CN113557101A - 用于激光加工装置的光束形成和偏转光学系统、以及使用激光束加工工件的方法 - Google Patents

用于激光加工装置的光束形成和偏转光学系统、以及使用激光束加工工件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于激光加工装置的光束形成和偏转光学系统(1)，其包括至少两个光学元件(2、3)，所述光学元件在激光束(L)的方向(z)上一个接一个地布置并且由具有相应楔角(αi)的楔形件(5、6)形成，至少一个光学元件(2)连接到用于使所述光学元件(2)围绕光轴(c)旋转的驱动器，由此一个光学楔形件(5)可以相对于至少一个其他光学楔形件(6)旋转。本发明还涉及一种使用准直激光束(L)加工工件(W)的方法。为了在工件(W)上实现激光束(L)的不同形状，一个接一个地布置的每个光学楔形件(5、6)仅覆盖激光束(L)的一部分。

Description

用于激光加工装置的光束形成和偏转光学系统、以及使用激 光束加工工件的方法
技术领域
本发明涉及一种用于激光加工装置的光束形成和偏转光学系统，其包括至少两个光学元件，所述光学元件在准直激光束的方向上一个接一个地布置并且由具有相应楔角的楔形件形成，其中至少一个光学元件连接到用于使光学元件围绕光轴旋转的驱动器，由此光学楔形件可以相对于至少一个其他光学楔形件旋转。
本发明还涉及一种使用准直激光束加工工件的方法，其中准直激光束穿过光束形成和偏转光学系统，所述光束形成和偏转光学系统包括具有相应楔角的至少两个光学楔形件形式的至少两个光学元件，所述光学元件在激光束的光束方向上一个接一个地布置，以及聚焦透镜，其中至少一个光学楔形件围绕光轴相对于所述光束形成和偏转光学系统的至少一个其他光学楔形件旋转。
背景技术
本发明涉及使用激光束加工工件(特别是激光焊接或激光斑焊和钎焊)的方法和装置，以及通过一个或若干激光束结合电弧加工工件的方法和装置，例如在激光混合焊接方法中使用电弧。
使用激光束可以例如焊接、切割工件，可以通过焊接将元件连接到工件，或者可以通过借助于激光引入的热来加工工件的表面。取决于工件的应用和条件，需要不同直径和形状的激光束照射到工件表面上的光斑。激光束的形成通常通过相应的光学元件发生，所述光学元件布置在激光生成装置和可能的准直透镜的下游，以便影响激光束。通过该类型的光束形成和偏转光学系统，可以在待加工工件的表面上生成适合各种任务的不同光斑形状的激光束。
还可能需要在工件的持续加工期间改变激光束的功率密度分布，为此目的，使用包括可移动布置的光学元件的相应光学装置。
例如，EP 2 780 131 B1描述了一种用于激光焊接的方法，其中旋转光学元件以改善焊接工艺，并且因此相应地偏转激光束。
EP 3 250 958 B1描述了一种使用激光束加工工件的装置和方法，其中，为了形成和偏转激光束，设置至少一个板状光学元件，其一个表面设有具有不同倾斜度的扇形面的圆形图案，由此焦平面中的激光焦点被分解为多个光斑，这些光斑以环形方式围绕光束路径的光轴布置。
US 9,285,593 B1描述了一种用于形成激光束以获得具有特定强度分布的圆形或方形光斑形状的方法。为此目的，将具有相对复杂表面轮廓的全表面光学元件插入激光束的光束路径中。
从US 5,526,167 A和US 3,720,454 A中已知一种用于扫描系统的光学装置，通过该光学装置可以相应地偏转激光束或改变焦点。除了技术领域不同，激光束的光斑形状和功率密度都不会发生变化。
现有类型的已知方法和装置的缺点是在工件加工期间光斑形状的变化缺乏灵活性和/或光束形成和偏转光学系统的复杂和精细的结构，这没有提供激光加工装置的紧凑设计。
发明内容
因此本发明的目的在于创造激光加工装置的上述光束形成和偏转光学系统以及使用激光束加工工件的上述方法，由此可以针对各种应用获得简单且自适应光束形状。光束形状的改变也应能够在激光加工过程期间尽可能快速地进行。进一步以尽可能节省空间的方式构造光束形成和偏转光学系统，使得具有小干涉轮廓的光束形成成为可能。要防止或至少减少已知装置和方法的缺点。
根据本发明的目的通过激光加工装置的上述光束形成和偏转光学系统来解决，在光学楔形件的情况下，所述光学楔形件一个接一个地布置，在所有情况下仅覆盖激光束的一部分。本发明通过可以相互旋转的至少两个光学楔形件提供了特别简单的构造。光学楔形件或光学棱镜分别由合适的材料、尤其是玻璃构成，并且也可以通过所谓的衍射光束形成器或衍射光学元件(DEO)形成。衍射光学元件是由玻璃或塑料制成的结构，其改变激光束的相位分布。由此可以以特别简单和快速的方式实现将激光束分成若干光斑并改变工件表面处的光斑形状。由于构造简单，特别节省空间的实现是可能的，其具有小干涉轮廓并且提供加工头的纤细构造。光束形成和光束偏转的改变也可以在加工过程期间通过至少两个光学楔形件相互旋转和/或所有光学楔形件的联合旋转来执行，并且可以实现激光束最佳适应于所需加工。例如，可以在焊接过程期间不中断过程地执行用于改变间隙桥接性的光斑形状的改变。
当所有光学楔形件的楔角在数量上相等时，必要时可以将光束形成和偏转光学系统置于中立位置。在光学楔形件在该中立位置的彼此对应位置的情况下，可以实现激光束的偏转的消除并且激光束因此以不变的方式照射在工件上。
在所有情况下，光学楔形件有利地覆盖激光束的25％至50％。这样的覆盖值是合适的，这取决于光学楔形件的数量和要加工的工件表面上的所需光斑数量。
光学楔形件优选形成为圆扇形或圆弧形。通过在其俯视图中形成圆扇形或圆弧形的光学楔形件，实现光束形成和偏转光学系统的特别节省空间的布置，原因是外轮廓不会随着光学楔形件相互旋转或所有光学楔形件的联合旋转而改变。因此产生具有小干涉轮廓的节省空间的设计。
当光学楔形件在所有情况下设置在空心轴中时，可以通过相应空心轴的旋转实现光学楔形件的相对简单的旋转。还可以保护光学楔形件免受空心轴内的污染。为了在高转速下安静地运行，可以平衡空心轴。
空心轴优选地具有在25mm至90mm之间的直径。因此可以相应地实现光束形成和偏转光学系统以及因此整个激光加工装置或加工头的特别节省空间和纤细的设计，这允许改善其移动性。特别是在机器人应用的情况下，这具有重要意义。为了保护光束形成和偏转光学系统的空心轴和相邻部件免受例如相应地由于散射激光辐射和/或回射过程辐射的吸收引起的热过热，空心轴的内表面可以可选地设置有反射涂层，特别是金涂层。
光学楔形件的楔角为至少1毫拉德(0.057°)，优选在3毫拉德(0.17°)至15毫拉德(0.859°)之间。根据经验，这种楔角对于在待加工的工件表面上获得相应的光斑尺寸和光斑形状是有利的。
根据本发明的另外特征，设置至少一个实际值传感器以用于相应地确定光学楔形件或空心轴的位置。相应地通过该类型的旋转传感器或旋转角传感器，可以相应地对光学楔形件相对于彼此或所有光学楔形件相对于工件的位置进行最佳检测和控制。实际值传感器在各种实施例中可用并且整体尺寸较小，由此光束形成和偏转光学系统的尺寸没有显著扩大。例如，实际值传感器可以由编码器(光学、电感)或分解器形成。
光学楔形件可以由石英玻璃、硼硅酸冕玻璃、硒化锌或硫化锌制成。这些材料特别适用于激光束的偏转和形成，而且还相对耐热。
所有光学楔形件或空心轴可以相应地连接到用于每个光学楔形件围绕光轴独立旋转的相应驱动器。因此在获得各种光束形式方面实现了高度灵活性。
还可以提供用于相应地使所有光学楔形件或空心轴联合旋转的驱动器。除了形成不同的光斑形状外，还可以通过整个装置围绕光轴旋转而实现待加工工件的表面的更好覆盖，即光斑相应地围绕零点或光轴旋转。因此产生所谓的动态光束形成。
至少一个驱动器连接到马达控制器，使得可以快速且容易地调整所需的光束形状。根据所使用的驱动马达，可以例如通过微控制器或微处理器形成马达控制。
根据本发明的目的还通过使用准直激光束加工工件的上述方法来解决，其中激光束仅由一个接一个地布置的光学楔形件部分地覆盖。根据本发明的方法以简单的设计提供快速且自适应光束形成。关于另外的优点，参考以上对光束形成和偏转光学系统的描述。
当激光束穿过具有数量相等楔角的至少两个光学楔形件时，在光学楔形件的相应位置的情况下会发生光束形成和偏转的抵消，由此激光束以不变的方式照射在待加工工件的表面上。
光学楔形件以100至10000U/min之间，优选500至7000U/min之间的旋转速度旋转。这种速度值提供要获得的光斑形状的快速改变，这对于大多数加工过程来说是足够的。
可以使用至少一个实际值传感器检测至少两个光学楔形件的位置和旋转。如上所述，通过使用相应的旋转编码器检测所有光学楔形件的位置和旋转，可以获得光束形成和偏转光学系统的最佳控制。
当至少两个光学楔形件以相同速度在相同方向上旋转时，可以实现通过至少两个光学楔形件的相互分配形成的光斑形状相应地围绕零点或光轴的旋转。这对应于动态光束形成，由此可以扩大激光束在待加工工件表面上覆盖的区域。
当至少两个光学楔形件以相同速度在相反方向上旋转时，在工件加工期间获得光斑形状的周期性变化。由此产生的激光束的功率密度在工件平面中来回移动的钟摆效应对于某些应用可能是有利的。
至少一个光学楔形件还可以在钟摆运动中围绕指定的角范围来回旋转。每个光斑形状因此可以围绕指定的角范围来回枢转，由此可以在工件上获得待加工区域的更大覆盖。指定的角范围可以在例如45°至-45°之间。
根据本发明的另外特征，激光束还可以根据激光加工装置的加工头相对于待加工工件的位置和移动而形成，以便针对每个位置和移动能够获得最佳加工结果。例如，激光束的不同光斑形状可用于响应工件的竖直加工、水平加工或高架加工。光束形成还可以根据加工头的速度进行设计。加工头的位置和移动可以通过相应的传感器检测，或者在自动化激光加工装置的情况下也可以从可能的机器人的移动数据导出，并且可以相应地提供给光学楔形件的光束形成和偏转光学系统或其马达控制。
在具有至少一个激光束与至少一个电弧的组合的上述激光混合焊接装置的情况下，至少一个激光束的光斑形状的改变可以根据焊接参数(焊接电流、焊接电压、焊丝的进给速度、焊接电流的极性等)或焊接过程的阶段(短路阶段、脉冲阶段、电弧阶段等)为某些应用提供优势。
在激光混合装置的情况下，激光束相对于电弧的位置对于激光束的形成也可能是关键的。例如，除了激光束在电弧下游的情况下，激光束的光斑形状对于相对于电弧的上游激光束可能是有利的。
附图说明
在附图的基础上更详细地描述本发明，其中：
图1示出了根据现有技术的使用激光束加工工件的装置的框图；
图2以剖切侧视图示出了根据本发明的光束形成和偏转光学系统的实施例替代方案；
图3示出了根据图2的光束形成和偏转光学系统的俯视图；
图4A至4D示出了光束形成和偏转光学系统的两个半圆形光学楔形件相对于彼此的各种位置，用于在工件上获得激光束的各种形状；
图5以部分剖切形式示出了包括用于移动光学楔形件的驱动器的光束形成和偏转光学系统的实施例；
图6示出了两个光学楔形件相互之间的各种角位置的各种光束形状(静态光斑)；
图7A示出了响应附加旋转的各种光斑形状；
图7B示出了根据图7A的光斑形状的相应功率密度；以及
图8示出了响应光学楔形件的联合钟摆运动的光斑形状。
具体实施方式
图1示出了根据现有技术的使用激光束L加工工件W的装置10的框图。加工装置10包括激光生成装置12和光纤13，激光束L经由所述光纤传送到相应的加工头。激光束L例如使用准直透镜14准直并且经由聚焦透镜15聚焦在待加工工件W的表面上。激光束L可以以这样的方式经由布置在准直透镜14和聚焦透镜15之间的光束形成和偏转光学系统1受到影响，使得可以改变待加工工件W的表面上的光斑形状S。为此，至少两个光学元件2、3一个接一个地布置在光束形成和偏转光学系统1中的激光束L的光束路径中，所述光学元件2、3因此影响准直激光束L，使得待加工工件W的表面上的光斑形状S变化。通过改变光学元件2相对于另一光学元件3的取向，在加工工件W期间也可以发生激光束L的光斑形状S的变化。为此，光学元件2连接到相应的驱动器4。在激光混合焊接装置的情况下，激光束L与至少一个电弧(未示出)组合。
图2以剖切侧视图示出了根据本发明的光束形成和偏转光学系统1的实施例替代方案。光束形成和偏转光学系统1的至少两个光学元件2、3通过具有相应楔角α1、α2的光学楔形件5、6形成。光学楔形件5、6或该类型的棱镜相应地根据楔角α1、α2偏转准直激光束L，由此激光束L在待加工工件W的表面上的照射点以及因此光斑形状S改变。由于两个光学楔形件5、6在所有情况下仅覆盖激光束L的一部分，因此可以改变激光束照射到工件W的表面上的点的数量。在所示的示例性实施例中，两个光学楔形件5、6在所有情况下基本上覆盖激光束L的50％。在光束形成和偏转光学系统1的下游，在激光束L的方向z上观察，布置聚焦透镜15，经由所述聚焦透镜将偏转的激光束L相应地聚焦在待加工工件W的表面上。通过至少一个光学楔形件5、6围绕光轴c旋转，可以实现工件W的表面上的光斑形状S的改变。通过整个光束形成和偏转光学系统1围绕光轴c的旋转，可以相应地实现光斑形状S围绕光轴c的动态光束形成或旋转。具有楔角α2的第二光学楔形件6也可以与根据图2的光学楔形件6呈镜像倒置的方式布置，由此可以生成其他光束和光斑形状S。例如，当光学楔形件5、6的楔角α1、α2在数量上相等时，在两个光学楔形件5、6的彼此相应相反取向的情况下准直激光束L的偏转可以通过光学楔形件5、6发生，由此准直激光束L不受光束形成和偏转光学系统1的显著影响，并且在工件W的表面上产生光斑形状S，其对应于没有光束形成和偏转光学系统1的光斑形状S。这意味着在具有数量相等的楔角α1＝α2的光学楔形件5、6的相应相反取向定位的情况下，激光束L的光束形成和偏转可以切换到中立位置。
图3示出了根据图2的光束形成和偏转光学系统1的俯视图。在俯视图中，光学楔形件5、6优选地形成为圆扇形或圆弧形，并且具有在10mm至40mm的范围内的半径R，由此可以保持光束形成和偏转光学系统1的尺寸较小，并且可以减小激光加工装置10的加工头的总体尺寸。
在图4A至4D中示出了光束形成和偏转光学系统1的两个半圆形光学楔形件5、6相对于彼此的各种位置，用于在工件W上获得激光束L的各种形状。在所示的示例性实施例中，两个光学楔形件5、6具有相反且相等的角α1＝-a2。在根据图4A的彼此具有角Δβ＝180°的两个光学楔形件5、6的位置的情况下，激光束L由光学楔形件5和光学楔形件6在相同方向上偏转，由此在工件W处产生光斑形状S，其相应地从光轴c的相应零点N或中心偏转。在图4B中所示的两个光学楔形件5、6彼此之间具有角Δβ＝135°的光学楔形件5、6的位置的情况下，在工件W的表面上产生光斑形状S，其根据光学楔形件5、6的楔角α1和α2在围绕光轴c的各个点处具有激光束L的四个照射点，其偏转效应在重叠区域中相应地累加。在光学楔形件5、6之间具有角Δβ＝90°的根据图4C的布置的情况下，相应示出的光斑形状S在工件W上产生。在根据图4D的光学楔形件5、6的相互位置(角Δβ＝0°)的情况下，具有楔角α1＝-α2的光学楔形件5、6的效应补偿，由此在工件W上产生光斑形状S，其相应地布置在光轴c的中心或零点N，并且对应于没有光束形成和偏转光学系统1的激光束L的光斑形状S。
相应地通过改变两个光学楔形件5、6相互的取向或通过改变光学楔形件5、6之间的角Δβ，可以因此在工件W的表面上实现光斑形状S的变化。通过增加光学楔形件的数量，例如增加到三个或更多个光学楔形件，可以增加光斑形状S中光斑的数量，并且可以进一步改变可获得的光斑形状S的变化。
图5以部分剖切形式示出了包括用于移动光学楔形件5、6的驱动器的光束形成和偏转光学系统1的实施例。光束形成和偏转光学系统1的光学楔形件5、6在所有情况下布置在空心轴7、8中，所述空心轴可以经由相应的驱动器9围绕光轴c旋转。驱动器9可以例如由空心轴马达或扭矩马达形成。除了用于旋转光学楔形件5、6或空心轴7、8的驱动器9之外，还可以提供用于使整个光束形成和偏转光学系统1围绕光轴c旋转的另外的驱动器9(未示出)。经由相应的实际值传感器16，可以相应地检测光学楔形件5、6或空心轴7、8的位置。相应的马达控制器11根据操作单元17的设置或基于其他规范，例如基于激光加工装置10的加工头相对于工件W的位置和移动或在激光混合应用的情况下基于参数，例如基于焊接参数(焊接电流、焊接电压、焊丝的进给速度、焊接电流的极性、工艺阶段等)来控制相应的驱动器9。现有类型的光束形成和偏转光学系统1的特征在于相对较小的总体尺寸和紧凑的实施例。例如，在25mm至90mm之间的范围内的空心轴7、8的直径dH被实现，由此产生小干涉轮廓。用于引导冷却流体(未示出)的冷却管道可以可选地布置在光束形成和偏转光学系统1的壳体中。
在图6中以光学楔形件5、6彼此之间的各种角Δβ再现各种光斑形状S。使用具有相反且相等楔角α1＝-α2的两个光学楔形件5、6的示例，这里示出了各种光斑形状S，其中两个光学楔形件5、6彼此的角位置Δβ以30°步长变化。在下面示出待加工工件W的表面上的所得光斑形状S。通过各种光斑形状S，相应的热输入或熔池以及冷却速度可以最佳地适应于各种加工任务。例如，通过更宽的光斑形状S(具有角Δβ＝150°的左起第六幅图像)可以获得更高的间隙桥接能力。在角位置Δβ＝180°的情况下，产生光斑形状S，其最多相应地围绕零点N或光轴c偏移，但其保持不变。
图7A示出了响应于光学楔形件5、6相应地围绕零点N或光轴c以相同速度在相同方向上的附加旋转的各种光斑形状S。由此保持光学楔形件5、6之间的角Δβ。由此可以获得可以是环形的光斑形状S(具有角Δβ＝180°的根据图7A的最右侧的图像)。可以类似地实现具有连续可变角位置Δβ的旋转运动。
取决于根据图7A的不同角位置Δβ处的径向位置xr在图7B中示出了激光束L的功率密度PL。通过光斑形状S的相应旋转，可以在待加工工件W的表面上获得不同的能量输入。在激光束L相对于工件W的各种位置或移动的情况下，某些光斑形状S可能是有利的，这就是它们也可以根据位置和移动来选择的原因。在组合激光混合应用的情况下，还可以根据电弧或工艺阶段的参数来选择激光束的光斑形状S。
最后，图8示出了在光学楔形件5、6围绕特定角范围的联合钟摆运动的情况下的光斑形状S。在所示的示例性实施例中，假设光学楔形件5、6彼此的恒定角位置Δβ＝135°，其中光学楔形件5、6联合地围绕指定角范围Δχ＝90°来回移动。通过这种钟摆运动，可以围绕光轴c经过指定的角范围Δχ，并且可以相应地在表面上或在工件W中获得相应的热分布。可以类似地实现具有连续可变角位置Δβ的钟摆运动。
本发明的特征在于具有小干涉轮廓的激光束L的简单且自适应形成。

Claims (15)

1.一种用于激光加工装置(10)的光束形成和偏转光学系统(1)，其包括至少两个光学元件(2、3)，所述光学元件在准直激光束(L)的方向(z)上一个接一个地布置并且由具有相应楔角(α1)的楔形件(5、6)形成，其中至少一个光学元件(2)连接到用于使所述光学元件(2)围绕光轴(c)旋转的驱动器(4)，由此光学楔形件(5)可以相对于至少一个其他光学楔形件(6)旋转，其特征在于，一个接一个地布置的所述光学楔形件(5、6)在所有情况下仅覆盖激光束(L)的一部分。
2.根据权利要求1所述的光束形成和偏转光学系统(1)，其特征在于，所有光学楔形件(5、6)具有数量相等的楔角(|α1|)。
3.根据权利要求1或2所述的光束形成和偏转光学系统(1)，其特征在于，所述光学楔形件(5、6)在所有情况下覆盖激光束(L)的25％至50％之间。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光束形成和偏转光学系统(1)，其特征在于，所述光学楔形件(5、6)形成圆扇形或圆段形。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光束形成和偏转光学系统(1)，其特征在于，所述光学楔形件(5、6)在所有情况下布置在空心轴(7、8)中。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光束形成和偏转光学系统(1)，其特征在于，所述光学楔形件(5、6)的楔角(α1)为至少1毫拉德，优选地在3毫拉德至15毫拉德之间。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光束形成和偏转光学系统(1)，其特征在于，至少一个实际值传感器(16)设置用于相应地确定所述光学楔形件(5，6)或空心轴(7，8)的位置。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光束形成和偏转光学系统(1)，其特征在于，所述光学楔形件(5、6)由石英玻璃、硼硅酸冕玻璃、硒化锌或硫化锌制成。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光束形成和偏转光学系统(1)，其特征在于，所有光学楔形件(5、6)或空心轴(7、8)相应地连接到用于使每个光学楔形件(5、6)围绕光轴(c)独立旋转的相应驱动器(4)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的光束形成和偏转光学系统(1)，其特征在于，设置用于相应的所有光学楔形件(5、6)或空心轴(7、8)的联合旋转的驱动器(9)。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的光束形成和偏转光学系统(1)，其特征在于，所述至少一个驱动器(4、9)连接到马达控制器(11)。
12.一种使用准直激光束(L)加工工件(W)的方法，其中准直激光束(L)穿过光束形成和偏转光学系统(1)，所述光束形成和偏转光学系统包括具有相应楔角(α1)的至少两个光学楔形件(5、6)形式的至少两个光学元件(2、3)，所述光学元件在激光束(L)的光束方向(z)上一个接一个地布置，以及聚焦透镜(15)，其中至少一个光学楔形件(5)围绕光轴(c)相对于所述光束形成和偏转光学系统(1)的至少一个其他光学楔形件(6)旋转，其特征在于，激光束(L)仅部分地由一个接一个地布置的所述光学楔形件(5、6)覆盖。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，激光束(L)穿过具有数量相等的楔角(|α1|)的至少两个光学楔形件(5、6)。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述光学楔形件(5、6)以100至10000U/min之间、优选500至7000U/min之间的旋转速度旋转。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其特征在于，使用至少一个实际值传感器(16)检测所述至少两个光学楔形件(5、6)的位置和旋转。
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