DE10129982C1

DE10129982C1 - Laser-optical element, used for shaping a laser beam in the laser welding of workpieces, has a surface which is parabolically curved in a single plane and spherically curved orthogonal to the plane

Info

Publication number: DE10129982C1
Application number: DE10129982A
Authority: DE
Inventors: Ruediger Gnann; Axel Spankeren; Lothar Morgenthal; Dieter Pollack; Danny Weisbach
Original assignee: Karl H Arnold Maschinenfabrik & Co KG GmbH; ARNOLD KARL H MASCH; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2001-06-15
Filing date: 2001-06-15
Publication date: 2003-02-27
Anticipated expiration: 2021-06-16

Abstract

Laser-optical element has a curved surface formed mirror-symmetrical with respect to a single plane. The surface is parabolically curved in the plane and spherically curved orthogonal to the plane. The focal distance of the parabola and the spherical curve are not the same. Preferred Features: The surface is a reflecting surface and is concave. The element is optically transparent.

Description

Die Erfindung betrifft ein laseroptisches Bauelement, mit dem der Strahl eines Lasers vorteilhaft geformt und die Strahlgeometrie sowie die Intensitätsvertei lung in verschiedenen Ebenen, beispielsweise für eine energieoptimierte Bearbeitung von Werkstücken einge stellt werden kann. Das erfindungsgemäße laseropti sche Element kann besonders vorteilhaft beim Laser strahlschweißen eingesetzt werden.The invention relates to a laser-optical component, with which the beam of a laser is advantageously shaped and the beam geometry as well as the intensity distribution at different levels, for example for one energy-optimized machining of workpieces can be put. The laser opti according to the invention cal element can be particularly advantageous in the laser beam welding can be used.

Aufgrund der in der jüngeren Vergangenheit zur Verfü gung gestellten optimierten Resonatorkonstruktionen konnte die Qualität von Laserstrahlen für die Bear beitung der unterschiedlichsten Werkstücke stark ver bessert werden. Mit diesen Lösungen können die Fokus sierbarkeit der von Laserstrahlquellen ausgehenden sogenannten Rohstrahlen erheblich verbessert und K- Werte < 0,8 erreicht werden. Due to the availability in the recent past optimized resonator constructions could improve the quality of laser beams for the Bear processing of various workpieces be improved. With these solutions, the focus the ability of laser beam sources to emanate so-called raw rays considerably improved and K- Values <0.8 can be achieved.

Es hat sich nun aber gezeigt, dass Laserstrahlen mit kleiner Divergenz zwar zum Laserstrahlschneiden sehr gut geeignet sind, aber solche Laserstrahlen bei La serstrahlschweißverfahren manchmal nachteilig sind, wenn beispielsweise Überlapp- oder auch Stoßschweiß verbindungen hergestellt werden sollen. In diesen Fällen müssen Kompromisse bezüglich der erreichbaren Schweißnahtbreiten und Schweißnahttiefen gemacht wer den, um eine ausreichende Festigkeit der ausgebilde ten Schweißnähte zu gewährleisten.But it has now been shown that laser beams with small divergence for laser cutting very much are well suited, but such laser beams at La beam welding processes are sometimes disadvantageous, if, for example, overlap or butt welding connections are to be established. In these Cases must compromise on what can be achieved Weld seam widths and weld seam depths who made to ensure sufficient strength of the training guarantee welds.

Mit den entsprechend verbesserten Laserstrahlquellen können ohne weiteres große Schweißtiefen erreicht werden, die Schweißnahtbreiten sind aber mit Laser strahlung hoher Qualität nicht ohne weiteres beliebig zu vergrößern. Die erhaltenen Fügeverbindungen weisen durch die entsprechend kleineren Anbindungsquer schnitte eine verringerte Festigkeit auf.With the correspondingly improved laser beam sources can easily reach great welding depths but the weld seam widths are with laser high quality radiation is not arbitrary to enlarge. The joint connections obtained point due to the correspondingly smaller connection cross cuts a reduced strength.

Um diesen Nachteilen entgegen zu wirken, sind einige Lösungsansätze bekannt. So werden beispielsweise zwei parallele Schweißnähte erzeugt, was selbstverständ lich mit einem erhöhten Zeit- bzw. anlagentechnischen Aufwand erkauft werden muß.To counteract these disadvantages, there are some Approaches known. For example, two creates parallel welds, which goes without saying Lich with an increased time or system technology Effort must be bought.

Untersuchungen haben außerdem ergeben, dass die ei gentlich sehr naheliegende Verlagerung der Fokuslage des verwendeten Laserstrahls aus der Bearbeitungsebe ne mit der Vergrößerung des Brennfleckes und geringe ren Leistungsdichten im entsprechend vergrößerten Brennfleck dieses Problem nicht lösen kann.Studies have also shown that the ei occasionally very obvious shift of focus of the laser beam used from the processing level ne with the enlargement of the focal spot and slight ren power densities in the correspondingly enlarged Focal spot cannot solve this problem.

Andere an sich bekannte Alternativen, wie z. B. achs versetzte Drehspiegeloptiken sind konstruktiv bedingt aufwendig und der für solche Drehspiegeloptiken er forderliche Drehantrieb, der synchronisiert betrieben werden muß, um an die unterschiedlichen Bedingungen angepasst werden zu können, sind kostenintensiv und können nicht ohne weiteres an bereits existierende Anlagen mit vertretbarem Aufwand appliziert werden.Other known alternatives, such as. B. axis offset rotating mirror optics are due to the design expensive and he for such rotating mirror optics required rotary drive that operated synchronized must be in order to meet the different conditions being able to be customized is costly and cannot easily be passed on to existing ones Systems can be applied with reasonable effort.

Eine weitere aus EP 0 706 072 A2 bekannte Möglichkeit zur Erzielung größerer Schweißnahtbreiten besteht in der Verwendung mindestens zweier Laserstrahlen, die gegebenenfalls auch durch Strahlteilung eines Laser strahls erhalten werden können. In jedem Fall ist auch die Verwendung von zwei Laserstrahlen, unabhän gig ob diese durch Strahlteilung oder mittels zweier Laserlichtquellen erzeugt werden, aufwendig und eine Nachrüstung bzw. Anpassung an bereits vorhandene La serbearbeitungsanlagen sehr schwierig oder gänzlich unmöglich.Another possibility known from EP 0 706 072 A2 to achieve larger weld seam widths is in the use of at least two laser beams which if necessary also by beam splitting a laser can be obtained. In any case also the use of two laser beams, independent gig whether this by beam splitting or by means of two Laser light sources are generated, complex and one Retrofitting or adaptation to existing La water treatment plants very difficult or entirely impossible.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zur gezielten Laserstrahl formung vorzuschlagen, mit der insbesondere in unter schiedlichen Ebenen unterschiedliche Strahlgeometrien eines Laserstrahls mit entsprechend unterschiedlichen Energiedichteverteilungen erreicht werden können, oh ne dass der Laserstrahl in zwei oder mehr Teilstrah len geteilt wird.It is therefore an object of the invention to be simple and inexpensive way to target laser beam to propose formation, with in particular in under different levels different beam geometries of a laser beam with correspondingly different ones Energy density distributions can be achieved, oh ne that the laser beam in two or more beam len is shared.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem laserop tischen Element, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen enthaltenen Merkmalen erreicht werden.According to the invention, this object is achieved with a laser op table element having the features of claim 1 has, solved. Advantageous designs and developments of the invention can with the in the subordinate claims contained features can be achieved.

Das erfindungsgemäße laseroptische Element zur For mung eines Laserstrahls verfügt über eine gekrümmte Oberfläche, die in Bezug zu einer einzigen Ebene spiegelsymmetrisch und die Krümmung kontinuierlich, ohne scharfe Absätze und Kanten ausgebildet ist.The laser-optical element according to the invention for The laser beam has a curved shape Surface that is related to a single plane mirror-symmetrical and the curvature continuous, is formed without sharp shoulders and edges.

Die gekrümmte Oberfläche ist in dieser Ebene und ge gebenenfalls in dazu parallelen Ebenen parabelförmig gekrümmt, wohingegen die Krümmung in orthogonal zu dieser Ebene ausgerichteten Ebenen spiegelsymmetrisch und spärisch ausgebildet ist. Dabei ist die Krümmung so gewählt, dass die Brennweiten der Parabel und der spärischen Krümmung ungleich sind.The curved surface is in this plane and ge possibly parabolic in parallel planes curved, whereas the curvature is orthogonal to this level aligned levels mirror symmetry and is sparse. Here is the curvature chosen so that the focal lengths of the parabola and the spherical curvature are unequal.

In der Regel wird die gewünschte Formung des Laser strahls in Verbindung mit einer Fokussierung in Rich tung auf ein zu bearbeitendes Werkstück verbunden sein. Die erfindungsgemäßen laseroptischen Elemente können die Laserstrahlung reflektieren und demzufolge mit einer reflektierenden Oberfläche ausgebildet sein, so dass sie anstelle der bekannten fokussieren den und den Laserstrahl in der Regel um 90° umlenken de Spiegel einsetzbar sind.Usually the desired shaping of the laser rays in connection with a focus in Rich device connected to a workpiece to be machined his. The laser-optical elements according to the invention can reflect the laser radiation and consequently formed with a reflective surface be so that they focus instead of the familiar and deflect the laser beam usually by 90 ° de mirrors can be used.

Bevorzugt ist die erfindungsgemäß ausgebildete ge krümmte Oberfläche konkav, wobei diese Krümmungsform insbesondere vorteilhaft für einen parallelen Laser strahl, der von der gekrümmten Oberfläche reflektiert und umgelenkt werden soll, gewählt werden kann.The ge designed according to the invention is preferred curved surface concave, this shape of curvature particularly advantageous for a parallel laser beam reflecting off the curved surface and to be redirected, can be chosen.

Das erfindungsgemäße laseroptische Element kann aber auch als eine Linse aus einem optisch transparenten Material ausgebildet sein, wobei mindestens eine der Oberflächen gemäß Anspruch 1 gekrümmt ist.However, the laser-optical element according to the invention can also as a lens made of an optically transparent Material be formed, at least one of the Surfaces according to claim 1 is curved.

Die Krümmung kann, wie bereits angesprochen, im We sentlichen abhängig von der Strahlform des mit dem laseroptischen Element zu formenden Laserstrahls kon kav aber auch konvex gewölbt sein. Mit einem erfindungsgemäßen laseroptischen Element kann der Laser strahl so geformt werden, dass überwiegend ellipti sche Strahlquerschnitte auftreten und infolge der asymmetrischen Form durch entsprechende Reflexion oder Brechung je nach gewählten Krümmungsverhältnis sen in zwei Ebenen, die voneinander beabstandet sind, zumindest annähernd linienförmige Strahlquerschnitte (Brennlinien) und zwischen diesen Ebenen in einer Ebene ein kreisförmiger Strahlquerschnitt erzeugt werden kann. Die beiden linienförmigen Strahlquer schnitte sind dabei orthogonal zueinander ausgerich tet.As already mentioned, the curvature can be in the We depending on the beam shape of the laser-optical element to be formed laser beam kon cav but also convex. With an inventive laser-optical element can be the laser beam are shaped so that predominantly elliptical cal beam cross-sections occur and as a result of asymmetrical shape through appropriate reflection or refraction depending on the chosen curvature ratio in two planes that are spaced from each other, at least approximately linear beam cross sections (Focal lines) and between these levels in one Plane creates a circular beam cross-section can be. The two linear beam crosses cuts are aligned orthogonally to each other tet.

Je nach Ausbildung und Anordnung eines erfindungsge mäßen laseroptischen Elementes kann damit gesichert werden, dass für die Bearbeitung von Werkstücken energieoptimierte Verhältnisse erreicht werden kön nen. So sollte beispielsweise die Ebene mit dem kreisförmigen Strahlquerschnitt möglichst unmittelbar auf der Oberfläche oder im Inneren des Werkstückes angeordnet sein.Depending on the training and arrangement of a erfindungsge moderate laser-optical element can thus be secured be that for machining workpieces energy-optimized conditions can be achieved NEN. For example, the level with the circular beam cross section as directly as possible on the surface or inside the workpiece be arranged.

Dadurch lassen sich Schweißnahtbreiten ausbilden, die eine ausreichende Festigkeit der Schweißverbindung sichern.This allows weld widths to be formed that sufficient strength of the welded joint to back up.

Das erfindungsgemäße laseroptische Element sollte je doch möglichst so ausgebildet sein, dass die Fokus sierung des Laserstrahls so erfolgt, dass die Ebene mit linienförmigem Strahlquerschnitt, die oberhalb der Werkstückoberfläche angeordnet ist, nicht dazu führt, dass eine laserlichtabsorbierende Plasmabil dung auftritt. Dies kann z. B. durch eine entsprechend geringere Energiedichte in dieser Ebene oder einen sehr kleinen Abstand einer Ebene mit kleinem Strahl querschnitt zur Oberfläche eines Werkstückes verhindert werden.The laser-optical element according to the invention should ever but if possible be trained so that the focus The laser beam is positioned so that the plane with a linear beam cross-section above the workpiece surface is not arranged leads to a laser light absorbing plasmabil dung occurs. This can e.g. B. by a corresponding lower energy density in this level or one very small distance of a plane with a small beam cross-section to the surface of a workpiece prevented become.

Dieser Effekt kann auch dadurch vermieden werden, in dem die entsprechende asphärische Oberfläche des la seroptischen Elementes gewährleistet, dass der Ab stand der Ebenen, in denen die linienförmigen Strahl querschnitte auftreten, relativ gering ist, d. h. im Bereich einiger weniger Millimeter liegt.This effect can also be avoided by which the corresponding aspherical surface of la seroptic element ensures that the Ab stood the levels in which the line-shaped beam cross-sections occur, is relatively small, d. H. in the Range of a few millimeters.

Mit der erfindungsgemäß erreichbaren Strahlformung kann der Energieeintrag in das zu bearbeitende Werk stück in räumlich optimierter Form erfolgen. Dabei kann die lokale Energieverteilung in den Ebenen bei bekannter Krümmung des laseroptischen Elementes be rechnet oder ein laseroptisches Element mit einer ei ne vorgegebene Energieverteilung berücksichtigenden Krümmung eingesetzt werden.With the beam shaping achievable according to the invention can the energy input into the work to be processed piece in spatially optimized form. there can contribute to the local energy distribution in the levels known curvature of the laser-optical element be calculates or a laser-optical element with an egg considering a given energy distribution Curvature can be used.

So kann die Form und Position des sogenannten "keyho les" bestimmt werden.So the shape and position of the so-called "keyho les "can be determined.

Durch die kontinuierliche Krümmung der Oberfläche des erfindungsgemäßen laseroptischen Elementes, ohne Kan ten und Absätze, werden Beugungseffekte vermieden, die insbesondere bei Facettenspiegeln nachteilig sind.Due to the continuous curvature of the surface of the laser-optical element according to the invention, without Kan diffraction effects are avoided, which is particularly disadvantageous for facet mirrors are.

Eine bereits vorhandene Laserbearbeitungsanlage lässt sich mit einem erfindungsgemäßen laseroptischen Ele ment sehr leicht entsprechend modifizieren. So kann beispielsweise ein bereits vorhandener Umlenkspiegel gegen einen erfindungsgemäß ausgebildeten durch ein fachen Austausch ersetzt werden. Laseroptischen Ele mente gemäß der Erfindung in Linsenform, können ohne relativ großen Aufwand im Strahlengang eines Laser strahls einer bereits vorhandenen Laserbearbeitungsanlage zusätzlich angeordnet und die gewünschte Wir kung damit erzielt werden.An existing laser processing system leaves yourself with a laser-optical Ele modify it very easily. So can for example an already existing deflecting mirror against a trained according to the invention by a exchanges. Laser optical el elements according to the invention in lens form, can without relatively large effort in the beam path of a laser beam from an existing laser processing system additionally arranged and the desired we can be achieved with it.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft erläutert werden.The invention is explained below by way of example become.

Dabei zeigen:Show:

Fig. 1 eine Ansicht auf eine asphärisch gekrümmte Oberfläche für ein Beispiel eines erfin dungsgemäßen laseroptischen Bauelementes; Fig. 1 is a view on an aspherically curved surface for an example of a laser OF INVENTION to the invention the optical component;

Fig. 1a einen Schnitt entlang der Linie B-B; FIG. 1a is a section along the line BB;

Fig. 1b einen Schnitt entlang der Linie C-C; FIG. 1b shows a section along the line CC;

Fig. 2 ein Beispiel für die Strahlformung eines Laserstrahls mit einem laseroptischen Ele ment gemäß Fig. 1 in zwei Ansichten; FIG. 2 shows an example of the beam shaping of a laser beam with a laser-optical element according to FIG. 1 in two views;

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Details X aus Fig. 2; FIG. 3 shows an enlarged illustration of the detail X from FIG. 2;

Fig. 4a und Fig. 4b durch unterschiedliche Krümmungsverhältnis se erreichbare Anordnungen und Ausrichtun gen linenförmiger Strahlquerschnitte eines geformten Laserstrahls. Fig. 4a and Fig. 4b by different curvature ratios achievable arrangements and alignments gene-shaped beam cross-sections of a shaped laser beam.

In Fig. 1 ist eine Ansicht auf eine gekrümmte Ober fläche für ein Beispiel eines erfindungsgemäßen La seroptischen Elementes 1 gezeigt und dabei wird mit den Darstellungen nach den Fig. 1a und 1b deut lich, dass bei diesem Beispiel eine konkave Krümmung gewählt worden ist. In Fig. 1 is a view of a curved upper surface for an example of a laser optical element 1 according to the invention is shown and it is clear with the representations according to FIGS. 1a and 1b that a concave curvature has been selected in this example.

Mit dem in Fig. 1a gezeigten Schnitt entlang der Li nie B-B, die auch die Ebene B vorgibt, in Bezug zu der das erfindungsgemäße Laseroptische Element 1 spiegelsymmetrisch ausgebildet ist, wird deutlich, dass hier eine parabelförmige Krümmung ausgebildet ist.With the section shown in FIG. 1a along the line BB never, which also specifies the plane B, in relation to which the laser-optical element 1 according to the invention is mirror-symmetrical, it becomes clear that a parabolic curvature is formed here.

Wie in Fig. 1b mit dem Schnitt entlang der Linie C- C, die orthogonal zur Linie B-B ausgerichtet ist, wird deutlich, dass in diesen Ebenen, die parallel zur Linie C-C liegen symmetrische Verhältnisse, also eine sphärische Krümmung gewählt werden kann.As in FIG. 1b with the section along the line CC, which is oriented orthogonally to the line BB, it becomes clear that symmetrical relationships, that is to say a spherical curvature, can be selected in these planes which lie parallel to the line CC.

Es sei hiermit nochmals darauf hingewiesen, dass für bestimmte Applikationen auch konvexe Krümmungsver hältnisse gewählt werden können, wobei dies nicht nur für die in den Figurendarstellungen gezeigten aus schließlich reflektierenden laseroptischen Elemente 1, sondern auch für transparente Linsen zutrifft.It should be pointed out once again that convex curvature ratios can also be selected for certain applications, this not only true for the laser-reflective elements 1 that are ultimately shown in the figures, but also for transparent lenses.

In Fig. 2 ist schematisch dargestellt, wie ein pa ralleler Laserstrahl 4 durch Reflexion mit einem Bei spiel eines laseroptischen Elementes 1 umgelenkt und der Strahl in der gewünschten Weise geformt wird.In Fig. 2 is shown schematically how a pa rallel laser beam 4 deflected by reflection with an example of a laser optical element 1 and the beam is shaped in the desired manner.

So wird durch die linke Darstellung deutlich, dass in der Ebene, die mit L1 bezeichnet ist, der Laserstrahl so geformt worden ist, dass ein zumindest annähernd linienförmiger Strahlquerschnitt (Brennlinie) er reicht wird. In der Ebene, die mit f bezeichnet ist, weist der geformte Laserstrahl 4 einen kreisförmigen Querschnitt auf. In der rechten Darstellung von Fig. 2 ist eine zweite Ebene, mit L2 bezeichnet, in der wiederum ein zumindest annähernd linienförmiger Strahlquerschnitt (Brennlinie) ausgebildet ist. It is clear from the illustration on the left that the laser beam has been shaped in the plane denoted L1 so that an at least approximately linear beam cross-section (focal line) is reached. In the plane which is designated by f, the shaped laser beam 4 has a circular cross section. The right-hand illustration of FIG. 2 shows a second plane, designated L2, in which an at least approximately linear beam cross section (focal line) is formed.

Aus der vergrößerten Darstellung des Details X gemäß Fig. 3 soll deutlich gemacht werden, dass der mit dem laseroptischen Element 1 umgelenkte und geformte Laserstrahl 4 außerhalb der Ebenen L1 und L2, in de nen linienförmige Strahlquerschnitte und der Ebene f mit kreisförmigem Strahlquerschnitt elliptische Strahlquerschnitte auftreten und die linienförmigen Strahlquerschnitte in den Ebenen L1 und L2 orthognal zueinander ausgerichtet sind.From the enlarged representation of the detail X according to FIG. 3, it should be made clear that the laser beam 4 deflected and shaped with the laser-optical element 1 occurs outside the planes L1 and L2, in whose linear beam cross sections and the plane f with a circular beam cross section, elliptical beam cross sections and the linear beam cross sections in the planes L1 and L2 are aligned orthognally to one another.

Dieser letztgenannte Sachverhalt wird auch in den Darstellungen nach den Fig. 4a und 4b deutlich. Mit diesen beiden Darstellungen soll außerdem erläu tert werden, dass durch die gewählte Form der Para bel, mit der das laseroptische Element 1 gekrümmt ist, die Ausrichtung der linenförmigen Strahlquer schnitte L1 und L2 beeinflusst werden kann. So ist in der Fig. 4a der Abstand einer Parabelbrennweite F in Bezug zum laseroptischen Element 1 und der Mittenach se des Laserstrahls 4 größer, als die sogenannte sphärische Brennweite H. Die beiden linenförmigen Strahlquerschnitte L1 und L2 sind mit einem Abstand A zueinander angeordnet und der kreisförmige Quer schnitt, mit einer mittleren Brennweite f dazwischen angeordnet.This latter situation is also clear in the representations according to FIGS. 4a and 4b. These two representations are also intended to explain that the shape of the para with which the laser-optical element 1 is curved can influence the alignment of the line-shaped beam cross sections L1 and L2. Thus, in Fig. 4a, the distance of a parabola focal length F with respect to the laser optical member 1 and the Mittenach of the laser beam 4 se larger than the so-called spherical focal distance H. The two line-shaped beam cross-sections L1 and L2 are at a distance A relative to one another and circular cross-section, with an average focal length f in between.

In Fig. 4b sind die Ausrichtungen der linenförmigen Strahlquerschnitte und die sphärische Brennweite H mit Parabelbrennweite F genau entgegengesetzt ge wählt.In Fig. 4b, the orientations of the linen-shaped beam cross sections and the spherical focal length H with a parabolic focal length F are selected exactly opposite ge.

Claims

1. Laser-optical element for shaping a laser beam with a curved surface which is mirror-symmetrical in relation to a single plane (B), characterized in that
that the surface in plane (B) is parabolically curved and orthogonally curved to plane (B);
and the focal lengths of the parabola (F) and the spherical curvature (H) are unequal.

2. Laser-optical element according to claim 1, characterized in that the surface right is inflected.

3. Laser-optical element according to claim 1 or 2, characterized in that the surface con is curved.

4. Laser-optical element according to one of claims 1 to 3, characterized in that the ele ment ( 1 ) is optically transparent and at least one surface is curved.

5. Laser-optical element according to one of claims 1 to 4, characterized in that the upper surface is formed such that a laser beam ( 4 ) in two at a distance (A) arranged planes, at least approximately linear beam cross sections and between these planes in one further plane has a circular beam cross section.

6. Laser-optical element according to one of claims 1 to 5, characterized in that the element ( 1 ) is designed and arranged such that the plane in which the circular beam cross section of the laser beam ( 4 ) is formed on a workpiece surface or is arranged within a workpiece to be machined.

7. Use of a laser-optical element after one of claims 1 to 6 for laser welding of workpieces.