CN105473271A - 用于以激光束进行材料加工的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于引导激光束来加工工件的装置，其中，该激光束通过一反射镜系统和一聚焦光学系统偏转到该工件上的能通过适当取向反射镜预选的加工点上。按照本发明设置，反射镜系统布置得与光学系统光学主平面的距离大于一倍焦距。该装置能够实现借助于激光扫描系统来加工带有突起的工件，而不会出现自遮挡。

Description

用于以激光束进行材料加工的装置

技术领域

本发明涉及一种用于引导激光束来加工工件的装置，其中，该激光束通过一反射镜系统和一聚焦光学系统偏转到工件上的能通过适当取向反射镜系统预选的加工点上。

背景技术

用来加工材料的激光辐射示例性地被用于标记、给印刷电路板钻孔、塑料件焊接或者还有烧结。在借助于激光辐射加工材料时，该辐射可以借助于一个所谓的扫描仪偏转到工件上的可选择的位置上，该扫描仪带有两个基本上正交地相对彼此布置的可转动的扫描仪反射镜。该偏转这样进行，使得可以在两维或三维上达到工件上的可选择的扫描场，其中，该扫描场主要是二维的，但也可以扩大到三维。激光辐射的聚焦可以用一个平面场物镜进行，它使激光辐射聚焦在目标上的一个平面中。在此尤其地，焦点的位置取决于激光辐射到该平面场物镜中的入射角度。因为激光束在目标上的偏转典型地大致与辐射到物镜中的接触角度成正比，所以所述扫描仪反射镜大多尽可能接近物镜地布置，以便通过物镜在辐射渐晕(Vignettierung)之前获得尽可能大的加工场。激光辐射的接触角度在平面工件上无关紧要，然而在三维成型的工件上一定会对于加工具有意义。由此，激光辐射到焦平面上的接触角度在平面工件的情况下在该系统的光学轴线上是垂直的，在光学轴线以外从该光学轴线离开地倾斜并朝所述加工场的边沿增大。

替代地，激光辐射在工件上的聚焦还可以用远心物镜进行，其中入射辐射在整个加工场中基本上垂直地接触到工件上。然而，这种远心物镜与较高的购置成本相联系并总是还造成一定的遮挡，从而使得不能令人满意地解决本发明的任务。针对机器视觉的特殊物镜具有这样的射线光程，该射线光程具有在目标侧上向内朝光学轴线倾斜的射线。这些物镜不适用于利用功率密度高的激光辐射的使用，因为它们不具有透镜的为此所需要的覆层。

现在用于引导射线的系统的缺点是：在三维目标的情况下，例如在光学轴线侧向的范围内，但还有在光学轴线上，激光辐射的一部分可能被目标遮挡。这可能导致加工品质下降或工件上的损坏，如果激光辐射接触了工件的一隆起部分的话。因此，按照现有技术通过从侧向安置的附加反射镜使激光辐射偏转到目标上。这要求精确的调整并且可能由于盒式反射镜的污染引起问题。

若这样的三维工件在没有扫描功能的情况下进行加工，则加工速度会降低并在不利的情况下不能进行加工。替代地，为了引导射线可以利用摆动扫描系统或环钻光学装置，其中通过三个楔形板可以达到垂直地在工件上接触的激光辐射的侧向错开。然而，这些光学-机械系统是耗费的并因此与高成本相联系。

发明内容

因此，本发明的任务是提供一种装置，它能够实现借助于激光辐射以改善的偏转，尤其在没有由于自遮挡而带来影响的情况下加工即使三维成型的目标。

本发明的任务这样解决，即该反射镜系统布置得与该光学系统的光学主平面的距离大于一倍焦距。

作为聚焦光学系统，在许多情况下使用所谓F-θ物镜(F-Theta-Objektiv)，它使入射辐射在大致与其在工件上的入射角度成正比的与光学轴线的距离上聚焦在一焦点上。这些反射镜定位得尽可能接近所述聚焦光学系统，以便可以实现很大的入射角度进而很大的加工面积。该激光辐射在一个背离光学轴线的角度下在离开光学轴线的情况下接触并因此可能被工件上的突起遮挡。按照本发明与此相反设置，激光辐射在一个面向光学轴线的角度下在离开光学轴线的情况下接触。这通过如下方式实现，即，设置扫描仪反射镜布置得与聚焦光学系统的距离大于按照现有技术的距离。现在这些反射镜安置在该聚焦光学系统的一倍焦距之内，从而使得可以达到希望的大的加工区。由此，光路径从光学轴线离开地倾斜，其中，该角度随着与光学轴线的距离增大而增大。若反射镜定位在该光学系统的焦点上，则所述出射射线会定向得基本上平行于光学轴线。通过按照本发明布置得超过焦点距离，所述出射射线按照希望朝所述光学轴线倾斜并可以加工工件上的位置，而不会被工件中间的突起自遮挡。在此，还可能使用简单的物镜来满足这些要求，正如作为示例在焊接塑料构件时的要求，其中往往1毫米或更大点的焦点直径就足够了。利用所述系统例如可行的是，使两个插在一起的管子相互焊接。采用传统的系统，只有在走绕道的情况下这才可能做到。

若该反射镜系统具有各带有一个转动轴的两个能运动的反射镜，则这些反射镜可以用电流计式(galvanometrischen)驱动装置特别迅速地移动并因此把该激光束定位和引导到工件上的加工点上。由此能够在工件上达到短的加工持续时间、高的加工速度或移动速度(示例性地用于准同时焊接)和高的生产能力。

在一个优选的实施方案中，聚焦光学系统构造为平面场物镜。若采用可以是F-θ物镜的平面场物镜，则该激光辐射可以在工件上在一平坦加工平面上也达到小的焦点直径或者更好的成像品质。若采用比较简单的聚焦光学装置，则示例性地该聚焦光学装置使该激光光线聚焦在一个球壳上，从而使得在离开光学轴线的区域内产生一个较大的焦点或者工件或光学装置必须相应地被追踪。

在另一个优选的实施方案中，所述反射镜系统构造成两个基本上彼此正交的偏转反射镜或构造成万向节悬挂的单个反射镜。由此可以使用商业上惯用的具有高加工速度的扫描头，并尽管如此防止了由于工件上突起的自遮挡。

附图说明

下面参照在图中所显示的实施例对本发明作较详细的说明。附图中：

图1是按照现有技术的射线径迹；

图2是在按照本发明的系统下的射线径迹；

图3是加工两个管子时的射线径迹。

具体实施方式

图1示出按照现有技术的第一扫描系统10，其用于借助于激光辐射加工工件上部19和工件下部16。在该示例中，工件上部19具有一面向工件下部16的与工件下部16焊接的基板。激光源的光在扫描系统10中借助于至少一个偏转反射镜11作为聚焦透镜13的入射射线12被输送，该聚焦透镜把激光作为第一出射射线14聚焦在工件上部19的基板上。为了进行偏转一般采用两个近似彼此(不完全)正交的偏转反射镜，这两个偏转反射镜中在这里显示的是一偏转反射镜11。替代地，作为示例还可以使用一单个的、万向节悬挂的偏转反射镜11，或一压电系统，以便使两个不平行的转动轴运动。偏转反射镜11布置在离开聚焦透镜13的第一反射镜距离17上，从而使得该偏转反射镜处于聚焦透镜13的一倍焦距之内。第一出射射线14从光学轴线18离开地倾斜，其中，倾斜角度随着在工件上部19上的接触点与该光学轴线的距离而增大。在这里显示的实施例中，工件上部19在中间区域内具有一工件突出。通过这种系统，第一出射射线14在自遮挡区域15内接触所述工件突出。由此，工件上部19可能在自遮挡区域15内受损和/或射线品质或射线强度可能在工件上部19上的加工点内是不足的。

图2示出了带有按照本发明被改善的系统的第二扫描系统20。图1中那样的相同构件设有相同附图标记。偏转反射镜11布置在一个相对于第一反射镜距离17放大了的第二反射镜距离21上。入射射线12与第一扫描系统10中相比，更加远离光学轴线18地接触到聚焦透镜13上。当聚焦透镜13的焦距与图1的系统相同时，而且当聚焦透镜13以一次近似表现得如同F-θ物镜时，该激光束作为第二出射射线22向内向光学轴线18倾斜地接触到在该工件上的与图1中相同的部位上。第二出射射线22在一个自由射线区域23内经过工件上部19上的工件突出并以该加工所要求的射线品质聚焦到所述工件上部19上。根据聚焦透镜13和工件上部19之间可用距离的不同可以使用聚焦透镜13的尽可能小的焦距，以便达到一个尽可能强烈地向光学轴线倾斜的接触角度。在优化的范围内，缩小射线直径也可以是有意义的。作为聚焦透镜13可以使用商业上惯用的平面场物镜，例如所谓的F-θ物镜。

图3示出了用于应用按照本发明的装置来以激光束进行材料加工的一个示例。第一管件31置入第二管件33中并且这两个管件31、33应该在环形焊缝32上彼此连接。为此，激光辐射30在一个朝光学轴线18倾斜的角度下接触到焊缝32上。通过激光辐射30朝光学轴线18的倾斜避免了激光辐射30被第一管件31遮住。

Claims (4)

1.用于引导激光束来加工工件的装置，其中，所述激光束通过一反射镜系统和一聚焦光学系统偏转到所述工件上的能通过适当取向所述反射镜系统来预选的加工点上，其特征在于，所述反射镜系统布置得与所述光学系统的光学主平面的距离大于一倍焦距。

2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反射镜系统具有两个能运动的反射镜，它们各具有一转动轴。

3.按照权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述聚焦光学系统构造为平面场物镜。

4.按照权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，所述反射镜系统实施成两个近似彼此正交的偏转反射镜或实施成万向节悬挂的单个反射镜。