Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Tiefschweißen eines Werkstücks, wobei mit einem Laserstrahl eine Oberfläche des Werkstücks bestrahlt wird, wobei der Laserstrahl eine Dampfkapillare erzeugt,

wobei mittels einer strahlformenden Optik entlang einer Strahlachse des Laserstrahls wenigstens zwei Foki des Laserstrahls erzeugt werden, die innerhalb der Dampfkapillare liegen.

Ein solches Verfahren ist aus der EP 1 491 279 A1 bekannt geworden.

Durch Laserstrahlschweißen können Werkstücke mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit an einer schmalen Schweißnaht miteinander verbunden werden. In die Werkstücke wird nur relativ wenig Wärmeenergie eingebracht, so dass kein oder nur geringer thermischer Verzug auftritt.

Beim Lasertiefschweißen wird das Werkstückmaterial nicht nur oberflächlich angeschmolzen, sondern es bildet sich im Schmelzbad eine Dampfkapillare in Strahlrichtung aus. Dadurch kann die Laserstrahlung in größere Tiefen vordringen, wodurch stärkere Verbindungen zwischen Werkstücken erzeugt werden können.

Beim Fortschreiten des Laserstrahls relativ zum Werkstück kommt es am hinteren Ende des Schmelzbades zum Wiedererstarren des

Werkstückmaterials. Dabei können sich im Werkstück Heißrisse bilden, die die Nahtqualität verschlechtern, insbesondere bezüglich der Festigkeit.

Die Qualität der Schweißnaht kann weiterhin durch die Ausbildung von

Schweißspritzern beeinträchtigt werden. Flüssiges Werkstückmaterial wird dabei aus dem Schmelzbad herausgeschleudert, was Kerben in die

Schweißnaht einbringt und zu einem Materialverlust in der Schweißnaht führt, wodurch diese mechanisch geschwächt ist, und auch die Umgebung

verunreinigt.

In der EP 1 491 279 A1 wird ein Verfahren zum Laserschweißen

vorgeschlagen, bei dem in der gleichen Schweißzone zur gemeinsamen Erzeugung einer Schweißnaht in unterschiedlichen Tiefen wenigstens zwei Fokusse erzeugt werden. Insbesondere können zwei Fokusse durch einen Zentralstrahl und einen Ringstrahl gebildet werden, die von einer gemeinsamen Quelle oder auch aus unterschiedlichen Lichtquellen kommen können. Durch eine Vergrößerung und eine gewünschte V-Form des aufgeschmolzenen Zone sollen Heißrissneigung und Porenbildung vermindert werden.

Aus der JP 2004 358 521 A ist weiterhin ein Laserschweißverfahren bekannt geworden, bei dem ein Werkstück mit einem Hauptstrahl und mehreren Unter- Strahlen mit unterschiedlichen Konvergenzwinkeln und unterschiedlichen Fokuspositionen bestrahlt wird, so dass eine gleichmäßige Energieverteilung in Tiefenrichtung erhalten wird. Dies soll die Schweißqualität verbessern. Ein ähnliches Verfahren unter Nutzung von Laserquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen ist aus der JP 2006 263 771 A bekannt geworden.

Die JP 2003 340 582 A schlägt vor, einen Laserstrahl in einen Hauptstrahl mit geringem Durchmesser und hoher Energie sowie einen Nebenstrahl mit größerem Durchmesser und geringerer Energie zu unterteilen und diese unterschiedlich zu fokussieren. Dadurch soll eine Dampfkapillare stabilisiert werden.

In M. Brinkmann et al., Optik & Photonik, April 2009, Nr. 1 , S. 50- 54, wird die grundlegende Funktionsweise von diffraktiven optischen Elementen (DOEs) beschrieben.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lasertiefschweißverfahren bereitzustellen, mit dem eine reduzierte Heißrissbildung, und bevorzugt auch eine reduzierte Schweißspritzerbildung, ermöglicht wird.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass mittels der strahlformenden Optik eine Laserleistung des Laserstrahls so auf die wenigstens zwei Foki verteilt wird, dass in eine untere, oberflächenferne Hälfte der Dampfkapillare mehr Laserleistung eingekoppelt wird als in eine obere, oberflächennahe Hälfte der Dampfkapillare.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die räumliche Verteilung des Energieeintrags des Laserstrahls in die Dampfkapillare gezielt eingestellt, insbesondere in longitudinaler Richtung (Strahlrichtung). Dazu werden mehrere Foki des Laserstrahls entlang der Strahlachse erzeugt. Über die Position der Foki in der erzeugten Dampfkapillare und auch durch die Energieverteilung auf die Foki kann eingestellt werden, in welchen Bereichen der Dampfkapillare wenig oder viel Laserleistung eingekoppelt werden soll. Erfindungsgemäß wird dabei die Verteilung der Energie so vorgenommen, dass in einer unteren, oberflächenfernen Hälfte der Dampfkapillare mehr Laserleistung eingekoppelt wird als in einer oberen, oberflächennahen Hälfte der Dampfkapillare. Die

Erfindung schlägt also vor, die longitudinale Position von absorbierter Energie in der Dampfkapillare (Keyhole) in besonderer Weise einzustellen und

insbesondere ungleichmäßig zu verteilen.

Im Rahmen der Erfindung kann in und nahe der Schweißzone des Werkstücks eine Temperaturverteilung eingestellt werden, und insbesondere eine

Schmelzbadform eingestellt werden, bei der Temperaturgradienten bei der Abkühlung bzw. Erstarrung des Werkstückmaterials vermindert (homogenisiert) sind. Entsprechend werden thermisch induzierte lokale Dehnungen vermindert, wodurch die Bildung von Heißrissen reduziert ist.

Durch den erhöhten Energieeintrag in der unteren Hälfte der Dampfkapillare kann ausgeglichen werden, dass im unteren Teil des Werkstücks in der Regel mehr festes Werkstückmaterial im Nahbereich der Dampfkapillare zur

Verfügung steht als im oberen Teil des Werkstücks, wo zumindest das nachlaufende flüssige Schmelzbad an der Rückseite der Dampfkapillare einen erheblichen Raum einnimmt. Die unterschiedlichen Mengen an festem und aufgeschmolzenem Werkstückmaterial im Nahbereich der Dampfkapillare entlang der Strahlrichtung trägt zur Ausbildung von Temperaturgradienten bei, was durch die erfindungsgemäße Leistungsverteilung ausgeglichen oder zumindest abgemindert werden kann.

Durch die erfindungsgemäße Leistungsverteilung kann eine näherungsweise I- förmige Schweißnaht am Werkstück erzeugt werden, insbesondere wobei eine gemittelte Breite der Schweißnaht im unteren Schweißnahtdrittel mindestens 60% der gemittelten Breite der Schweißnaht im oberen Schweißnahtdrittel entspricht. Werkstücke mit einer solchen I-förmigen Schweißnaht haben eine besonders stark verminderte Heißrissbildung gezeigt.

Im Rahmen der Erfindung kann ein lokal erhöhter Energieeintrag in die

Dampfkapillare in einem oberen Bereich der Dampfkapillare vermieden werden, was dazu beiträgt, die Bildung von Schweißspritzern zu vermindern. Erhöhte Dampfgenerierung aufgrund hoher absorbierter Strahlung an der Kapillarfront, insbesondere an einem oberen Teil, kann zu einer so starken Beschleunigung des Schmelzbades führen, dass sich Teile des Schmelzbades entgegen der Vorschubrichtung des Schweißprozesses bewegen und dabei bei

Überschreiten der Oberflächenspannung der Schmelze aus dem Schmelzbad herausgelöst werden, was zur Spritzerbildung führt.

Erfindungsgemäß wird mehr als 50%, und bevorzugt mehr als 60%, derjenigen Laserleistung, die insgesamt auf die Dampfkapillare entfällt, in die untere Hälfte der Dampfkapillare eingekoppelt. Man beachte, dass die Laserleistung des Laserstrahls vollständig auf die Dampfkapillare entfallen kann (d.h. in diese eingekoppelt wird), oder auch nur teilweise, so dass weitere Laserleistung für einen oder mehrere Zusatzfoki außerhalb der Dampfkapillare zur Verfügung steht (siehe unten). Im Rahmen der Erfindung werden typischerweise alle Foki, die innerhalb der Dampfkapillare liegen, auf der Strahlachse angeordnet. Es ist aber auch möglich, einen oder mehrere Foki innerhalb der Dampfkapillare neben der Strahlachse anzuordnen; letztere sind bei der Aufteilung der in die Dampfkapillare eingekoppelten Laserleistung bezüglich oberer und unterer Hälfte zu berücksichtigen. Meist werden auf der Strahlachse 2 bis 20 Foki gebildet, und bevorzugt genau zwei Foki auf der Strahlachse.

Alle Foki werden mit einem einzigen Laserstrahl (und dessen einziger

Laserquelle) erzeugt. Bevorzugt werden die Foki dabei jeweils aus dem

Gesamtstrahl erzeugt (etwa mit einem diffraktiven optischen Element);

alternativ kann auch jeder Fokus aus einem anderen Teil des Querschnitts des Laserstrahls erzeugt werden (etwa mit einer Zonenlinse). Allgemein kann die strahlformende Optik ein refraktives (lichtbrechendes) optisches Element oder ein diffraktives (beugendes) optisches Element oder eine Kombination davon, also ein hybrides optisches Element, umfassen. Der Laserstrahl wird

typischerweise mit einem Festkörperlaser, insbesondere mit einer Wellenlänge λ<1 100nm, erzeugt.

Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind beispielsweise das Schweißen von Getriebeteilen (etwa Schalträder oder Zwischenwellen) oder lasergeschweißte Stahlkolben. Typischerweise werden Axialrundnähte gefertigt.

Bevorzugte Varianten der Erfindung

Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mittels der strahlformenden Optik eine Laserleistung des Laserstrahls so auf die wenigstens zwei Foki verteilt, dass in ein unteres Drittel der Dampfkapillare wenigstens 30%, bevorzugt wenigstens 50%, derjenigen Laserleistung, die insgesamt auf die Dampfkapillare entfällt, eingekoppelt wird. Dies hat sich als besonders wirksam für die Vermeidung von Heißrisses gezeigt.

Bevorzugt ist auch eine Variante, die vorsieht, dass mittels der strahlformenden Optik innerhalb der Dampfkapillare genau zwei Foki des Laserstrahls erzeugt werden, nämlich ein erster, oberer Fokus und ein zweiter, unterer Fokus, und dass auf den zweiten Fokus wenigstens genauso viel Laserleistung entfällt wie auf den ersten Fokus. Diese Variante mit lediglich zwei Foki innerhalb der Dampfkapillare ist besonders einfach, und gestattet in den meisten Fällen eine ausreichende Energieverteilung zur Vermeidung von Heißrissen. Falls nötig, kann die Mitte zwischen den beiden Foki in der unteren Hälfte der

Dampfkapillare liegen. Bei einer bevorzugten Weiterentwicklung dieser Variante entfällt auf den zweiten Fokus mehr Laserleistung als auf den ersten Fokus, insbesondere wobei auf den zweiten Fokus wenigstens 60% derjenigen Laserleistung entfällt, die insgesamt auf den ersten und zweiten Fokus entfällt. Diese Variante lässt besonders viele Freiheiten bei der räumlichen Positionierung der Foki in der Dampfkapillare.

In einer anderen, vorteilhaften Variante werden entlang der Strahlachse drei oder mehr, bevorzugt fünf oder mehr, Foki erzeugt, die innerhalb der

Dampfkapillare liegen. Durch eine größere Zahl an Foki kann eine genauere Energieverteilung entlang der Tiefenerstreckung der Dampfkapillare eingestellt werden. In dieser Variante ist häufig die Laserleistung auf die Foki gleich verteilt; es ist aber auch möglich, die Laserleistung unterschiedlich auf die Foki zu verteilen.

Eine bevorzugte Weiterentwicklung dieser Variante sieht vor, dass in der unteren Hälfte der Dampfkapillare mehr Foki liegen als in der oberen Hälfte. Dadurch wird die Einstellung einer erfindungsgemäßen Leistungsverteilung besonders einfach.

Ebenfalls bevorzugt ist eine Weiterentwicklung, bei der in einem unteren Drittel der Dampfkapillare mehr Foki liegen als in einem oberen Drittel, bevorzugt wobei in dem unteren Drittel der Dampfkapillare auch mehr Foki liegen als in einem mittleren Drittel der Dampfkapillare. Dies ist einfach einzurichten, und kann weiterhin eine bezüglich der Spritzerbildung ungünstige hohe lokale Leistungseinbringung im oberen Drittel der Dampfkapillare vermeiden.

Besonders bevorzugt ist eine Variante, bei der die strahlformende Optik ein diffraktives optisches Element umfasst, insbesondere eine Phasenmaske. Bei einem DOE erfolgt eine Lichtablenkung durch Beugung an einer

mikrostrukturierten Oberfläche. Die Strukturierung wirkt wie ein komplexes optisches Gitter, welches das einfallende Licht winkelabhängig in verschiedene Beugungsordnungen aufspaltet. Je nach Design kann es außerdem an bestimmten Positionen auf der optischen Achse zu konstruktiver oder destruktiver Interferenz kommen. Bei Amplituden-DOEs wird die Amplitude der Laserstrahlung lokal abgeschwächt, etwa durch eine Absorptionsbeschichtung; diese sind sehr einfach und kostengünstig herzustellen, vermindern aber die Laserintensität. Mittels eines Phasen-DOEs („Phasenmaske") wird die optische Weglänge für die Laserstrahlung lokal verändert, etwa mittels eines

Höhenprofils. Eine typische Phasenmaske umfasst ein in ein (für die

Laserwellenlänge) transparentes Material (etwa Quarzglas) eingebrachtes (etwa eingeätztes) Höhenprofil, das von der Laserstrahlung durchstrahlt wird. Alternativ oder zusätzlich können auch im Material lokale Unterschiede des Brechungsindex vorgesehen sein, durch welche ein Gangunterschied der Phase erreicht werden kann. Phasen-DOEs weisen eine besonders hohe Effizienz auf. Im Allgemeinen können DOEs vergleichsweise flach und leicht gebaut werden. DOEs für die Erfindung können insbesondere lithografisch hergestellt werden. Durch geeignete Strukturierung können im Rahmen der Erfindung mit einem DOE auf einfache Weise mehrere Foki in

unterschiedlichem Abstand zum DOE eingerichtet werden. Mittels eines DOEs ist es zudem möglich, Energie für verschiedene Foki jeweils aus dem gleichen bzw. gesamten Strahlquerschnitt des Laserstrahls zu gewinnen, wodurch etwaige ungleichmäßige Ausleuchtungen innerhalb des Strahlquerschnitts unkritisch sind.

Das diffraktive optische Element ist bevorzugt antireflex-beschichtet, um

Schäden durch rückgeworfenes Laserlicht zu vermeiden.

Bei einer vorteilhaften Variante umfasst die strahlformende Optik ein refraktives optisches Element, insbesondere eine bifokale Linse oder eine multifokale Linse. Refraktive optische Elemente sind vergleichsweise einfach und kostengünstig herzustellen, insbesondere ist keine so große

Fertigungsgenauigkeit wie für diffraktive optische Elemente nötig. Refraktive optische Elemente beruhen darauf, dass unterschiedliche Teile des

Laserstrahlquerschnitts mit unterschiedlich zur Strahlachse geneigten Flächen und/oder unterschiedlicher Dicke abgelenkt (und somit in unterschiedliche Richtungen gebrochen) werden.

In einer bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass der Laserstrahl eine Multi- Mode-Strahlung umfasst, und dass benachbarte Foki einen Abstand AB entlang der Strahlachse aufweisen, mit AB > 2 ^* HB, mit HB: Halbwertsbreite eines Fokus des Laserstrahls in Strahlrichtung ohne die strahlformende Optik. Mit dieser Variante können klar abgegrenzte Foki erhalten werden, um die

Leistungsverteilung in der Dampfkapillare optimal einzustellen. Mit der Multimode-Strahlung kann eine besonders hohe mittlere optische Leistung bereitgestellt bzw. genutzt werden. Diese Variante wird insbesondere mit DOEs genutzt, deren strahlformende Wirkung auf Interferenzeffekten beruht und damit stark wellenlängenabhängig ist. Jeder Fokus geht mit einem lokalen Intenstitätsmaximum der Laserstrahlung entlang der Strahlachse (z-Richtung) einher. Die Halbwertsbreite bezeichnet den Abstand zwischen den beiden Orten auf der Strahlachse, an denen die Intensität zu beiden Seiten des zu dem Fokus gehörenden Intensitätsmaximums auf die Hälfte der Intensität des Maximums abgefallen ist (FWHM). Bevorzugt ist auch eine Variante, bei der mittels der strahlformenden Optik weiterhin wenigstens ein Zusatzfokus erzeugt wird, der neben der Strahlachse des Laserstrahls außerhalb der Dampfkapillare liegt. Mittels des Zusatzfokus kann die Temperaturverteilung im Werkstück weiter optimiert werden, insbesondere um Temperaturgradienten weiter zu vermindern, und so die Heißrissbildung weiter zu reduzieren. Die Laserleistung des Laserstrahls (bzw. des Lasers) wird zwischen den Foki in der Dampfkapillare und dem oder den Zusatzfoki aufgeteilt. In einer vorteilhaften Weiterbildung hierzu liegt der Zusatzfokus innerhalb eines Schmelzbades, das der Dampfkapillare nachläuft. Dadurch können

Temperaturgradienten im Bereich der erstarrenden Schmelze besonders effizient reduziert werden. Besonders bevorzugt ist eine Variante, bei der als strahlformende Optik ein einzelnes strahlformendes optisches Element eingesetzt wird, insbesondere wobei das strahlformende optische Element mit einer Einschubkassette in den Strahlengang des Laserstrahl gebracht wird. Ein einzelnes strahlformendes Element ist einfach zu handhaben und insbesondere auch einfach

auszutauschen, wenn sich die Bearbeitungsaufgabe an einer

Laserschweißstation geändert. Mit einer Einschubkassette ist ein besonders schneller Wechsel möglich, wobei mittels der Kassette auch eine einfache und exakte Positionierung des optischen Elements bezüglich des Strahlengangs möglich ist.

Vorteilhaft ist weiterhin eine Variante, bei der die strahlformende Optik im Strahlengang des Laserstrahls

- zwischen einer Kollimationsoptik und einer Fokussieroptik

- oder hinter einer Fokussieroptik im Strahlengang des Laserstrahls

angeordnet wird. An diesen Stellen ist eine optimale Ausleuchtung der strahlformenden Optik leicht möglich; zudem kann an diesen Stellen eine strahlformende Optik, die die erfindungsgemäßen wenigstens zwei Foki erzeugt, besonders leicht in bestehenden optischen Strahlengängen bzw.

Laserschweißvorrichtungen nachgerüstet werden. In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt weiterhin eine

Laserschweißvorrichtung, ausgebildet zur Durchführung eines oben

dargestellten, erfindungsgemäßen Verfahrens. Mit der Laserschweißvorrichtung können Werkstücke gefertigt werden, bei denen die Heißrissbildung aufgrund der erfindungsgemäßen Leistungsverteilung in der Dampfkapillare beim

Laserschweißen reduziert ist, und meist auch eine verminderte

Schweißspritzerbildung erreichbar ist. Die Laserschweißvorrichtung umfasst typischerweise eine Laserlichtquelle (etwa das Ende eines Lichtleitkabels, welches anderenends an einen Laser angeschlossen ist), einen

Bearbeitungskopf, der die strahlformende Optik, und typischerweise auch eine Kollimationsoptik und/oder eine Fokussieroptik enthält, und meist auch einen Werkstückhalter (etwa eine Auflage oder ein Klemmhalter) für das zu

schweißende Werkstück bzw. dessen zu verschweißende Werkstückteile.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausfüh- 5 rungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserschweißvorrichtung, zur Durchführung i o des erfindungsgemäßen Laserschweißverfahrens in einer ersten

Variante, mit einem DOE, das zwei Foki erzeugt;

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserschweißvorrichtung, zur Durchführung 15 des erfindungsgemäßen Laserschweißverfahrens in einer zweiten

Variante, mit einem refraktiven optischen Element, das fünf Foki erzeugt;

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform einer

20 erfindungsgemäßen Laserschweißvorrichtung, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Laserschweißverfahrens in einer dritten Variante, mit einem DOE, das zwei Foki sowie einen Zusatzfokus im Schmelzbad erzeugt;

25 Fig. 4 eine schematische Aufsicht auf eine geätzte, binäre DOE-Struktur, für die Erfindung;

Fig. 5 eine simulierte Intensitätsverteilung einer

Laserschweißvorrichtung, hinter dem DOE von Fig. 4;

30 eine simulierte Intentsitätsverteilung der in Fig. 5 verwendeten Laserschweißvorrichtung, ohne das DOE von Fig. 4; eine schematische Darstellung einer Phasenverschiebung einer DOE-Struktur für die Erfindung, welche zwei Foki auf der

Strahlachse sowie einen Zusatzfokus erzeugt; eine Röntgenaufnahme von der Seite auf eine Schweißnaht, die mit einem Fokus nach dem Stand der Technik geschweißt wurde, mit Heißrissen; eine Röntgenaufnahme von der Seite auf eine Schweißnaht, die mit zwei Foki mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geschweißt wurde; einen Querschliff einer Schweißnaht, senkrecht zur

Schweißrichtung, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geschweißt wurde; eine schematische Darstellung der Schweißnaht von Fig. 10; eine Schrägansicht auf die Bearbeitungszone einer Schweißnaht, die mit einem Fokus nach dem Stand der Technik geschweißt wird; eine Schrägansicht auf die Bearbeitungszone einer Schweißnaht, die mit zwei Foki nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geschweißt wird. Die Fig. 1 zeigt in einer schematischen Querschnittsansicht entlang einer Schweißrichtung SR eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserschweißvorrichtung 1 , mit der ein Werkstück 2 (mit jeweils einem

Werkstückteil oberhalb und unterhalb der Zeichenebene) gemäß dem

erfindungsgemäßen Verfahren in einer ersten Variante geschweißt wird. Ein Laserstrahl 3 propagiert dabei relativ zum Werkstück 2 in Schweißrichtung SR.

Der Laserstrahl 3 tritt am Ende einer Lichtleitfaser (Lichtleitkabel) 4 aus und wird zunächst von einer Kollimationsoptik 5 (hier umfassend eine

Kollimationslinse) parallelisiert und passiert dann eine strahlformende Optik 6. Die strahlformende Optik 6 ist hier als ein diffraktives optisches Element (DOE) 7 ausgebildet, das aus dem gesamten Querschnitt des Laserstrahls 3 einen Teilstrahl 8 und ebenfalls aus dem gesamten Querschnitt des Laserstrahls 3 einen weiteren Teilstrahl 9 formt. Die Teilstrahlen 8, 9 haben unterschiedliche Öffnungswinkel und werden sodann von einer Fokussieroptik 13 (hier umfassend eine Fokussierlinse) an die beiden Foki 8a, 9a fokussiert. Die Fokussieroptik 13 wird auch als Bearbeitungsoptik bezeichnet. Die Foki 8a, 9a liegen beide auf der Strahlachse 17 des Laserstrahls 3, wenngleich in unterschiedlichen Tiefen im Werkstück 2.

Die Foki 8a, 9a sind eine Folge von Beugung am DOE 7, also von konstruktiver und destruktiver Interferenz von Anteilen des Laserstrahls 3 ausgehend von der Unterseite des DOE 7. Das DOE 7 umfasst hier ein (nur schematisch

dargestelltes) für die Erzeugung der Foki 8a, 9a ausgelegtes Höhenprofil, das in eine Quarzglas-Scheibe eingeätzt ist, und durch das die optische Weglänge in Laserstrahlrichtung (vgl. die Strahlachse 17) durch das DOE 7 als Funktion des Ortes im Strahlquerschnitt eingestellt wird.

Für eine leichte Auswechselbarkeit ist die strahlformende Optik 6 hier als einzelnes optisches Element ausgebildet und in einer Einschubkassette 21 angeordnet, die in eine entsprechende Führung in einem Bearbeitungskopf 22 der Laserschweißvorrichtung 1 eingeschoben und herausgezogen werden kann. Die eingeschobene Einschubkassette 21 platziert die strahlformende Optik 6 korrekt ausgerichtet im Laserstrahl 3.

Die Foki 8a, 9a liegen in einer Dampfkapillare 14, die vom Laserstrahl 3 bzw. den Teilstrahlen 8, 9 im Werkstück 2 erzeugt wird. Die Dampfkapillare 14 ist von einem Schmelzbad 15 umgeben, dass mit seinem größten Teil der

Dampfkapillare 14 nachläuft. Der obere (erste) Fokus 9a ist hier in

Laserstrahlrichtung (vgl. die Strahlachse 17) weiter von der der

Werkstückoberfläche 16 entfernt als der untere (zweite) Fokus 8a vom unteren Ende 18 der Dampfkapillare 14.

Durch die beiden Teilstrahlen 8, 9 mit den Foki 8a, 9a wird erfindungsgemäß in eine untere Hälfte 19 der Dampfkapillare 14 mehr Laserleistung eingekoppelt als in die obere Hälfte 20, beispielsweise wobei ca. 60% der gesamten, in die Dampfkapillare 14 eingekoppelten Laserleistung auf die untere Hälfte 19 entfällt. Man beachte, dass Laserleistung des ersten Teilstrahls 9 bzw. ersten Fokus 9a sowohl zu einem Teil in der oberen Hälfte 20 als auch zu einem Teil in der unteren Hälfte 19 eingekoppelt wird (insbesondere wegen Reflexionen an der Wand der Dampfkapillare 14); entsprechendes gilt für den zweiten Teilstrahl 8 bzw. den zweiten Fokus 8a.

In der gezeigten Variante weiterhin auch auf das untere Drittel 23 der

Dampfkapillare14 eine Einkopplung von mehr als der Hälfte der in die

Dampfkapillare 14 eingekoppelten Laserleistung.

Durch die erfindungsgemäße Leistungsverteilung in der Dampfkapillare 14 sind Heißrisse im Bereich des Nahtgrundes des abgekühlten Werkstücks 2 reduziert, und Schweißspritzer während des Schweißprozesses reduziert. Die Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserschweißvorrichtung 1 , zur Durchführung des erfindungsgemäßen

Laserschweißverfahrens in einer zweiten Variante. Es werden vor allem die wesentlichen Unterschiede zur Ausführungsform/Variante von Fig. 1 erläutert.

Der aus der Lichtleitfaser 4 austretende Laserstrahl 3 wird hier von einer Kollimationsoptik 5 parallelisiert, und dann von einer strahlformenden Optik 6 auf das Werkstück 2 abgebildet. Die strahlformende Optik 6 ist hier mit einem refraktiven optischen Element in Gestalt einer multifokalen Linse („Zonenlinse") 24 ausgebildet, die an ihrer Unterseite ringförmige Abschnitte mit

unterschiedlicher Neigung gegen die Strahlachse 17 aufweist; man beachte, dass die ringförmigen Abschnitte weiterhin geringfügig in sich gekrümmt sind (nicht näher dargestellt). Das Laserlicht wird in den radial weiter außen liegenden ringförmigen Abschnitten stärker gebrochen als in den radial weiter innen liegenden Abschnitten; entsprechend werden Teilstrahlen 12, 1 1 , 10, 9, 8 gebildet.

Der radial äußerste ringförmige Abschnitt der multifokalen Linse 24 fokussiert das ihn passierende Laserlicht, das ist der Teilstrahl 12 des Laserstrahls 3, in einen obersten Fokus 12a. Die innere Grenze 12b des Teilstrahls 12 ist hier gepunktet dargestellt, die äußere Grenze des Teilstrahls 12 mit einer durchgezogenen Linie. Die weiteren ringförmigen Abschnitte der multifokalen Linse 24 fokussieren die sie passierenden Teilstrahlen 1 1 , 10, 9, 8, von denen jeweils nur die äußeren Grenzen durchgezogen dargestellt sind, an den Foki 1 1 a, 10a, 9a, 8a. Die strahlformende Optik 6 übernimmt hier also nicht nur eine Aufteilungsfunktion, sondern auch eine Fokussierfunktion. Die Foki 12a, 1 1 a, 10a, 9, 8a liegen alle auf der Strahlachse 17 und innerhalb der Dampfkapillare 14.

Drei Foki 10a, 9, 8a liegen hier in der unteren Hälfte der Dampfkapillare 14, und zwei der Foki 12a, 1 1 a liegen in der oben Hälfte 20 der Dampfkapillare 14. In der gezeigten Ausführungsform liegen die drei Foki 10a, 9a, 8a auch im unteren Drittel 23 der Dampfkapillare 14. Im mittleren Drittel 25 der Dampfkapillare 14 liegt hier kein Fokus, und in einem oberen Drittel 26 der Dampfkapillare 16 liegen die beiden Foki 12a, 1 1 a. In der gezeigten Ausführungsform entfallen wiederum ca. 60% der in die Dampfkapillare 14 eingestrahlten Laserleistung auf die untere Hälfte 19 der Dampfkapillare 14.

Die Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen

Laserschweißvorrichtung 1 , zur Durchführung des erfindungsgemäßen

Laserschweißverfahrens in einer dritten Variante. Es werden vor allem die wesentlichen Unterschiede zur Ausführungsform/Variante von Fig. 1 erläutert.

In dieser Ausführungsform ist das DOE 7 dazu ausgebildet, aus dem

Laserstrahl 3 nicht nur zwei Teilstrahlen 8, 9 mit Foki 8a, 9a auf der Strahlachse 17 zu erzeugen, sondern auch einen Teilstrahl 27, der in einem Zusatzfokus 27a fokussiert wird. Dieser Zusatzfokus 27a liegt im nachlaufenden Teil des Schmelzbads 15, also abseits der Strahlachse 17.

Die Laserleistung verteilt sich hier auf einen ersten Teil, der in die

Dampfkapillare 14 eingekoppelt wird (vgl. Foki 8a, 9a), und einen zweiten Teil, der direkt in das Schmelzbad 15 eingestrahlt wird (vgl. Zusatzfokus 27a). Der erste Teil der Laserleistung, welcher in die Dampfkapillare 14 eingekoppelt wird, entfällt hier wiederum zu ca. 60% auf die untere Hälfte 19 der Dampfkapillare 14, und zu 40% auf die obere Hälfte 20 der Dampfkapillare 14. Der zweite Teil der Laserleistung, welcher direkt in das Schmelzbad 15 eingestrahlt wird, ändert die Temperaturverteilung im nachlaufenden Schmelzbad 15, wobei erfindungsgemäß Temperaturgradienten im erstarrenden und/oder bereits erstarrten Werkstückmaterial abgemindert werden. Dadurch wird die

Heißrissbildung weiter verringert. Auch können Konvektionsströme im

Schmelzbad verringert werden, wodurch die Spritzerbildung reduziert werden kann. Die Fig. 4 zeigt schematisch eine typische geätzte, binäre Struktur eines diffraktiven optischen Elements (DOE), welches mit der Erfindung genutzt werden kann. Helle Bereiche markieren eine erste Höhenstufe, dunkle Bereiche eine zweite Höhenstufe in einem Höhenprofil eines transparenten Materials (etwa Quarzglas), das bei seinem Durchstrahlen (senkrecht zur Zeichenebene) einen lokalen Phasenversatz im Laserstrahl proportional zur lokalen Dicke des Materials verursacht. Mit diesem DOE wird ein Laserstrahl auf zwei Teilstrahlen verteilt, die in an unterschiedlichen Stellen in Strahlausbreitungsrichtung mittels einer gemeinsamen Fokussieroptik (vgl. Fig. 1 , Bzz. 13) fokussiert werden. Das hier im Ausschnitt gezeigte DOE ist beispielsweise als eine 2-Zoll-Maske gefertigt. Zur Wechselwirkung mit dem DOE kann der Laserstrahl aufgeweitet werden, insbesondere auf 20 mm Strahldurchmesser oder mehr. Die Fig. 5 zeigt eine simulierte, räumliche Verteilung der Intensität der

Laserstrahlung hinter dem DOE von Fig. 4; nach rechts ist die longitudinale Position z (entspricht der Strahlausbreitungsrichtung) aufgetragen, und nach oben ist die transversale Position x (senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung) aufgetragen. Zunehmende Helligkeit steht für höhere Intensität (in willkürlichen Einheiten). Die Intensitätsverteilung bildet hier zwei Maxima aus, nämlich an longitudinalen Positionen von ca. -1 ,1 mm und +1 ,1 mm, was einem Abstand AB der Maxima von ca. 2,2 mm entspricht.

Die Fig. 6 zeigt zum Vergleich die simulierte, räumliche Intensitätsverteilung im gleichen optischen Aufbau wie in Fig. 5 verwendet, jedoch ohne das DOE von Fig. 4. In diesem Fall bildet sich durch die Fokussieroptik lediglich ein einzelnes Maximum am Koordinatenursprung (bei z=0) aus. Die Intensität fällt (bezüglich z) bei ca. -0,5mm und +0,5mm jeweils auf die Hälfte der Maximalintensität ab. Entsprechend liegt die Halbwertsbreite HB (gemäß Füll Width at Half Maximum, FWHM) bei ca. 1 ,0 mm. Somit gilt hier ca. AB=2,2 ^* HB, was eine gute Trennung der beiden Maxima in der Intensitätsverteilung der Fig. 5 erlaubt, und eine gute Kontrolle über die Temperaturverteilung im Werkstück zur Vermeidung von Heißrissen und zur Reduzierung von Schweißspritzern ergibt.

Fig. 7 illustriert die Phasenverteilung an einem DOE, welches mit der Erfindung eingesetzt werden kann, und mit dem zwei Foki auf der Strahlachse sowie ein Zusatzfokus abseits der Strahlachse erzeugt werden kann (vgl. dazu Fig. 3). Nach rechts (x) und oben (y) sind transversale Richtungen (senkrecht zur Strahlachse) aufgetragen; der lokale Grad der Helligkeit entspricht dem lokalen Phasenversatz in rad (hier zwischen ca. -3 rad ganz dunkel, und ca. +3 rad ganz hell, vgl. rechte Skala). Die Phasenversatz wird typischerweise dadurch eingestellt, dass eine entsprechende Dicke eines für die Laserwellenlänge im Wesentlichen transparenten Materials, etwa Quarzglas, durchdrungen wird; das Material wird mit einem entsprechenden Höhenprofil versehen, etwa durch Ätzen.

Die Phasenverteilung weist eine kreisförmige Zentralzone sowie mehrere konzentrische, ringförmige weitere Zonen auf („Ringstruktur"). Innerhalb einer Zone gibt es jeweils zueinander parallele, gerade (hier in y-Richtung

verlaufende) und (hier in x-Richtung) aufeinanderfolgende Unterstrukturen, an denen jeweils die Phase zu einer gleichen Seite hin abfällt, in der Kernzone etwa nach rechts (positive x-Richtung) („Gitterstruktur"). Zwischen

benachbarten Zonen wechselt jeweils die Seite, nach der die Phase der Unterstrukturen abfällt; in der innersten ringförmigen Zone fällt die Phase beispielsweise nach links (negative x-Richtung) ab.

Mit dieser Phasenverteilung bzw. einem entsprechenden Höhenprofil des DOEs werden zwei Foki auf der Strahlachse (bei x, y=0, verlaufend senkrecht zur Zeichenebene) sowie ein Zusatzfokus in x-Richtung neben der Strahlachse liegend erzeugt. Die longitudinale Strahlteilung (Einrichtung zweier Foki entlang der Strahlachse) erfolgt durch die„Ringstruktur", während die transversale Strahlteilung (Einrichtung von Foki auf der Strahlachse einerseits und des des Zusatzfokus abseits der Strahlachse anderrerseits) durch die„Gitterstruktur" erfolgt. In der gezeigten Ausführungsform wird die Laserintensität

näherungsweise gleich auf den ersten Fokus, den zweiten Fokus und den Zusatzfokus verteilt, wodurch eine gut erkennbare Phasenverteilung in der Fig. 7 erhalten wird. Durch Anpassung der Phasenverteilung (etwa Einstellung der Ringdurchmesser, Ringbreiten, Abstände der Unterstrukturen, usw.) kann die räumliche Verteilung der gebeugten Laserintensität verändert und für eine jeweiligen Laserschweißprozess im Rahmen der Erfindung angepasst bzw. optimiert werden.

Die Fig. 8 zeigt eine Röntgendurchstrahlungsanalyse eines Werkstücks im Bereich einer Schweißnaht (Schweißrichtung in Links/Rechts-Richtung), die in einem Vergütungsstahl (Typ 42CrMoS4) mit einem Festkörperlaser, Leistung 1 ,8 kW, cw-Betrieb, Fokuslage -2mm, Vorschubgeschwindigkeit 1 ,0 m/min gefertigt wurde. Dabei wurde der Laserstrahl in herkömmlicher Weise fokussiert (auf einen Fokus). Über die analysierte Nahtlänge sind hier sieben Heißrisse, jeweils mit einer Länge von ca. 2 mm, erkennbar.

Die Fig. 9 zeigt eine Röntgendurchstrahlungsanalyse eines Werkstücks im Bereich einer Schweißnaht, die unter gleichen Bedingungen wie bei Fig. 8 angegeben gefertigt wurde, jedoch unter Verwendung eines DOEs zur

Aufspaltung des Laserstrahls auf zwei in Strahlrichtung (hier senkrecht von oben nach unten) beabstandete Foki (vgl. Fig. 4, Fig. 5), mit erfindungsgemäß verteilter Laserleistung, entsprechend einer Einkopplung von mehr als der Hälfte der Laserleistung in die untere Hälfte der Dampfkapillare. Über die analysierte Nahtlänge sind keinerlei Heißrisse erkennbar. Fig. 10 zeigt einen Querschliff (senkrecht zur Schweißrichtung) einer typischen Schweißnaht (hier in Einschweißung), die im Rahmen gemäß des

erfindungsgemäßen Verfahrens gefertigt wurde; die obere Nahtbreite beträgt hier ca. 2mm. Fig. 11 zeigt dazu schematisch entsprechend die Grenzlinie 32 zwischen erstarrtem Werkstückmaterial 30 (innen) und festgebliebenem

Werkstückmaterial 31 (außen), entsprechend der maximalen Ausdehnung des Schweißbades während des Schweißprozesses. Die Schweißnaht 29 ist hier näherungsweise I-förmig ausgebildet. Insbesondere gilt für die mittlere Breite MBO im oberen Drittel 33 der Schweißnaht 29 und für die mittlere Breite MBU im unteren Drittel 34 der Schweißnaht ca. MBU=0,7 ^* MBO. Die I-förmige Schweißnaht 29 kann mit einer erfindungsgemäßen Verteilung von

Laserleistung gut erhalten werden.

Bei einer I-förmigen Schweißnaht (für die gilt MBU>0,6 ^* MBO, bevorzugt MBU>0,7 ^* MBO) haben sich Heißrisse im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders wirksam vermeiden lassen.

Man beachte, dass im Rahmen der Erfindung sowohl Einschweißungen als auch Durchschweißungen gefertigt werden können.

Die Fig. 12 zeigt eine Schrägansicht auf eine Schweißnaht eines Werkstücks beim Laserweißen, Werkstückmaterial Vergütungsstahl (Typ 42CrMoS4), Festkörperlaser, Leistung 1 ,8 kW, cw-Betrieb, Fokuslage -2mm,

Vorschubgeschwindigkeit 1 ,0 m/min. Dabei wurde der Laserstrahl in

herkömmlicher Weise fokussiert (auf einen Fokus). Auf ca. 63,4% des Bildes sind Schweißspritzer (hell) zu sehen.

Die Fig. 13 zeigt eine Schrägansicht auf eine Schweißnaht eines Werkstücks beim Laserschweißen, unter gleichen Bedingungen wie bei Fig. 12 angegeben, jedoch unter Verwendung eines DOEs zur Aufspaltung des Laserstrahls auf zwei in Strahlrichtung (hier senkrecht von oben nach unten) beabstandete Foki (vgl. Fig. 4, Fig. 5), mit erfindungsgemäß verteilter Laserleistung, entsprechend einer Einkopplung von mehr als der Hälfte der Laserleistung in die untere Hälfte der Dampfkapillare. Hier sind auf ca. 55,7% des Bildes Schweißspritzer zu sehen. Entsprechend konnte die Schweißspritzerbildung deutlich, hier um ca. 1/8, reduziert werden.

Bezugszeichenliste

1 Laserschweißvorrichtung

2 Werkstück

3 Laserstrahl

4 Lichtleitfaser (Lichtleitkabel)

5 Kollimationsoptik

6 strahlformende Optik

7 diffraktives optisches Element (DOE)

8 Teilstrahl

8a (zweiter) Fokus

9 Teilstrahl

9a (erster) Fokus

10-12 Teilstrahlen

10a-12a Foki

12b innere Grenze (des Teilstrahls)

13 Fokussieroptik (Bearbeitungsoptik)

14 Dampfkapillare

15 Schmelzbad

16 Oberfläche (des Werkstücks)

17 Strahlachse

18 unteres Ende (der Dampfkapillare)

19 untere Hälfte (der Dampfkapillare)

20 obere Hälfte (der Dampfkapillare)

21 Einschubkassette 22 Bearbeitungskopf

23 unters Drittel (der Dampfkapillare)

24 multifokale Linse

25 mittleres Drittel (der Dampfkapillare)

26 oberes Drittel (der Dampfkapillare)

27 Teilstrahl

27a Zusatzfokus

29 Schweißnaht

30 erstarrtes Material

31 festgebliebenes Material

32 Grenzlinie

33 oberes Drittel (der Schweißnaht)

34 unteres Drittel (der Schweißnaht)

AB Abstand (der Foki in Strahlrichtung)

HB Halbwertsbreite

MBO Mittlere Breite des oberen Drittels der Schweißnaht

MBU Mittlere Breite des unteren Drittels der Schweißnaht

SR Schweißrichtung