DE-102020200798-B4 - Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung mittels eines in seinem Leistungsprofil verstellbaren Bearbeitungslaserstrahls

Abstract

Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung mittels eines Bearbeitungslaserstrahls (3), wobei aus einem polarisierten Eingangslaserstrahl (5) mittels eines doppelbrechenden Kristalls (7) ein erster Laserstrahl (8a), welcher zumindest in einen ersten Faserkern (9a) einer optischen Mehrfachkernfaser (9) eingekoppelt wird, und ein zweiter Laserstrahl (8b), welcher zumindest in einen zweiten Faserkern (9b) der Mehrfachkernfaser (9) eingekoppelt wird, erzeugt werden, wobei durch Beeinflussen der Polarisation des Eingangslaserstrahls (5) das Verhältnis, in dem die Leistung des Eingangslaserstrahls (5) auf den ersten und den zweiten Laserstrahl (8a, 8b) aufgeteilt wird, mit einer Modulationsfrequenz (f) zwischen 1 Hz bis 100 kHz, insbesondere zwischen 100 Hz und 100 kHz, geändert wird, und dadurch der erste und der zweite Laserstrahl (8a, 8b) alleine oder gemeinsam als Bearbeitungslaserstrahl (3) aus der Mehrfachkernfaser (9) ausgekoppelt werden dadurch gekennzeichnet, dass das Beeinflussen der Polarisation durch Wechseln zwischen linear, zirkular oder elliptisch polarisierter Polarisation mittels eines zum Ändern der Polarisation des Eingangslaserstrahls (5) mit der Modulationsfrequenz (f) ansteuerbaren, elektrooptischen Polarisationsmodulators (6), insbesondere Pockelszelle oder Faraday-Rotators, erfolgt.

Inventors

• Andreas Popp

Assignees

• TRUMPF Werkzeugmaschinen SE + Co. KG

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20200123

Claims (4)

1. Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung mittels eines Bearbeitungslaserstrahls (3), wobei aus einem polarisierten Eingangslaserstrahl (5) mittels eines doppelbrechenden Kristalls (7) ein erster Laserstrahl (8a), welcher zumindest in einen ersten Faserkern (9a) einer optischen Mehrfachkernfaser (9) eingekoppelt wird, und ein zweiter Laserstrahl (8b), welcher zumindest in einen zweiten Faserkern (9b) der Mehrfachkernfaser (9) eingekoppelt wird, erzeugt werden, wobei durch Beeinflussen der Polarisation des Eingangslaserstrahls (5) das Verhältnis, in dem die Leistung des Eingangslaserstrahls (5) auf den ersten und den zweiten Laserstrahl (8a, 8b) aufgeteilt wird, mit einer Modulationsfrequenz (f) zwischen 1 Hz bis 100 kHz, insbesondere zwischen 100 Hz und 100 kHz, geändert wird, und dadurch der erste und der zweite Laserstrahl (8a, 8b) alleine oder gemeinsam als Bearbeitungslaserstrahl (3) aus der Mehrfachkernfaser (9) ausgekoppelt werden dadurch gekennzeichnet , dass das Beeinflussen der Polarisation durch Wechseln zwischen linear, zirkular oder elliptisch polarisierter Polarisation mittels eines zum Ändern der Polarisation des Eingangslaserstrahls (5) mit der Modulationsfrequenz (f) ansteuerbaren, elektrooptischen Polarisationsmodulators (6), insbesondere Pockelszelle oder Faraday-Rotators, erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass die Grenzwerte für das Verhältnis, in dem die Leistung des Eingangslaserstrahls (5) auf den ersten und den zweiten Laserstrahl (8a, 8b) aufgeteilt wird, durch die Amplitude der an dem elektrooptischen Polarisationsmodulator (6) angelegten Spannung (U) festgelegt werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass während der Lasermaterialbearbeitung eines Werkstücks (2) die Modulationsfrequenz (f), mit der das Verhältnis der Laserleistung zwischen dem ersten und dem zweiten Laserstrahl (8a, 8b) eingestellt wird, geändert wird, insbesondere in Abhängigkeit von der Bearbeitungsgeschwindigkeit und/oder der Werkstückdicke geändert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der erste Faserkern (9a) von dem zweiten Faserkern (9b) ringförmig umgeben ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung mittels eines Bearbeitungslaserstrahls, wobei aus einem Eingangslaserstrahl ein erster Laserstrahl, welcher zumindest in einen ersten Faserkern einer optischen Mehrfachkernfaser eingekoppelt wird, und ein zweiter Laserstrahl, welcher zumindest in einen zweiten Faserkern der Mehrfachkernfaser eingekoppelt wird, erzeugt werden.. Ein derartiges Verfahren und eine Vorrichtung sind beispielsweise aus der US 2015 / 0 378 184 A1 bekannt. In den in 11A bis 11K gezeigten Varianten werden die senkrecht und die parallel polarisierten Anteile zweier Eingangslaserstrahlen mittels eines doppelbrechenden Kristalls voneinander räumlich separiert und anschließend zu einem senkrecht polarisierten, ersten Teillaserstrahl und zu einem parallel polarisierten, zweiten Teillaserstrahl kombiniert. Diese beiden Teillaserstrahlen werden jeweils in einen inneren Faserkern und einen den inneren Kern ringförmig umgebenden, äußeren Faserkern (Ringkern) einer optischen Faser eingekoppelt und dann aus der Faser als ein Bearbeitungslaserstrahl ausgekoppelt. Aus der WO 2011/ 124 671 A1 ist es bekannt, bei der Materialbearbeitung mit Laserstrahlung die Strahlprofilcharakteristik zu beeinflussen. Dabei werden ein oder mehrere Eingangslaserstrahlen mittels einer Einkoppeloptik entweder in einen inneren Faserkern oder in einen den inneren Kern umgebenden Ringkern oder in sowohl den inneren Faserkern als auch in den Ringkern einer optischen Mehrfachkernfaser eingekoppelt, und am anderen Faser wird dann ein Bearbeitungslaserstrahl mit in Abhängigkeit der involvierten Faserkerne unterschiedlicher Strahlprofilcharakteristik ausgekoppelt. Die Einkoppeloptik ist beispielsweise als eine in den Strahlengang des Eingangslaserstrahls hinein bewegbare Keilplatte ausgeführt, die den Eingangslaserstrahl entweder in den inneren Kern oder in den Ringkern ablenkt. Dieses bekannte Verfahren wird vorteilhaft sowohl beim Laserschneiden als auch beim Laserschweißen eingesetzt, wie beispielsweise aus der WO 2014/ 060 091 A1 oder der WO 2018/ 091 417 A1 bekannt ist. Aus der US 2019 / 0 383 998 A1 ist Laserschneidsystem bekannt, das einen zentralen Strahl und einen konzentrischen Ringstrahl über eine Mehrkernfaser zu einem kombinierten Strahlprofil überlagert und deren Leistungsdichten getrennt regelt. Eine Steuereinheit passt das Verhältnis von Center- zu Ringanteil insbesondere an die Werkstückdicke sowie an Prozesssituationen wie Richtungswechsel (Turning Points) an, indem sie Leistung(en) ggf. reduziert, moduliert oder den Ringstrahl bei dünnen Materialien abschaltet, um Schnittqualität und Prozessstabilität zu verbessern. Aus der JP2010-1 17564A ist ein wavelength selective switch (WSS) für WDM/ROADM-Netze bekannt, der die einzelnen Wellenlängenkanäle aus einem WDM-Signal trennt und gezielt auf gewünschte Ausgangsports schaltet, ohne MEMS-Spiegel zu verwenden. Statt einer MEMS-Spiegelmatrix (die wegen notwendiger zweiachsiger Spiegelbewegung bei ungünstiger Scharnier-/Hinge-Struktur Zuverlässigkeitsprobleme hat) nutzt der WSS eine PLC-Plattform mit AWG(s) zur spektralen Auftrennung sowie einen flüssigkristallbasierten Polarisations-Schalter mit doppelbrechendem Keil/Kristall (oder Polarization Displacer) und Spiegel: Der Flüssigkristall dreht die Polarisation (typisch 0°/90°), der birefringente Kristall wandelt den Polarisationszustand in eine räumliche Ablenkung (Strahlsteuerung) um, und über geeignete Anordnung (inkl. Reflexionspfad) werden die Kanäle mit hoher Präzision auf zwei oder mehrere Pfade/Ports (z. B. 1×2, kaskadiert 1×4) gelenkt und anschließend über AWG(s) wieder ausgekoppelt bzw. remultiplext; zusätzlich werden Lösungen beschrieben, die Kosten/Moduldicke und Auflösungsverluste durch optimierte Kristall-/LC-Anordnung und AWG-Design (z. B. FSR-Anpassung, Polarization-Diversity-Konzept) adressieren.Aus der Firmenschrift „Improving fiber laser weld quality and yield with CleanWeld“ (A Coherent White Paper, 2018 Coherent, Inc., MC1018) ist ein integrierter Ansatz fürs Faserlaserschweißen bekannt, der durch prozessoptimierte Strahlprofile (u. a. „ARM“-Technologie), angepasste Zustelloptiken/Fokussierköpfe und Applikations-Know-how die Prozessstabilität von Keyhole und Schmelzbad verbessert.. Die Lösung kombiniert dabei mehrere Stellhebel wie Intensitätsverteilung im Fokus, Strahlbewegung und Dampf-/Plasmaabfuhr und wird u. a. für spaltfreies Schweißen verzinkter Stähle, Powertrain-Komponenten sowie Al/Cu-Schweißungen in E-Auto-Batterien eingesetzt. Werkstücke mit großer Dicke (> 6 mm) können mit einem Bearbeitungslaserstrahl, der hauptsächlich aus dem Ringkern der optischen Faser austritt, schneller und mit höherer Qualität geschnitten werden. Werkstücke mit geringerer Blechstärke werden dagegen mit einem Bearbeitungslaserstrahl geschnitten, der hauptsächlich aus dem inneren Faserkern der optischen Faser austritt und daher eine höhere Strahlqualität aufweist. Heute wird die Le