Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Laser schweißprozesses zum Verschweißen zweier Werkstücke, insbesondere aus Glas, Kristall, Keramik oder Glas-Metallverbindung, mittels eines Laserstrahls, der durch das eine Werkstück hindurch in einen Grenzbereich der beiden Werkstücke fokussiert wird, um die beiden Werkstücke miteinander zu verschweißen, sowie auch eine zum Durchführen dieses Verfahrens geeignete Laserbearbeitungsma schine.

Das Laserschweißen von Gläsern ist hinlänglich bekannt, z.B. aus folgenden Ver öffentlichungen:

- Elke Kaiser, “Laser Welding of Glass Replaces Glueing Procedure Glass welding with a femtosecond laser brings economic advantages and new design options”, Laser Technik Journal, Volumei 3, Issue 3, Mai 2016, Seiten 22-25; und

- Simone Russ et al., “Lasers in Manufacturing Conference 2017 Strong connection: welding of different kinds of glass using femtosecond laser pulses”,

2017

Um die Verkippung eines Werkstücks zu korrigieren und die Schweißnaht optimal zu positionieren, werden bisher mehrstufige Verfahren eingesetzt. Im ersten Schritt wird die Position des Werkstücks entlang der Schweißnahtkontur oder an hand mehrerer Fixpunkte vermessen. Die Vermessung erfolgt dabei oftmals op tisch über die Reflexion eines Messstrahls an der Grenzfläche oder der ersten Glasoberfläche. In einem zweiten Schritt wird das Werkstück ausgerichtet oder die Fokuslage gesteuert angepasst. Im letzten Schritt erfolgt der Schweißprozess.

Aus der WO 2019/238715 A1 ist weiter ein Verfahren zur Inspektion einer Schweißverbindung zweier Werkstücke bekannt, wobei ein Spalt zwischen den beiden Werkstücken mittels eines OCT (Optical Coherence Tomography)-Mess- systems erkannt und die erzeugte Schweißverbindung in Abhängigkeit von der Spaltbreite als fehlerhaft oder nicht fehlerhaft beurteilt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beim Laserschweißen von z.B. Glas, Kristallen, Keramiken und Glas-Metallverbindungen die Laserfokusposi tion des Laserstrahls zur Grenzfläche zu überwachen und insbesondere bei er kannten Abweichungen von der optimalen Laserfokusposition entgegenwirkende Maßnahmen vorzunehmen sowie eine entsprechende Laserbearbeitungsma schine anzugeben.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß durch die Verfahrensschritte nach Anspruch 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird die Laserfokusposition zur Grenzfläche im Schweißprozess mittels des OCT-Messstrahls erkannt und überwacht, wobei die Erkennung auf Brechzahlunterschieden zwischen den Fügepartnern oder dem Brechzahlsprung an einem Spalt zwischen den Fügepartnern basiert. So können beispielsweise Ab weichungen von der optimalen Laserfokusposition zur Grenzfläche erkannt wer den. Dies ermöglicht entgegenwirkende Maßnahmen oder eine Regelung. Es ver steht sich, dass zumindest das Werkstück, durch das hindurch der Laserstrahl und der OCT-Messstrahl auf den Grenzbereich gerichtet werden, transparent für die Wellenlängen des Laserstrahls und des OCT-Messstrahls sind.

Die erfindungsgemäße Überwachung ist jedoch nicht für alle Materialkombinatio nen zuverlässig möglich. Insbesondere bei Materialien mit identischer Brechzahl ist im Bearbeitungspunkt oftmals kein zuverlässiges Signal zu erwarten, da die Grenzflächen miteinander verschmolzen werden und dementsprechend keine de- tektierbaren Brechzahlsprünge auftreten. Gleiches gilt, wenn die Werkstücke un mittelbar aneinander anliegen und dementsprechend kein detektierbarer Brech zahlsprung auftritt. Für ein zuverlässiges Signal sollte der Brechzahlunterschied zwischen den zwei Werkstücken mit unterschiedlichen Brechzahlen bevorzugt mindestens 0,000001 und der Spalt zwischen zwei Werkstücken höchstens 100 pm, bevorzugt höchstens 10 pm, besonders bevorzugt höchstens 5 pm, betragen. Besonders bevorzugt wird ein Laserbearbeitungsparameter, wie z.B. die Position des Laserfokus, die Fokuslänge oder die Laserleistung, in Abhängigkeit der be stimmten Position(en) der Grenzfläche(n) derart angepasst oder nachgeregelt, dass einer Änderung der Position der Grenzfläche(n) entgegengewirkt wird. Diese Anpassung kann vorteilhaft erst dann erfolgen, wenn die Grenzflächenposition au ßerhalb eines Schwellwertes liegt. Eine Positionierung oder Nachregelung des La serfokus kann beispielsweise durch Ändern des Abstands zwischen einer den La serstrahl in den Grenzbereich der Werkstücke richtenden Bearbeitungsoptik und den Werkstücken oder durch Ändern des Abstands des Laserfokus zur Bearbei tungsoptik erfolgen.

Der Laserfokus kann punktförmig oder, gesehen in Strahlrichtung des Laser strahls, langgezogen ausgebildet sein und über die bestimmte(n) Position(en) der Grenzfläche(n) hinwegbewegt werden, um die beiden Werkstücke miteinander zu verschweißen. Darüber hinaus kann der Laserfokus auch andere Strahlformen wie Multispots, Ringverteilungen, ... aufweisen. Zum Ausbilden einer Schweißnaht wird der Laserfokus relativ zu den Werkstücken in einer Schweißrichtung bewegt, wobei der OCT-Messstrahl zusammen mit dem Laserfokus in der Schweißrichtung mitbewegt wird.

In einer bevorzugten Verfahrensvariante weist der OCT-Messstrahl einen einzigen Messpunkt auf, der, gesehen in Schweißrichtung des Laserfokus, dem Laserfokus vorläuft oder der um den Laserfokus herum oder vor dem Laserfokus quer zur Schweißrichtung des Laserfokus bewegt wird. In einer anderen bevorzugten Ver fahrensvariante weist der OCT-Messstrahl eine um den Laserfokus herum ange ordnete Messpunktverteilung auf, um so die Grenzflächenposition(en) während dem Schweißprozess zuverlässig und richtungsunabhängig im Laserfokus bzw. im Bearbeitungspunkt ermitteln zu können. Insbesondere sollte der Schwerpunkt der Messpunktverteilung im Laserfokus bzw. im Bearbeitungspunkt liegen. Hierfür können die Messpunktverteilung des OCT-Messstrahls durch mehrere einzelne OCT-Messpunkte (Multispots) oder einen OCT-Messring um den Laserfokus herum gebildet sein. Die Aufteilung des OCT-Messstrahls in eine Messpunktvertei lung um den Laserfokus herum führt dazu, dass sich die Tiefeninformation aller OCT-Messpunkte im reflektierten OCT-Messsignal überlagert. Die Auswertung der mittleren Tiefe ergibt die Grenzflächenposition im Bearbeitungspunkt.

Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch eine zum Durchführen des er findungsgemäßen Verfahrens geeignete Laserbearbeitungsmaschine zum Laser schweißen zweier Werkstücke, insbesondere aus Glas, Kristall, Keramik oder Glas-Metallverbindung, mittels eines Laserstrahls, der durch das eine Werkstück hindurch in einen Grenzbereich der beiden Werkstücke fokussiert wird, um die bei den Werkstücke miteinander zu verschweißen, mit einem Laserstrahlerzeuger zum Erzeugen des Laserstrahls, mit einer Bearbeitungsoptik zum Richten des La serstrahls in den Grenzbereich der beiden Werkstücke, mit einem OCT (Optical Coherence Tomography) zum Erzeugen eines OCT-Messstrahls, mit einer OCT- Optik zum Richten des OCT-Messstrahls in den Grenzbereich, insbesondere seit lich neben dem Laserfokus oder um den Laserfokus herum, mit einer Bestim mungseinrichtung zum Bestimmen der Position einer Werkstück/Werkstück- Grenzfläche oder einer Werkstück/Spalt-Grenzfläche anhand des an der jeweili gen Grenzfläche reflektierten und vom OCT detektierten OCT-Messstrahls und mit einer Überwachungseinrichtung zum Überwachen des Laserschweißprozesses anhand der bestimmten Position(en) der Grenzfläche.

Vorzugsweise weist die Laserbearbeitungsmaschine eine Regelungseinrichtung auf, die mindestens einen Laserbearbeitungsparameter, insbesondere die Position des Laserfokus, die Fokuslänge oder die Laserleistung, in Abhängigkeit der be stimmten Position(en) der Grenzfläche(n) ändert. Zum Ändern der Position des Laserfokus können der Abstand zwischen der Bearbeitungsoptik und den Werk stücken oder der Abstand des Laserfokus zur Bearbeitungsoptik in Abhängigkeit der bestimmten Position(en) der Grenzfläche(n) geändert werden. Im ersten Fall sind die Bearbeitungsoptik und/oder die Werkstücke in Z-Richtung des einfallen den Laserstrahls bewegbar, und die Z-Position der Bearbeitungsoptik und/oder der Werkstücke wird von der Regelungseinrichtung entsprechend angepasst. Im zweiten Fall kann im Strahlengang des Laserstrahls eine Optik mit verstellbarer optischer Weglänge, z.B. ein verstellbares Teleskop, angeordnet sein, und die op tische Weglänge wird von der Regelungseinrichtung entsprechend angepasst. Die OCT-Optik kann vorteilhaft einen OCT-Scanner, der den OCT-Messstrahl ge genüber dem einfallenden Laserstrahl ablenkt, oder ein strahlformendes Element aufweisen, das eine um den einfallenden Laserstrahl herum angeordnete Mess punktverteilung des OCT-Messstrahls erzeugt, insbesondere in Form einzelner OCT-Messpunkte (Multispots) oder eines OCT-Messrings.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen entnehmbar. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merk male je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung fin den. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschlie ßende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Laserbe arbeitungsmaschine zum Laserschweißen zweier Werkstücke mit tels eines Laserstrahls und zum Überwachen des Laserschweiß prozesses mittels eines OCT-Messstrahls;

Fign. 2a, 2b zwei aneinander anliegende Werkstücke mit unterschiedlichen Brechzahlen (Fig. 2a) und zwei durch einen Spalt voneinander ge trennte Werkstücke mit gleichen oder unterschiedlichen Brechzah len (Fig. 2b); und

Fign. 3a, 3b eine um den Laserfokus des Laserstrahls herum angeordnete OCT-Messpunktverteilung in Form von einzelnen OCT-Mess- punkten (Fig. 3a) oder eines OCT-Messrings (Fig. 3b).

Die in Fig. 1 schematisch gezeigte Laserbearbeitungsmaschine 1 dient zum Über wachen eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier aufeinanderlie gender, hier lediglich beispielhaft plattenförmiger Werkstücke 2, 3 aus einem für die Laserwellenlänge transparenten Material, z.B. aus Glas, mittels eines Laser strahls 4. Als Laserstrahl 4 wird bevorzugt ein gepulster Ultrakurzpulslaserstrahl mit Pulsen im Femto- oder Pikosekundenbereich und mit Frequenzen der Repetiti onsraten von 100kFlz bis zu mehreren MFIz verwendet. Alternativ könnte auch ein nicht gepulster Laserstrahl 4 eingesetzt werden.

Die zu fügenden Werkstücke 2, 3 werden mit einer Halteeinrichtung 5 auf einem Achssystem 6 fixiert, das in X- und Y-Richtung, also rechtwinklig zur Z-Richtung des einfallenden Laserstrahls 4, sowie auch in Z-Richtung verfahrbar ist.

Die Unterseite des in Fig. 1 oberen Werkstücks 2 und die Oberseite des unteren Werkstücks 3 können aneinander anliegen und für den Fall unterschiedlicher Brechzahlen n1, n2 eine gemeinsame Grenzfläche 7 ausbilden (Fig. 2a), in der die Verschweißung vorgenommen werden soll bzw. vorgenommen wurde, oder durch einen (Luft)Spalt 8 (Brechzahl n3) voneinander getrennt sein und für den Fall gleicher Brechzahl n1 oder unterschiedlicher Brechzahlen n1 , n2 zwei Grenz flächen 7a, 7b ausbilden (Fig. 2b), die miteinander verschweißt werden sollen oder miteinander verschweißt wurden.

Die Laserbearbeitungsmaschine 1 weist einen Laserstrahlerzeuger 9 zum Erzeu gen des Laserstrahls 4 und ein Strahlführungssystem 10 zum Führen des Laser strahls 4 vom Laserstrahlerzeuger 9 zu einer Bearbeitungsoptik 11 auf. Der Laser strahl 4 wird von der Bearbeitungsoptik 11 durch das obere Werkstück 2 hindurch in einen Grenzbereich 12 der Werkstücke 2, 3, bevorzugt in das untere Werkstück 3 nahe dessen Oberseite, fokussiert, um dort ein Schmelzvolumen zu erzeugen. Der Laserfokus F kann punktförmig oder, gesehen in Strahlrichtung des Laser strahls 4, langgezogen ausgebildet sein. Darüber hinaus kann der Laserfokus auch andere Strahlformen wie Multispots, Ringverteilungen, ... aufweisen. Durch die dabei sehr hohen erreichbaren Intensitäten im Laserfokus F treten im Glasma terial nichtlineare Absorptionseffekte auf. Bei geeigneten Repetitionsraten des ge pulsten Laserstrahls 4 kommt es zu Wärmeakkumulationseffekten im Glasmate rial, wodurch es zu einem lokalen Aufschmelzen des Glasmaterials kommt. Das Schmelzvolumen wird entsprechend so in die Werkstücke 2, 3 gelegt, dass es nahe der Grenzfläche 7 bzw. nahe mindestens einer der beiden Grenzflächen 7a, 7b angeordnet ist oder die Grenzfläche 7 bzw. mindestens eine der beiden Grenz flächen 7a, 7b umfasst. Beim Erstarren des aufgeschmolzenen Materials findet eine stoffschlüssige Verschweißung der Werkstücke 2, 3 statt.

Durch eine Relativbewegung zwischen dem einfallenden Laserstrahl 4 und den Werkstücken 2, 3 in XY-Richtung wird der Laserfokus F in einer Schweißrichtung (hier in X-Richtung) bewegt, um in den Werkstücken 2, 3 eine Schweißnaht 13 einzuziehen. Dazu können die Werkstücke 2, 3 mittels des Achssystems 6 gegen über dem einfallenden Laserstrahl 4 und/oder die Bearbeitungsoptik 9 samt dem austretenden Laserstrahl 4 gegenüber den Werkstücken 2, 3 bewegt werden.

Die Laserbearbeitungsmaschine 1 weist weiterhin einen OCT (Optical Coherence Tomography) 14 zum Erzeugen eines OCT-Messstrahls 15 auf, der nach Durch laufen einer Transportfaser 16 mithilfe einer Linse 17 kollimiert wird. Danach trifft der OCT-Messstrahl 15 auf ein strahlformendes Element 18, das dazu ausgebildet ist, zusammen mit der Bearbeitungsoptik 11 eine gewünschte Messpunktvertei lung des OCT-Messstrahls 15 in der jeweiligen Grenzfläche 7, 7a, 7b zu erzeugen. Nach dem strahlformenden Element 18 wird der OCT-Messstrahl 15 mit einem schräg angeordneten Strahlteiler (z.B. dichroitischer Spiegel) 19 in den Strahlen gang des Laserstrahls 4 eingekoppelt. Der Strahlteiler 19 ist für die Wellenlänge des Laserstrahls 4 hochreflektierend und für die Wellenlänge des OCT- Messstrahls 15 transparent, oder umgekehrt. Anschließend wird der OCT- Messstrahl 15 von der Bearbeitungsoptik 11 in den Grenzbereich 12 der beiden Werkstücke 2, 3 fokussiert. Die Komponenten 11, 17, 18 bilden eine OCT-Optik zum Richten des OCT-Messstrahls 15 in den Grenzbereich 12. Der OCT- Messstrahl 15 wird an der jeweiligen Grenzfläche 7, 7a, 7b zumindest teilweise re flektiert und gelangt zurück zum OCT 14, wo er in bekannter Weise mit einem OCT-Referenzstrahl des OCT 14 überlagert wird. Die Überlagerung der beiden Strahlen wird detektiert, um durch Vergleich der optischen Weglänge des OCT- Messstrahls 15 mit der bekannten optischen Weglänge des OCT-Referenzstrahls den Abstand der Grenzfläche 7, 7a, 7b zum OCT 14 zu ermitteln.

Während des Schweißens wird der OCT-Messstrahl 15 in den Grenzbereich 12, insbesondere seitlich neben dem Laserfokus F des Laserstrahls 4 gerichtet und so die Grenzfläche 7, 7a, 7b erkannt. Für ein zuverlässiges Signal sollte im Fall von Fig. 2a der Unterschied der Brechzahlen n1 , n2 der beiden Werkstücken 2, 3 be vorzugt mindestens 0,000001 und im Fall von Fig. 2b der Spalt 8 zwischen zwei Werkstücken 2, 3 höchstens 100 pm, bevorzugt höchstens 10 pm, besonders be vorzugt höchstens 5 pm, betragen.

In einer Bestimmungseinrichtung 20, die, wie in Fig. 1 gezeigt, in den OCT 14 inte griert sein kann, wird die Position der Werkstück/Werkstück-Grenzfläche 7 oder der Werkstück/Spalt-Grenzflächen 7a, 7b anhand des detektierten OCT-Mess- strahls 15 bestimmt und an eine Überwachungseinrichtung 21 weitergeleitet, die den Laserschweißprozess anhand der bestimmten Position(en) der Grenzflä che^) 7, 7a, 7b überwacht. Liegt beispielsweise die Breite eines detektierten Spaltes 8 jenseits eines vorgegebenen Grenzwerts, so wird der Laserschweißpro zess von der Überwachungseinrichtung 21 abgebrochen.

Vorzugsweise weist die Laserbearbeitungsmaschine 1 weiterhin eine Regelungs einrichtung 22 auf, die mithilfe einer Maschinensteuerungseinheit 23 mindestens einen Laserbearbeitungsparameter in Abhängigkeit der bestimmten Position(en) der Grenzfläche(n) 7, 7a, 7b anpasst bzw. nachregelt. Bei dem Laserbearbei tungsparameter kann es sich beispielsweise um die Position des Laserfokus F, die Fokuslänge des Laserfokus F entlang der optischen Achse des Laserstrahls 4 oder die Laserleistung handeln. Liegt der Laserfokus F zwischen den beiden Grenzflächen 7a, 7b, kann, jeweils in Abhängigkeit der bestimmten Position(en) der Grenzfläche(n) 7a, 7b, die Fokuslänge oder die Position des Laserfokus F ent lang der optischen Achse des Laserstrahls 4 entsprechend geändert werden.

Diese Änderung der Fokusposition kann durch Anpassen des Abstands zwischen der Bearbeitungsoptik 11 und den Werkstücken 2, 3, also durch Verfahren der Be arbeitungsoptik 11 oder des Haltesystems 5 in Z-Richtung, oder aber durch An passen des Abstands des Laserfokus F zur Bearbeitungsoptik 11 erfolgen.

Um die Grenzflächenposition während dem Schweißprozess zuverlässig und rich tungsunabhängig im Laserfokus F bzw. Bearbeitungspunkt ermitteln zu können, wird die Position der Grenzfläche 7, 7a, 7b mithilfe einer geeigneten Messpunkt verteilung des OCT-Messstrahls 15 bestimmt. Idealerweise ist der Fokus des OCT-Messstrahls 15 so geformt, dass der Bereich um den Laserfokus F bzw. Be arbeitungspunkt vermessen wird. Dabei sollte der Schwerpunkt der Messpunktver teilung im Laserfokus F bzw. im Bearbeitungspunkt liegen. Hierzu eignen sich mehrere radial angeordnete OCT-Messpunkte (Multispots) 24 (Fig. 3a) oder ein OCT-Messring 25 (Fig. 3b), um die Grenzflächenposition zu ermitteln. Die Mess punktverteilung des OCT-Messstrahls 15 um den Laserfokus F herum führt dazu, dass sich die Tiefeninformation aller OCT-Messpunkte im OCT-Messsignal überla gert. Die Auswertung der mittleren Tiefe ergibt die Position der Grenzfläche 7, 7a, 7b im Laserfokus F bzw. im Bearbeitungspunkt.

Alternativ kann die Bestimmung der Grenzflächenposition mit einem in Fig. 1 ge strichelt dargestellten OCT-Scanner 26 erfolgen. Eine mögliche Variante wäre ein OCT-Messpunkt, der sich, gesehen in Schweißrichtung des Laserstrahls 4, vor dem Laserfokus F befindet und mit der Schweißrichtung mitgeführt wird. Eine wei- tere Variante besteht darin, dass der OCT-Messpunkt kontinuierlich und quer zur Schweißrichtung oder kreisförmig um den Laserfokus F herum gescannt wird. Aus der gemittelten Tiefeninformation kann die Position der Grenzfläche 7, 7a, 7b be stimmt werden.