CN101573204B - 激光束加工装置以及聚焦位置的调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有至少一个激光束源(2)来把环形激光聚焦(26)加到至少一个工件(12、25)上的激光束加工装置(1)。根据本发明，设置有投影装置(29)来把从工件(12、25)反射的激光辐射(20)投影到一个探测单元(24)上；此外，本发明涉及一种相对于至少一个工件(12、25)的环形激光聚焦(26)的聚焦位置的调节方法。

Description

激光束加工装置以及聚焦位置的调节方法

技术领域

DE 10 254 847 A1以及EP 1 508 397 A1提出了所谓的轴向环焊或环淬火的激光束加工装置。这种激光束加工装置的特别是，用特殊的光学器件可产生环形的位于一个平面内的激光聚焦。

此外，还有所谓周边环焊或环淬火用的激光束加工装置，用这种激光束加工装置可产生一个沿着至少一个工件的周边延伸的激光聚焦。特别是在激光束加工装置用于产生一个周边的激光聚焦时会出现聚焦位置调节的困难，其所以如此，特别是因为激光聚焦由于激光加工装置的结构在至少一个工件上尤其在两个工件的接触区的接缝部位从外面看不清里面的缘故。但为了激光加工过程不受到不良影响，必须保证被加工的工件在激光聚焦时精确定位和不产生角度误差。在不精确定位的情况下，会引起激光聚焦的不均匀的强度分布，这对激光束加工过程和加工结果产生不利影响。

发明内容

本发明的目的是这样改进上述激光束加工装置，以便于在至少一个工件上进行聚焦位置的调节，此外，本发明的目的是提出一种环形激光聚焦的聚焦位置调节的相应最佳方法。

上述目的是通过具有权利要求1所述特征的激光束加工装置和具有权利要求9所述特征的方法来实现的。本发明的诸多有利改进可从各项从属权利要求中得知。在说明书中、权利要求中和/或附图中公开的至少两个特征的全部组合也属于本发明的范畴。其中，仅仅涉及上述装置方面公开的特征应视为涉及上述方法方面公开的特征并可提出权利要求，反之，仅仅涉及上述方法方面的特征同样可视为涉及上述装置方面的特征并可提出权利要求，以避免重复。

本发明基于这样的构思：把从至少一个工件反射的激光辐射即特别是环形的激光光点用一个探测单元投影在该工件上，以便由此可判断相对于这至少一个工件的环形激光束聚焦的位置，并随即用手动方式或尚待稍后说明的自动方式相对于这至少一个工件调节该激光聚焦，特别是通过激光光路的有效的影响和/或通过该至少一个工件的有效的调节来进行。当激光聚焦的位置偏离最好保持均匀强度分布的最佳位置时，这是可以通过对图像的分析来判断的，例如特别是由于环形激光聚焦的图像不清晰、激光光点的图像的绝对位置产生移动，和/或环形激光光点的宽度即径向延伸比在最佳聚焦位置大时，都会出现这种情况。激光束和/或工件位置可一直调节，直至使图像的清晰度和/或图像的绝对位置和/或图像的宽度和/或图像的亮度并由此使实际的激光聚焦的亮度在工件上达到最佳为止。通过配置至少一个探测单元，可省去对工件上的激光聚焦的直接观察。

本发明的激光束加工装置和本发明的调节方法特别适用于用来在至少一个工件的周边上产生一个环形的例如圆环形的激光聚焦，以便例如将两个工件焊接在一起或使至少一个工件热淬火。此外，对于用来产生位于一个平面内的环形激光束聚焦的激光束加工装置来说，也可用一个探测单元来探测激光聚焦的图像。激光聚焦优先这样相对于工件进行调节，使工件上的环形激光聚焦内(并由此使探测单元上的图像内)的强度分布至少接近恒定，以保证环形的即周边闭合的聚焦区域内至少一个工件的均匀加热。根据本发明原理构成的激光束加工装置可用于工件的焊接、淬火、回火，等等。

在本发明的有利改进方案中，在探测单元上反射激光辐射的投影装置包括一个射束分裂器，该分裂器把从至少一个工件反射的激光辐射作为观察光路反回到该探测单元的方向。在这种情况下，优先将工件的环形激光光点的整个面积投影在该探测单元上。

在该观察光路中，设置一个旋转三棱镜来把环形激光聚焦投影到该探测单元平面上，这种方案是特别有利的。同时，在至少一个激光束源和至少一个工件之间的本身的激光光路中最好同样设置一个旋转三棱镜来产生环形的观察激光束，这种环形激光束特别是在通过聚焦镜后从锥形反射镜优先径向向内或径向向外偏转到至少一个工件的外周或内周上。

为了把外来光影响减少到最低限度，在一个有利方案中，在观察光路内设置了激光波长的至少一个光滤波器例如带通滤波器、中性密度滤波器，等等。

为了避免特别是由于环形激光聚焦的投影因太高的强度而损坏探测单元，在本发明的改进方案中，用一个主控激光束来进行相对于至少一个工件的激光聚焦的位置或激光聚焦位置的调节，该主控激光束的强度优先小于本来的加工激光束的强度。这种主控激光束应这样设定参数，即虽然该激光束可从工件反射并投影到探测单元上，但它不熔化该工件。重要的是，该主控激光束的聚焦位置应与加工激光束的聚焦位置一致，所以主控激光束优先至少部分地通过像本来的加工激光束那样的相同的光路。

应优先选用这样的方案，即主控激光束可由也用来产生加工激光束的同一个激光束源来产生。另一方案是，除了加工激光束源外，另设置一个主控激光束源，这时，主控激光束必须输入加工激光束的光学器件中。

探测单元包括至少一个光电二极管、优先包括多个光电二极管的方案是特别有利的，这时，这至少一个光电二极管优先设计成适用于红外辐射谱。在这种情况下，应优先这样进行激光束聚焦的调节，使环形的反光激光束具有均匀的强度。探测单元优先由多个光电二极管构成，这样，工件或激光束聚焦的位置误差可从光电二极管的单个信号(光电流)中求出。优先选用四象限光电二极管，这时通过简单的评估即可推断错误定位。在激光聚焦或工件错误定位的情况下，实际的强度分布偏离最佳的均匀强度分布，从而导致不同的光电二极管输出不同大小的光电流。与此同时，由于散焦还使从工件反射的激光辐射的投影长度即径向延伸加大。作为探测单元也可用数码摄像机(例如CCD，CMOs等等)，这时，数码摄像机的光电二极管可设计成在红外辐射区或可见辐射区工作。图像的处理最好用合适的图像处理软件借助图像的亮度分布和/或借助图像的清晰度或借助激光束环的延伸来进行。

特别是在使用数码摄像机作为探测单元的情况中，可用一种合适的附加照明例如同轴地通过光学器件或通过布置在光学器件外部的照明来使图像结果最佳化。

应特别优先选用这样的方案，即聚焦位置的调节不是用手动方式而是用一种调节装置来完成，该调节装置根据探测单元探测的测试数据调节激光聚焦和工件之间的相对位置。该调节装置最好设计成控制装置并最好根据该探测单元在至少一个工件上探测的实际状态调节激光辐射的至少接近均匀的强度分布。为此，该调节装置优先改变工件位置，例如角度位置和/或在轴向和/或在径向内的工件位置。旋转对称的工件最好这样定位，使旋转轴与激光轴加工装置的光轴重合。同样可调节加工激光束光路。聚焦位置的调节可分几步进行，例如用第一个激光前波测定聚焦位置，然后用调节装置根据该测定值改变聚焦位置，再次进行测定，特别是用另一个激光前波进行测定，然后需要时再次改变聚焦位置，以此类推。

本发明也涉及一种相对于至少一个工件的环形激光聚焦的聚焦位置的调节方法，根据本发明，从工件反射的激光辐射被投影到一个探测单元上，并根据该探测单元的测量数据尤其是根据该探测单元的光电二极管的光电流例如通过激光束光路的改变和/或通过工件的位置改变来表示聚焦位置。聚焦位置的调节优先作为控制方法自动进行。

附图说明

本发明的其他优点、特征和细节可从优选实施例以及结合附图进行的以下说明中得知；附图表示：

图1带有一个探测单元的激光束加工装置的示意结构图，从一个工件反射的激光辐射被投影到该探测单元上；

图2a，2b带有最佳聚焦位置的工件的侧视图和俯视图；

图3聚焦位置定位错误的工件。

具体实施方式

在附图中凡是具有相同功能的相同零部件都用相同的附图标记表示。

图1表示工件12、25淬火或焊接用的激光束加工装置1。该激光束加工装置具有一个激光束源2，该激光束源产生具有圆形横截面面积的脉动激光束3。激光束3通过光波导管4沿着光轴6(Z轴)输入光学装置5。光波导管4的出射区7可垂直地和水平地(沿着Y轴和X轴)相对于光轴6进行调节(箭头方向A)。从而可进行激光束3或激光束光路27的定中心。

扩张的激光束3入射到一个离光波导4的入射区7有一定距离的布置在激光束光路27中的光学装置5的准直仪8上，该准直仪使激光束平行。准直仪8可垂直地和水平地沿着Y轴和X轴(箭头方向B)相对于光轴6(Z轴)进行调节，从而可达到平行化的激光束3’的强度的均匀分布。平行矫直的激光束3’射到一个离准直仪8轴向一定距离布置的、位于激光束光路27中的旋转三棱镜9上，后者具有一个锥形的入射面10和一个垂直于激光束光路27布置的平面反射面11。

旋转三棱镜9可在轴向内沿着光轴6(箭头方向C)进行调节，从而可改变到两个在轴向内紧贴的工件12、25(基体和盖)上的尚待稍后说明的入射角α，这两个工件用尚待稍后说明的调节装置28可在全部空间方向内进行调节并可对准角度。

具有圆形横截面面积的平行矫直的激光束3’用旋转三棱镜9转换成具有圆环形横截面面积的激光束3”，后者通过一个含有聚焦物镜13的聚焦装置14发射并轴向射到一个沿箭头方向D一定距离在激光束光路27中可调的带有内反射面16的锥形反射镜15上。锥形反射镜15把环形激光束3”’径向向内以一个相对于光轴6的角度α偏转到工件12、25的外表面18范围内的侧面接缝区17。圆柱形的工件15、25和聚焦装置14相互以一定距离布置成能使环形激光束3”’在工件15、25的侧面接缝区17上聚焦。通过锥形反射镜15沿着光轴6移动可改变产生的激光束聚焦26的直径。通过圆锥角的选择可调节激光束3”’相对于光轴6或工件12、25的对称轴入射到工件12、25上的入射角α。利用同时作用到整个接缝区17上的激光束或激光聚焦产生均匀的对称环形焊缝。

也可用一个带有外锥面的未示出的锥形反射镜来代替带有内反射镜16的锥形反射镜15。这种锥形反射镜优先移入工件12、25中，这样激光束3”’的偏转不是像图示出那样径向向内而是径向向外偏转到工件12、25的内周边上。

激光束加工装置1包括把从工件12、25反射的激光辐射投影到探测单元24上的装置29。这个探测单元24通过数据电缆30以信号线方式与调节装置28连接。调节装置28用于使工件12、25对准激光聚焦26并由此使紧贴的工件12、25接触区的接缝区17的激光束3”’的强度均匀化。

从工件12、25的反射激光辐射投影到探测装置24的装置29包括一个布置在激光光路27中的射束分裂器19。利用射束分裂器19把从工件12、25反射的激光辐射反射到锥形反射镜15并从该处通过聚焦装置14和旋转三棱镜9作为观察光路20从激光光路27输出。在观察光路20中布置有一个旋转三棱镜21，以便产生环形的激光束，该激光束在反射镜22上偏转90°并利用聚焦透镜23在探测单元24上聚焦。也即把接缝区17的激光光点的图像投影到在所示实施例中作为四象限光电二极管构成的探测单元24上。如果例如旋转对称的工件12、25的对称轴不与光轴6重合，则在接缝区17产生不均匀的强度分布，这导致作为红外光电二极管构成的探测单元24的光电二极管测出不同的强度并由此产生不同的光电流。这种光电流或相应的信号通过数据电缆30传输到调节装置28，该调节装置根据这些测量数据这样定位工件12、15(箭头方向G)，使工件12、25的周边上的强度分布至少接近均匀，即在这种情况中，工件12、25的对称轴与光轴6重合。此外，或另一种可供选择的办法是，调节装置27可不断进行调节来对激光光路27的光学器件产生影响。特别是对用数码摄像机作为探测单元24的情况来说，调节装置28或调节装置28的未示出的处理单元可对图像的清晰度、径向内的图像延伸、亮度分布等方面的图像数据进行处理。优先用调节装置28总是这样进行调节，使工件12、25上达到均匀的和/或要求的强度分布。

图2a和2b表示在旋转对称的工件12的最佳定位的激光聚焦26的情况。从中可以看出，工件12的对称轴S与光轴6重合。激光聚焦26的强度分布在工件12的整个周边上至少是接近恒定的。

图3表示一个移动了的聚焦位置，从中可以看出，工件12的对称轴S离光轴6有一定的距离。这导致工件12整个周边的不均匀的强度分布，由此导致从工件12反射的激光辐射的强度或投影到探测单元24上的强度的不均匀性。

Claims (7)

1.激光束加工装置，具有至少一个用来把环形激光聚焦(26)加到至少一个工件上的激光束源(2)，

其特征为，

设置有用来把从工件(12、25)反射的激光辐射投影到一个探测单元(24)上的投影装置(29)，

配置有主控激光束的产生装置，这种主控激光束虽然从工件(12、25)反射，但该工件不熔化，其中，主控激光束是这样取向的，即主控激光束的聚焦位置与加工激光束的聚焦位置一致，

激光束源(2)被构造成产生主控激光束和加工激光束，

其中，探测单元(24)包括至少一个光电二极管，其中，设置有一个调节装置(28)，用以根据探测单元(24)测出的测量数据调节相对于工件(12、25)的聚焦位置，其中，调节装置(28)通过调节而在工件(12、25)上形成激光聚焦(26)的至少接近均匀的强度分布，其中，所述调节装置改变工件位置。

2.按权利要求1的激光束加工装置，

其特征为，

投影装置(29)包括一个在激光束源(2)和工件(12、25)之间布置在激光光路(27)中的射束分裂器(19)，该射束分裂器是这样构成和布置的，即所述射束分裂器把从工件(12、25)反射的激光辐射作为观察光路(20)从激光光路(27)输出。

3.按权利要求2的激光束加工装置，

其特征为，

在观察光路(20)中布置了一个旋转三棱镜(9，21)。

4.按权利要求1至3任一项的激光束加工装置，

其特征为，

在观察光路(20)中，至少布置了一个光学滤波器。

5.按权利要求1至3任一项的激光束加工装置，其特征为，探测单元(24)包括多个光电二极管并作为四象限光电二极管或作为数码摄像机构成。

6.相对于至少一个工件(12、25)调节环形激光聚焦(26)的聚焦位置的方法，

其特征为，

把从工件(12、15)反射的激光辐射投影在探测单元(24)上，并根据探测单元(24)的测出数据进行聚焦位置的调节，

配置有主控激光束的产生装置，这种主控激光束虽然从工件(12、25)反射，但该工件不熔化，其中，主控激光束是这样取向的，即主控激光束的聚焦位置与加工激光束的聚焦位置一致，

激光束源(2)被构造成产生主控激光束和加工激光束，

其中，探测单元(24)包括至少一个光电二极管，其中，设置有一个调节装置(28)，用以根据探测单元(24)测出的测量数据调节相对于工件(12、25)的聚焦位置，其中，调节装置(28)通过调节而在工件(12、25)上形成激光聚焦(26)的至少接近均匀的强度分布，其中，所述调节装置改变工件位置。

7.按权利要求6的方法，

其特征为，

聚焦位置的调节自动地作为控制方法来进行。

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