den weiteren Teilbereich 19.
Wie im Intensitätsbild (Strahlprofil) des resultierenden fokussierten Laserstrahls von Fig. 3c ersichtlich, sorgt die Ausleuchtung im Teilbereich 15 für eine Beu gung des zugehörigen Anteils der Laserstrahlung in einen (voll umlaufenden) Ringfokus-Anteil 22 der fokussierten Laserstrahlung, und die Ausleuchtung im Teilbereich 19 für einen unabgelenkten Anteil der Laserstrahlung, die in der fo kussierten Laserstrahlung den Kernfokus-Anteil 24 bildet. Die Laser-Intensität I ist hier wieder über die Helligkeit illustriert.
Durch relatives Verfahren der Umformoptik 9 gegenüber dem Strahlquerschnitt 30 in Richtung R in Fig. 3a kann die Verteilung der Laserleistung auf den Ringfo- kus-Anteil 22 und den Kernfokus-Anteil 24 geändert bzw. eingestellt werden.
Anstelle von diffraktiven Axicons können auch nebeneinander angeordnete re- fraktive Axicons 17 im Teilbereich 15 der Umformoptik 9 eingesetzt werden, wie in Fig. 3b dargestellt; dargestellt ist hier die lokale Phasenänderung f (illustriert über die Helligkeit) der Umformoptik 9 im Bereich des Strahlquerschnitts 30 des Laserstrahls; die lokale Phasenänderung entspricht im Wesentlichen einer lokalen axialen Höhe. In einem weiteren Teilbereich 19 sind wiederum keine Axicons ausgebildet. Die refraktiven Axicons 17 weisen jeweils eine (ungestufte) kegel mantelförmige Oberfläche auf, mit der lokalen Kegelachse senkrecht zur Zei chenebene. Im Teilbereich 15 liegen eine Vielzahl von refraktiven Axicons 17 (vgl. hierzu auch Fig. la).
Diese Umformoptik 9 ergibt ebenfalls eine Intensitätsverteilung entsprechend der Darstellung von Fig. 3c. Die Ausleuchtung im Teilbereich 15 von Fig. 3b sorgt für eine Brechung des zugehörigen Anteils der Laserstrahlung in einen (voll umlau- fenden) Ringfokus-Anteil 22 der fokussierten Laserstrahlung, und die Ausleuch tung im Teilbereich 19 für einen unabgelenkten Anteil der Laserstrahlung, die in der fokussierten Laserstrahlung den Kernfokus-Anteil 24 bildet. In der Variante von Fig. 3b sind die refraktiven Axicons 17 in einem kartesischen Gitter angeordnet. Man beachte, dass die nebeneinander angeordneten Axicons 17 im Teilbereich 15 der Umformoptik 9 alternativ auch in einem hexagonalen Gitter angeordnet sein können, vgl. die lokale Phasenänderung f im Bereich des Strahlquerschnitts 30 von Fig. 3d. Ebenso ist es möglich, nebeneinander ange ordnete Axicons im Teilbereich 15 der Umformoptik 9 auch statistisch (zufällig) anzuordnen und dabei auch unterschiedlich große Axicons 17 (jedoch bevorzugt mit identischem Axiconwinkel) zu wählen, vgl. die lokale Phasenänderung f im Bereich des Strahlquerschnitts von Fig. 3e. In beiden Fällen ergibt sich wiede- rum eine Intensitätsverteilung entsprechend der Fig. 3c.
Die Fig. 4a zeigt die durch eine Umformoptik 9 eingerichtete lokale Phasenände rung f (illustriert durch die Helligkeit) im Bereich des Strahlquerschnitts 30 eines Laserstrahls in einer Variante, bei der ein Teilbereich 15 der Umformoptik 9 einen Teil 33 eines (hier) diffraktiven Axicons 34 aufweist, und bei der in einem weite ren Teilbereich 19 die Phase gleich bleibt. Der Teil 33 des Axicons 34 besteht hier aus einem 180°-Sektor eines (hier nicht eingerichteten, vollständigen) diffrakti ven Axicons 34, und der Phasensprung an Stufen des diffraktiven Axicons 34 be trägt hier 2p. Der Strahlquerschnitt 30 beleuchtet hier mit seinem linken Teil (linke Hälfte) den Teilbereich 15 über einen Innenbereich des Teils 33 des Axi cons 34, und mit seinem weiteren rechten Teil (rechte Hälfte) den weiteren Teil bereich 19.
Fig. 4b zeigt die Intensität I (illustriert als Helligkeit) im Querschnitt des resul- tierenden, fokussierten Laserstrahls. Der Teil des Strahlquerschnitts 30, der in Fig. 4a auf den Teilbereich 15 des Teils 33 des Axicons 34 entfällt, erzeugt einen Ringfokus-Anteil 22, der einem Teil einer Ringfläche 35, nämlich einer halben Ringfläche entsprechend einem halben Umlauf (bzw. einem Winkelbereich von 180°) entspricht. Der weitere Teil des Strahlquerschnitts 30 aus Fig. 4a, der auf den weiteren Teilbereich 19 entfällt, resultiert in einem Kernfokus-Anteil 24, wel cher eine Kreisfläche 24a vollständig und näherungsweise gleichmäßig ausfüllt. Wenn in der Umformoptik 9 in dem Teil 33 des diffraktiven Axicons 34 sich die Gitterperiode der Ringbereiche von einer ersten Zone 36 zu einer zweiten Zone 37 ändert, wie in Fig. 4c dargestellt, so resultieren im Querschnitt des fokussier ten Laserstrahls mehrere Ringfokus-Anteile 22, 38 an unterschiedlichen radialen Positionen, wie im Intensitätsbild von Fig. 4d dargestellt; die Ringfokus-Anteile 22, 38 überstreichen jeweils einen Halbkreisbogen von 180°, entsprechend dem realisierten Teil 33 des Axicons 34. Man beachte, dass in beiden Zonen 36, 37 die Gitterperiode mit einem Steigungswinkel („Axicon Winkel" beim diffraktiven Axicon) der Ringbereiche korrelliert, welcher also von Zone 36 zu Zone 37 wech- seit.
Wenn in der Umformoptik 9 der Teil 33 des diffraktiven Axicons 34 durch einen 120°-Sektor des (hier nicht eingerichteten, vollständigen) diffraktiven Axicons 34 gewählt wird, auf den der Teilbereich 15 des Strahlquerschnitts 30 gerichtet ist, wie in Fig. 4e dargestellt, so zeigt die Intensität I im Querschnitt des resultieren den Laserstrahls einen Ringfokus-Anteil 22, der einem entsprechenden Teil einer Ringfläche 35, hier einer Drittel-Ringfläche entsprechend dem Drittel-Umlauf (bzw. einem Winkelbereich von 120°) entspricht, vgl. Fig. 4f. Der weitere Teil des Strahlquerschnitts 30 aus Fig. 4e, der auf den weiteren Teilbereich 19 ent- fällt, resultiert im Kernfokus-Anteil 24.
In der Fig. 5a ist eine Umformoptik 9 für die Erfindung im Längsschnitt darge stellt, bei der die Umformoptik 9 in einem ringförmigen Teilbereich 15 einen ring förmigen (rotationssymmetrischen) Teil 39 eines refraktiven Axicons 40 ausbil- det. In dem ringförmigen Teilbereich 15 ist die Umformoptik 9 an der Rückseite 27 mit einem Kegelstumpf 41 um eine Achse (Kegelachse) A ausgebildet; der Konuswinkel ß („Axiconwinkel" beim refraktiven Axicon) des Kegelstumpfs 41 be stimmt dabei den Winkel, unter dem im umgeformten Laserstrahl 10 und auch im fokussierten Laserstrahl der Ringfokus-Anteil erhalten wird. In einem Bereich 43 radial innerhalb des Teils 39 um die Achse A ist die Rückseite 27 der Um formoptik 9 in einem weiteren Teilbereich 19 eben ausgebildet; der Teilbereich 19 „fehlt" somit für ein vollständiges refraktives Axicon 40. Der kollimierte Laserstrahl 8 ist koaxial zur Achse A auf die Vorderseite 26 der Umformoptik 9 gerichtet, und leuchtet hier größtenteils den Teil 39 des Axicons 40 aus, und zwar in rotationssymmetrischer Weise. Der kollimierte Laserstrahl 8 trifft mit einem ringförmigen Teil 18 seines Strahlquerschnitts auf den Teil 39 des Axicons 40, wodurch dieser Teil 18 des Strahlquerschnitts abgelenkt wird und der Ringfokus-Anteil im fokussierten Laserstrahl erhalten wird; der Ringfokus-Anteil ist voll umlaufend ausgeleuchtet (nicht dargestellt, vgl. hierzu aber Fig. lb). Mit einem weiteren Teil 20 seines Strahlquerschnitts leuchtet der kollimierte Laser strahl 8 den ebenen, weiteren Teilbereich 19 aus, also einen Bereich 44 radial außerhalb des Teils 39, und bleibt entsprechend unabgelenkt; daraus resultiert der Kernfokus-Bereich im fokussierten Laserstrahl (nicht dargestellt, vgl. hierzu aber Fig. lb).
Fig. 5b zeigt eine Umformoptik 9 für die Erfindung, bei der die Umformoptik 9 an der Rückseite 27 einen vollständigen Konusmantel um die Achse A ausbildet, und entsprechend in einem Teilbereich 15 ein vollständiges refraktives Axicon 42 aus bildet. In einem ringförmigen, äußeren, weiteren Teilbereich 19 ist die Rückseite 27 der Umformoptik 9 eben ausgebildet. Das Axicon 42 steht hier also mit einem konusförmigen Vorsprung von einem im Übrigen ebenen Substrat (Glasssubstrat) 50 der Umformoptik 9 ab. Ein kollimierter Laserstrahl 8, der koaxial zur Achse A an der Vorderseite der Umformoptik 9 eingestrahlt wird, leuchtet das vollstän dige Axicon 42 rotationssymmetrisch aus.
Der Strahlquerschnitt des kollimierten Laserstrahls 8 entfällt mit einem ersten Teil 18 auf den Teilbereich 15 bzw. das Axicon 42, wodurch dieser Teil 18 des Strahlquerschnitts abgelenkt wird und ein Ringfokus-Anteil im fokussieren Laser strahl erhalten wird; der Ringfokus-Anteil ist voll umlaufend ausgeleuchtet (nicht dargestellt, vgl. hierzu Fig. lb). Ein weiterer, ringförmiger Teil 20 des Strahlquer schnitts des kollimierten Laserstahls 8 entfällt auf den umgebenden weiteren Teilbereich 19, wodurch dieser Teil 20 des Strahlquerschnitts unabgelenkt bleibt und in einem Kernfokus-Anteil im fokussierten Laserstrahl resultiert (nicht darge stellt, vgl. hierzu aber Fig. lb). Die Fig. 5c illustriert eine Umformoptik 9 für die Erfindung im Längsschnitt, ähn lich der Bauform von Fig. 5b, so dass nur die wesentlichen Unterschiede erläutert werden. Das refraktäre Axicon 42 weist hier einen ersten Axiconwinkelbereich 51 auf, in welchem der Axiconwinkel ßl beträgt; dieser erste Axiconwinkelbereich 51 liegt hier radial innen bezüglich der Achse A. Weiterhin weist das Axicon 42 einen zweiten Axiconwinkelbereich 52 auf, in welchem der Axiconwinkel ß2 beträgt; dieser zweite Axiconwinkelbereich 52 liegt um den ersten Axiconwinkelbereich 51 außen herum. Dabei ist hier ß2>ßl gewählt. Der kollimierte Laserstrahl 8 leuch tet mit seinem Teil 18 des Strahlquerschnitts beide Axiconwinkelbereiche 51, 52 des Axicons 42 gleichzeitig aus, was in zwei Ringfokus-Anteilen im fokussierten Laserstrahl resultiert; der Teilbereich 20 resultiert wiederum in einem Kernfokus- Anteil (nicht dargestellt).
Die Fig. 5d illustriert ebenfalls eine Umformoptik 9 für die Erfindung im Längs- schnitt, ähnlich der Bauform von Fig. 5b, so dass wiederum nur die wesentlichen Unterschiede erläutert werden. Das refraktäre Axicon 42 ist hier an der Rückseite 27 der Umformoptik 9 durch eine konusmantelförmige Vertiefung 53 im Substrat (Glassubstrat) 50 ausgebildet; diese Bauform des Axicons 42 wird auch als „in verses Axicon" bezeichnet, die im Rahmen der Erfindung angewandt werden kann.
Bezuaszeichenliste
1 Optische Apparatur
2 Lichtleitkabel 3 Ende des Lichtleitkabels
4 bereitgestellter Laserstrahl
5 Laserstrahlquelle
6 Kollimationsoptik 7 Kollimationslinse 8 kollimierter Laserstrahl
9 Umformoptik
10 umgeformter Laserstrahl 11 Fokussieroptik 12 Fokussierlinse 13 fokussierter Laserstrahl
14 Werkstück
15 Teilbereich
16 lokale Kegelachse eines refraktiven Axicons 17 refraktive Axicons 18 Teil des Strahlquerschnitts
19 weiterer Teilbereich
20 weiterer Teil des Strahlquerschnitts 21 Verstelleinrichtung 22 Ringfokus-Anteil 23 Ringfläche
24 Kernfokus-Anteil 24a Kreisfläche
25 diffraktives Axicon
26 Vorderseite 27 Rückseite 28 Ringbereich des diffraktiven Axicons
29 Stufe
30 Strahlquerschnitt 31 diffraktive Axicons
33 Teil eines diffraktiven Axicons
34 diffraktives Axicon
35 Teil der Ringfläche 36 erste Zone des diffraktiven Axicons
37 zweite Zone des diffraktiven Axicons
38 Ringfokus-Anteil
39 (rotationssymmetrischer) Teil eines Axicons
40 refraktives Axicon 41 Kegelstumpf
42 refraktives Axicon
43 (radial innerer) Bereich
44 (radial äußerer) Bereich 50 Substrat 51 erster Axiconwinkelbereich
52 zweiter Axiconwinkelbereich
53 Vertiefung A Achse B Breite des Ringbereichs / Gitterperiode des diffraktiven Axicons H Höhe der Stufe
I Intensität
R Richtung (radial / quer zur Strahlausbreitungsrichtung) x Ortskoordinate y Ortskoordinate Z Zentrum a Steigungswinkel /Axiconwinkel im diffraktiven Axicon ß, ßl, ß2 Kegelwinkel /Axiconwinkel im refraktiven Axicon
F lokale Phasenänderung durch Umformoptik

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstücks (14), wobei
- ein Laserstrahl (4) an einer Laserstrahlquelle (5) bereit gestellt wird,
- der bereitgestellte Laserstrahl (4) mit einer Kollimationsoptik (6) kolli- miert wird,
- der kollimierte Laserstrahl (8) mit einer Umformoptik (9) umgeformt wird, und
- der umgeformte Laserstrahl (10) mit einer Fokussieroptik (11) fokussiert und auf das zu schweißende Werkstück (14) gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformoptik (9) zumindest einen Teilbereich (15) aufweist, in welchem zumindest ein Teil (33; 39) wenigstens eines Axicons (17; 25; 31; 34; 40; 42) ausgebildet ist, und dass der kollimierte Laserstrahl (8) zumindest mit einem Teil (18) sei nes Strahlquerschnitts (30) auf diesen Teilbereich (15) der Umformoptik (9) gerichtet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformoptik (9) so ausgebildet ist und der kollimierte Laserstrahl (8) so auf die Umformoptik (9) gerichtet ist, dass der fokussierte Laser strahl (13) aufweist
- einen Kernfokus-Anteil (24), insbesondere wobei der Kernfokus-Anteil (24) durch an der Umformoptik (9) ungebeugte oder ungebrochene Laser strahlung bereitgestellt ist, und
- wenigstens einen Ringfokus-Anteil (22, 38), der den Kernfokus-Anteil (24) auf einer Ringfläche (23) oder einem Teil einer Ringfläche (35) umgibt, insbesondere wobei der Ringfokus-Anteil (22; 38) durch an der Umformoptik (9) am Axicon (17; 25; 31; 34; 40; 42) gebeugte oder ge brochene Laserstrahlung bereitgestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine integrierte Laserleistung (LK) des Kernfokus-Anteils wenigstens 25% der gesamten Laserleistung des fokussierten Laserstrahls (13) beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformoptik (9) einen weiteren Teilbereich (19) aufweist, der sich in einer Richtung R an den Teilbereich (15) anschließt, und dass zur Einstellung einer Verteilung der Laserleistung zwischen dem Kernfokus-An teil (24) und dem wenigstens einen Ringfokus-Anteil (22, 38) die Um formoptik (9) relativ zum kollimierten Laserstrahl (8) in der Richtung R verfahren wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilbereich (15) ein diffraktives Axicon (25) aufweist, insbesondere wobei der kollimierte Laserstrahl (8) mit seinem gesamten Strahlquerschnitt (30) das diffraktive Axicon (25) ausleuchtet, und insbe sondere wobei der kollimierte Laserstrahl (8) das diffraktive Axicon (25) rotationssymmetrisch um ein Zentrum (Z) des Axicons (25) ausleuchtet, und dass das diffraktive Axicon (25) den kollimierten Laserstrahl (8) einer reduzierten Phasenmodulation unterzieht.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einrichtung der reduzierten Phasenmodulation das diffraktive Axicon (25) um ein Zent rum (Z) des Axicons periodisch angeordnete, konzentrische Ringbereiche (28) mit jeweils in radialer Richtung (R) ansteigenden oder abfallenden Konusmantelflächen aufweist, wobei jeweils an einer Stufe (29) von einem konzentrischen Ringbereich (28) zum nächsten konzentrischen Ringbereich (28) ein Phasensprung PHS von weniger als 2p eingerichtet ist, insbesondere mit p/2 < PHS < 3p/2, bevorzugt 2,5 rad < PHS < 3 rad.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilbereich (15) der Umformoptik (9) eine Vielzahl von nebenei nander angeordneten Axicons (17; 31) aufweist, dass der Teil (18) des Strahlquerschnitts (30) des kollimierten Laserstrahls (8) mehrere der Axicons (17; 31) des Teilbereichs (15) ganz oder teilweise ausleuchtet, und dass ein weiterer Teil (20) des Strahlquerschnitts (30) des kollimierten Laserstrahls (8) von den Axicons (17; 31) unbeeinflusst bleibt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die nebenein- der angeordneten Axicons (17; 31) als refraktive Axicons (17) ausgebildet sind.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilbereich (15) lediglich einen Teil (33) eines Axicons (34) auf weist, dass der Teil (18) des Strahlquerschnitts (30) des kollimierten Laserstrahls (8) den Teil (33) des Axicons (34) ganz oder teilweise ausleuchtet, und dass ein weiterer Teil (20) des Strahlquerschnitts (30) von dem Teil (33) des Axicons (34) unbeeinflusst bleibt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil (33) des Axicons (34) ein sektorförmiger Teil (33) des Axicons (34) ist, bevor zugt wobei der sektorförmige Teil (33) einen Winkelbereich zwischen 90° und 270°, besonders bevorzugt zwischen 130° und 230°, ganz besonders bevorzugt von 180° umfasst.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilbereich (15) lediglich ein Axicon (42) oder lediglich einen Teil (39) eines Axicons (40) umfasst, dass der Teil (18) des Strahlquerschnitts (30), der auf den Teilbereich (15) gerichtet ist, das Axicon (42) oder den Teil (39) des Axicons (40) rotati onssymmetrisch ausleuchtet, und dass ein weiterer Teil (20) des Strahl querschnitts (30) vom Axicon (42) oder dem Teil (39) des Axicons (40) unbeeinflusst bleibt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Teil (20) des Strahlquerschnitts (30) einen Bereich (43) radial innerhalb eines ringförmigen Teils (39) eines Axicons (40) und/oder einen Bereich (44) radial außerhalb des Axicons (42) oder des Teils (39) des Axicons (40) umfasst.
13. Optische Apparatur (1) zum Laserschweißen eines Werkstücks (14), insbe sondere ausgebildet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend
- eine Laserstrahlquelle (5) zum Bereitstellen eines Laserstrahls (4),
- eine Kollimationsoptik (6) zum Kollimieren des bereitgestellten Laser strahls (4) der Laserstrahlquelle (5),
- eine Umformoptik (9) zum Umformen des kollimierten Laserstrahls (8), und
- eine Fokussierungsoptik (11) zum Fokussieren des umgeformten Laser strahls (10) und zum Richten des fokussierten Laserstrahls (13) auf das zu schweißende Werkstück (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Umformoptik (9) zumindest einen Teilbereich (15) aufweist, in welchem zumindest ein Teil (33; 39) wenigstens eines Axicons (17; 25; 31; 34; 40; 42) ausgebildet ist.
14. Optische Apparatur (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformoptik (9) ausgebildet ist mit
- in dem Teilbereich (15) einem diffraktiven Axicon (25), ausgebildet für eine reduzierte Phasenmodulation des kollimierten Laserstrahls (8), insbe sondere aufweisend zu einem Zentrum (Z) des Axicons (25) konzentrische Ringbereiche (28) mit jeweils in radialer Richtung (R) ansteigenden oder abfallenden Konusmantelflächen, wobei jeweils an einer Stufe (29) von ei nem konzentrischen Ringbereich (28) zum nächsten konzentrischen Ring bereich (28) ein Phasensprung PHS von weniger als 2p eingerichtet ist, o- der
- in dem Teilbereich (15) einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Axicons (17; 31) und einem weiteren Teilbereich (19) ohne Axicons (17; 25; 31; 34; 40; 42), oder
- in dem Teilbereich (15) lediglich einem Teil (33) eines Axicons (34) und einem weiteren Teilbereich (19) ohne Axicons (17; 25; 31; 34; 40; 42), insbesondere wobei der Teil (33) des Axicons (34) ein sektorförmiger Teil (33) des Axicons (34) ist, oder
- in dem Teilbereich (15) lediglich einem Axicon (42) oder lediglich einem Teil (39) eines Axicons (40), wobei die optische Apparatur (1) so einge richtet ist, dass der kollimierte Laserstrahl (8) mit einem Teil (18) seines Strahlquerschnitts (30) das Axicon (42) oder den Teil (39) des Axicons (40) rotationssymmetrisch ausleuchtet, und ein weiterer Teil (20) des Strahlquerschnitts (30) des kollimierten Laserstrahls (8) vom Axicon (42) oder dem Teil (39) des Axicons (42) unbeeinflusst bleibt.
15. Optische Apparatur (1) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeich net, dass die Umformoptik (9) einen weiteren Teilbereich (19) ohne Axi cons (17; 25; 31; 34; 40; 42) umfasst, der sich in einer Richtung R an den Teilbereich (15) anschließt, und dass eine Verstelleinrichtung (21), insbe sondere motorische Verstelleinrichtung (21), vorgesehen ist, mit der die Umformoptik (9) relativ zum kollimierten Laserstrahl (8) zumindest in der Richtung R verstellbar ist.
16. Optische Apparatur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb wenigstens eines Axicons (17; 25; 31; 34; 40; 42) das Axicon (17; 25; 31; 34; 40; 42) mehrere Axiconwin- kel (a, ß) und/oder mehrere Gitterperioden (B) eines Ringbereichprofils aufweist.
PCT/EP2020/082359 2019-11-18 2020-11-17 Verfahren zum laserschweissen eines werkstücks, mit strahlformung mittels eines axicons, und optische apparatur WO2021099299A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202080080209.7A CN114728372A (zh) 2019-11-18 2020-11-17 借助轴锥镜的射束成形对工件进行激光焊接的方法以及光学设备
US17/742,494 US20220266387A1 (en) 2019-11-18 2022-05-12 Method for the laser welding of a workpiece, with beam shaping by means of an axicon, and optical apparatus

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019217754.9 2019-11-18
DE102019217754.9A DE102019217754A1 (de) 2019-11-18 2019-11-18 Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstücks, mit Strahlformung mittels eines Axicons, und optische Apparatur

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US17/742,494 Continuation US20220266387A1 (en) 2019-11-18 2022-05-12 Method for the laser welding of a workpiece, with beam shaping by means of an axicon, and optical apparatus

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021099299A1 true WO2021099299A1 (de) 2021-05-27

Family

ID=73748024

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2020/082359 WO2021099299A1 (de) 2019-11-18 2020-11-17 Verfahren zum laserschweissen eines werkstücks, mit strahlformung mittels eines axicons, und optische apparatur

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20220266387A1 (de)
CN (1) CN114728372A (de)
DE (1) DE102019217754A1 (de)
WO (1) WO2021099299A1 (de)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10261422A1 (de) 2002-12-30 2004-07-08 Volkswagen Ag Laserschweiß- und lötverfahren sowie Vorrichtung dazu
DE102010003750A1 (de) 2010-04-08 2011-10-13 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Verfahren und Anordnung zum Verändern der Strahlprofilcharakteristik eines Laserstrahls mittels einer Mehrfachclad-Faser
WO2017186681A1 (de) * 2016-04-25 2017-11-02 Precitec Gmbh & Co.Kg Strahlformungsoptik zum laserschneiden sowie vorrichtung mit derselben
WO2018219710A1 (de) * 2017-05-29 2018-12-06 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh VERFAHREN ZUM TIEFSCHWEIßEN EINES WERKSTÜCKS, MIT VERTEILUNG DER LASERLEISTUNG AUF MEHRERE FOKI
US10444521B2 (en) * 2015-01-28 2019-10-15 Precitec Gmbh & Co. Kg Device for machining material by means of laser radiation

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5007144B2 (ja) * 2007-04-11 2012-08-22 株式会社ジャパンユニックス レーザー式はんだ付け装置
EP2202545A1 (de) * 2008-12-23 2010-06-30 Karlsruher Institut für Technologie Strahlentransformationsmodul mit Axikon in Doppeldurchlaufmodus
DE102011008192A1 (de) * 2011-01-10 2012-07-12 Limo Patentverwaltung Gmbh & Co. Kg Vorrichtung zur Umwandlung von Laserstrahlung in Laserstahlung mit einem M-Profil
CN104858547B (zh) * 2015-04-17 2016-09-21 温州职业技术学院 一种基于双光束空间特性调节的激光加工头
DE102017001658A1 (de) * 2017-02-21 2018-08-23 Precitec Gmbh & Co. Kg Vorrichtung zur materialbearbeitung mit einem laserstrahl entlang einer bearbeitungsrichtung und verfahren zur materialbearbeitung mit einem laserstrahl
DE102018126381A1 (de) * 2018-02-15 2019-08-22 Schott Ag Verfahren und Vorrichtung zum Einfügen einer Trennlinie in ein transparentes sprödbrüchiges Material, sowie verfahrensgemäß herstellbares, mit einer Trennlinie versehenes Element
CN110227884A (zh) * 2019-05-08 2019-09-13 桂林电子科技大学 基于无衍射光路设计的水导激光加工***及方法
CN110435160A (zh) * 2019-09-09 2019-11-12 广东利元亨智能装备股份有限公司 一种激光焊接头及激光焊接方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10261422A1 (de) 2002-12-30 2004-07-08 Volkswagen Ag Laserschweiß- und lötverfahren sowie Vorrichtung dazu
DE102010003750A1 (de) 2010-04-08 2011-10-13 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Verfahren und Anordnung zum Verändern der Strahlprofilcharakteristik eines Laserstrahls mittels einer Mehrfachclad-Faser
US10444521B2 (en) * 2015-01-28 2019-10-15 Precitec Gmbh & Co. Kg Device for machining material by means of laser radiation
WO2017186681A1 (de) * 2016-04-25 2017-11-02 Precitec Gmbh & Co.Kg Strahlformungsoptik zum laserschneiden sowie vorrichtung mit derselben
WO2018219710A1 (de) * 2017-05-29 2018-12-06 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh VERFAHREN ZUM TIEFSCHWEIßEN EINES WERKSTÜCKS, MIT VERTEILUNG DER LASERLEISTUNG AUF MEHRERE FOKI

Also Published As

Publication number Publication date
CN114728372A (zh) 2022-07-08
DE102019217754A1 (de) 2021-05-20
US20220266387A1 (en) 2022-08-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3221727B1 (de) System zur asymmetrischen optischen strahlformung
EP3799999B1 (de) Optisches system zur strahlformung
DE102019210019B4 (de) Optische Apparatur zum Laserschweißen eines Werkstücks, Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstücks mittels mehrerer Teilstrahlen sowie Verwendung einer optischen Apparatur zum Laserschweißen
DE112014006481B4 (de) Düse und Vorrichtung zur Herstellung eines geschichteten Objekts
WO2020016362A1 (de) Optische anordnung zur variablen erzeugung eines multifoki-profils
WO2018219710A1 (de) VERFAHREN ZUM TIEFSCHWEIßEN EINES WERKSTÜCKS, MIT VERTEILUNG DER LASERLEISTUNG AUF MEHRERE FOKI
WO2019158488A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum einfügen einer trennlinie in ein transparentes sprödbrüchiges material, sowie verfahrensgemäss herstellbares, mit einer trennlinie versehenes element
WO2016079063A1 (de) Diffraktives optisches strahlformungselement
WO2016120327A1 (de) Vorrichtung zur materialbearbeitung mittels laserstrahlung
EP2430491A1 (de) Vorrichtung zur formung von laserstrahlung sowie laservorrichtung mit einer derartigen vorrichtung
DE102014201715A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Punktschweißen von Werkstücken mittels Laserpulsen mit grüner Wellenlänge
WO2008019681A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur lasermaterialbearbeitung
EP3414044B1 (de) Verfahren zum herstellen mindestens eines teilbereichs einer schicht eines dreidimensionalen bauteils
EP4196312A1 (de) Laserbearbeitung eines werkstuecks mit einer gekruemmten oberflaeche
WO2016184708A1 (de) Beleuchtungsoptik für die euv-projektionslithographie
WO2022171621A1 (de) Verfahren zum optimieren einer bearbeitungszeit eines laserbearbeitungsprozesses, verfahren zum durchführen eines laserbearbeitungsprozesses an einem werkstück und laserbearbeitungssystem, welches eingerichtet ist, um diese durchzuführen
WO2021099299A1 (de) Verfahren zum laserschweissen eines werkstücks, mit strahlformung mittels eines axicons, und optische apparatur
EP4076828A1 (de) Verfahren zur lasermaterialbearbeitung und laserbearbeitungsanlage
DE102016204703A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung eines optischen Musters aus Bildpunkten in einer Bildebene
EP2622400B1 (de) Anordnung und verfahren zur erzeugung eines lichtstrahles für die materialbearbeitung
DE102015200795B3 (de) Anordnung zur Bestrahlung einer Objektfläche mit mehreren Teilstrahlen ultrakurz gepulster Laserstrahlung
EP2675609B1 (de) Verfahren zum selektiven laserschmelzen und anlage zur durchführung dieses verfahrens
WO2019034259A1 (de) Vefahren zur bearbeitung einer werkstoffschicht mit energetischer strahlung variabler energieverteilung
WO2022074094A1 (de) Vorrichtung und verfahren zum erzeugen einer definierten laserlinie auf einer arbeitsebene
EP3702132B1 (de) Verfahren zur lithographiebasierten generativen fertigung eines dreidimensionalen bauteils

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: 20817189

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20817189

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1