DE102006002931A1

DE102006002931A1 - Optical unit and method for laser remote welding

Info

Publication number: DE102006002931A1
Application number: DE200610002931
Authority: DE
Inventors: Hendrik Schonefeld; Jannis Stemmann
Original assignee: Technische Universitaet Hamburg TUHH; Tutech Innovation GmbH
Current assignee: Technische Universitaet Hamburg TUHH; Tutech Innovation GmbH
Priority date: 2006-01-18
Filing date: 2006-01-18
Publication date: 2007-07-19
Also published as: WO2007082568A1

Abstract

Optikeinheit zum Laser-Remoteschweißen bei einem Bearbeitungsabstand von mehr als 250 mm, wobei für ein Strahlparameterprodukt der Laserquelle von mehr als 16 mm mrad eine Sammellinse mit einem Durchmesser von über 60 mm vorhanden ist.Optical unit for remote laser welding at a processing distance of more than 250 mm, whereby a converging lens with a diameter of more than 60 mm is available for a beam parameter product of the laser source of more than 16 mm mrad.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Optikeinheit und ein Verfahren zum Laserschweißen, genauer zum Remote-Laserschweißen.The The invention relates to an optical unit and a method for Laser welding, more specifically for remote laser welding.

Beim konventionellen Laserschweißen werden zwei Werkstücke, z.B. zwei Bleche im Karosseriebau, durch Zufuhr von Energie mit Hilfe eines Lasers miteinander verschweißt. Um die Werkstücke in kurzer Zeit aufschmelzen zu können, sind dabei sehr hohe Strahlintensitäten erforderlich. Zum Erreichen dieser hohen Intensitäten wird der Strahl einer leistungsstarken Laserquelle auf eine kleine Fläche fokussiert. Typische Strahldurchmesser im Arbeitspunkt betragen z.B. 500–600 Mikrometer. Mit Laserquellen einer Leistung von einigen Kilowatt kann so die erforderliche Intensität, typischerweise z.B. 2 Megawatt pro cm², erreicht werden.In conventional laser welding, two workpieces, for example two sheets in the body shop, are welded together by supplying energy with the aid of a laser. In order to melt the workpieces in a short time, very high beam intensities are required. To achieve these high intensities, the beam of a powerful laser source is focused on a small area. Typical beam diameters at the operating point are for example 500-600 micrometers. With laser sources of a power of a few kilowatts, the required intensity, typically eg 2 megawatts per cm ² , can be achieved.

Als Laserquelle werden bevorzugt optisch gepumpte Festkörperlaser verwendet, die in der erforderlichen Leistungsklasse verfügbar und relativ kostengünstig sind. Die größte Verbreitung haben Nd:YAG-Laser (Neodym: Yttrium-Aluminium-Granat-Laser), deren Strahlen mit einer Wellenlänge von ca. 1,06 Mikrometern vorteilhafterweise fasergängig sind, d.h. mit einem Glasfaserkabel transportiert werden können.When Laser sources are preferably optically pumped solid-state lasers used and available in the required performance class relatively inexpensive are. The biggest spread have Nd: YAG laser (neodymium: yttrium-aluminum-garnet laser), whose rays with a wavelength of about 1.06 microns are advantageously Fasergängig, i.e. can be transported with a fiber optic cable.

Derartige Laser weisen jedoch eine relativ niedrige Strahlqualität auf, d.h. das Produkt aus dem Durchmesser der Strahltaille und dem Divergenzwinkel des Strahls (Strahlparameterprodukt) ist relativ hoch und der Strahl daher schlecht fokussierbar.such However, lasers have a relatively low beam quality, i. the product of the diameter of the beam waist and the divergence angle of the beam (beam parameter product) is relatively high and the beam therefore difficult to focus.

Beim konventionellen Laserschweißen befindet sich das Werkstück in einem geringen Abstand von der für die Strahlfokussierung verwendeten Optikeinheit (Bearbeitungsabstand). Das Führen des Laserstrahls über die Werkstücke erfordert große translatorische Relativbewegungen zwischen dem Werkstück und dem Laser-Schweißkopf.At the conventional laser welding is the workpiece at a short distance from that used for beam focusing Optical unit (machining distance). The guiding of the laser beam over the workpieces requires big translational relative movements between the workpiece and the laser welding head.

Beim Remote-Laserschweißen wird mit einem größeren Bearbeitungsabstand und einem von der Flächennormalen abweichenden Einstrahlwinkel des Laserstrahls gearbeitet. Dadurch können die Relativbewegungen verringert werden, sodass insgesamt kürzere Bearbeitungszeiten und kürzere Prozeßnebenzeiten erreicht werden können, insbesondere bei Werkstücken mit relativ kurzen Schweißnahtabschnitten.At the Remote laser welding comes with a larger machining distance and one of the surface normals deviating incidence angle of the laser beam worked. Thereby can the relative movements are reduced, so that overall shorter processing times and shorter ones Process downtimes can be achieved especially for workpieces with relatively short weld sections.

Ein derartiges Verfahren ist aus DE 103 44 526 A1 bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird der Laserstrahl mit einer an einem Industrieroboter befestigten Optikeinheit unter einem variierenden Einstrahlwinkel auf das Werkstück gerichtet. Der Bearbeitungsabstand liegt in einem Bereich von ca. 500 mm bis 1.500 mm. Um derart große Bearbeitungsabstände zu ermöglichen, ist eine Laserquelle mit hoher Strahlqualität, beispielsweise ein diodengepumpter Faser- oder Scheibenlaser vorgesehen. Diese Laserquellen sind jedoch wenig verbreitet und teuer.Such a procedure is over DE 103 44 526 A1 known. In the known method, the laser beam is directed onto the workpiece with a lens unit attached to an industrial robot at a varying angle of incidence. The machining distance is in a range of approx. 500 mm to 1,500 mm. To enable such large processing distances, a laser source with high beam quality, for example, a diode-pumped fiber or disk laser is provided. However, these laser sources are less common and expensive.

Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, das Laser-Remoteschweißen mit Laserquellen niedriger Strahlqualität zu ermöglichen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Laser-Remoteschweißen anzugeben, das besonders kostengünstig ist.From that Starting from the object of the invention, the laser remote welding with To allow laser sources of low beam quality. Another task The invention is to provide a method for laser remote welding, the most cost-effective is.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Optikeinheit zum Laser-Remoteschweißen bei einem Bearbeitungsabstand von mehr als 250 mm, wobei für ein Strahlparameterprodukt der Laserquelle von mehr als 16 mm mrad eine Sammellinse mit einem Durchmesser von über 60 mm vorhanden ist.These Task is solved by an optical unit for laser remote welding at a machining distance of more than 250 mm, where for a beam parameter product of the laser source of more than 16 mm mrad a converging lens with a diameter of over 60 mm is present.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass auch Laserquellen mit niedriger Strahlqualität für das Laser-Remoteschweißen herangezogen werden können, wenn statt der für das Laser-Remoteschweißen herkömmlich eingesetzten Optikeinheiten, deren Durchmesser üblicherweise zwei Zoll nicht übersteigt, spezielle Optikeinheiten mit einem wesentlich größeren Durchmesser verwendet werden. Überraschend wurde festgestellt, dass für Laser, die bisher lediglich bei geringen Bearbeitungsabständen eingesetzt werden konnten, auf diese Weise auch bei großen Bearbeitungsabständen eine ausreichende Leistungsdichte erzielt werden kann.The Invention is based on the finding that also laser sources with low beam quality used for laser remote welding can be if instead of for the laser remote welding conventional used optical units whose diameter usually does not exceed two inches, special optical units with a much larger diameter used become. Surprised was found that for Lasers previously used only at low processing distances could be, in this way, even at large processing intervals one sufficient power density can be achieved.

Für die Fokussierung des Laserstrahls ist dafür insbesondere eine Sammellinse vorzusehen, deren Durchmesser so groß ist, dass auch ein Laserstrahl geringer Strahlqualität unter Verwendung eines großen Konvergenzwinkels auf einen kleinen Bereich fokussiert werden kann.For the focus the laser beam is for it In particular, to provide a converging lens whose diameter is so large that also a laser beam of low beam quality using a large convergence angle can be focused on a small area.

Gemäß einer Ausgestaltung weist die Optikeinheit insgesamt drei Linsen auf. Bei einer drei Linsen umfassenden Konstruktion können die Abbildungsfehler hinrei chend korrigiert werden, ohne die Durchlässigkeit der gesamten Optikeinheit durch eine größere Anzahl von Grenzflächen unnötig zu reduzieren.According to one Embodiment, the optical unit on a total of three lenses. With a design comprising three lenses, the aberrations can be sufficient be corrected without the permeability of the entire optical unit by a larger number of interfaces unnecessary to reduce.

Gemäß einer Ausgestaltung ist die in Strahlrichtung erste Linse eine Zerstreuungslinse, während die letzte Linse die Sammellinse ist. Durch die Verwendung einer Zerstreuungslinse gelingt es, die Baugröße der gesamten Optikeinheit durch Verringern des Abstands zwischen Einkopplung der Laserquelle und der Sammellinse zu verringern, was einer kompakten und leichten, d.h. im Betrieb mit geringeren Trägheitskräften belasteten Konstruktion zugute kommt.According to one Embodiment is the first lens in the beam direction a diverging lens, while the last lens is the condenser lens. By using a Diverging lens succeeds the size of the entire optical unit by reducing the distance between coupling of the laser source and the condenser lens, resulting in a compact and lightweight, i.e. In operation with lower inertial forces loaded construction benefits.

Gemäß einer Ausgestaltung weist die Optikeinheit eine in Strahlrichtung erste Linse auf, deren zweite Fläche konkav ist, eine zweite Linse, deren zweite Fläche konvex ist, und eine dritte Linse, die bi-konvex ist. Bei dieser speziellen Anordnung bewerkstelligt die erste Linse eine Aufweitung des Strahlbündels, die zweite Linse eine näherungsweise Kollimation des Strahlenbündels und die dritte Linse eine Fokussierung auf den Arbeitspunkt.According to one Embodiment, the optical unit has a first in the beam direction Lens on, whose second surface is concave, a second lens whose second surface is convex and a third Lens that is bi-convex. In this particular arrangement accomplished the first lens an expansion of the beam, the second lens a approximately Collimation of the beam and the third lens focuses on the operating point.

Gemäß weiteren Ausgestaltungen ist die erste Fläche der ersten Linse und/oder die erste Fläche der zweiten Linse plan oder konkav.According to others Embodiments is the first surface the first lens and / or the first surface of the second lens plan or concave.

Gemäß einer Ausgestaltung ist der Abstand zwischen der ersten und zweiten Linse geringer, als der Abstand zwischen der zweiten und dritten Linse. Alternativ kann die Optikeinheit auch so ausgelegt werden, dass der Abstand zwischen der ersten und zweiten Linse größer ist als der Abstand zwischen der zweiten und der dritten Linse. Abhängig von den konstruktiven Rahmenbedingungen weisen beide Anordnungen spezifische Vorteile auf.According to one Embodiment is the distance between the first and second lens less than the distance between the second and third lenses. Alternatively, the optical unit can also be designed so that the distance between the first and second lens is greater as the distance between the second and the third lens. Depending on The constructive frameworks have both arrangements specific Advantages.

Gemäß einer Ausgestaltung ist der Durchmesser mindestens einer Linse größer als 75 mm, oder größer als 95 mm. In Abhängigkeit von Strahlqualität und geforder tem Bearbeitungsabstand erweisen sich diese beiden Dimensionierungen als besonders vorteilhaft.According to one Embodiment, the diameter of at least one lens is greater than 75 mm, or larger than 95 mm. Dependent on of beam quality and required processing distance prove these two dimensions as particularly advantageous.

Gemäß weiteren Ausgestaltungen ist die Optikeinheit für eine Laserquelle mit einem Strahlprodukt größer als 20 mm mrad bzw. größer als 24 mm mrad ausgelegt. Diesen Weiterbildungen der Optikeinheit liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Optikeinheit durch spezielle Konstruktion an die jeweils vorgegebenen Strahlqualitäten angepaßt werden kann.According to others Embodiments is the optical unit for a laser source with a Beam product greater than 20 mm mrad or larger than 24 mm mrad designed. These developments of the optical unit is the Understanding that the optical unit by special construction can be adapted to the respective predetermined beam qualities.

Gemäß weiteren Ausgestaltungen ist der Bearbeitungsabstand größer als 300 mm, bzw. größer als 400 mm. Beide Ausgestaltungen stellen einen geeigneten Kompromiß zwischen den Anforderungen an die Optikeinheit und die Strahlqualität und den erreichbaren Zeitvorteilen des Laser-Remoteschweißens dar.According to others Embodiments, the machining distance is greater than 300 mm, or greater than 400 mm. Both embodiments provide a suitable compromise between the requirements for the optical unit and the beam quality and the achievable time advantages of laser remote welding is.

Gemäß einer Ausgestaltung wird die Laserstrahlung über einen Lichtleiter eingekoppelt und der Abstand zwischen dem Ende des Lichtleiters und der ersten Linse beträgt zwischen 150 mm und 280 mm. Abhängig von der Strahlqualität und den Eigenschaften des Lichtleiters wird bei diesem Abstand eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Linsensystems erreicht. Außerdem erlaubt die Einkopplung der Laserstrahlung über einen Lichtleiter, die Laserquelle in einem größeren Abstand von der Optikeinheit zu plazieren.According to one Design, the laser radiation is coupled via a light guide and the distance between the end of the light guide and the first Lens is between 150 mm and 280 mm. Dependent from the beam quality and the properties of the light guide at this distance becomes a achieved particularly advantageous embodiment of the lens system. Furthermore allows the coupling of the laser radiation via a light guide, the Laser source at a greater distance from the optical unit.

Gemäß einer Ausgestaltung ist ein Adaptersystem zum Anschluß unterschiedlicher Lichtleiter an die Optikeinheit vorgesehen. Diese Weiterbildung der Erfindung ermöglicht, Lichtleiter unterschiedlicher Hersteller, die mit unterschiedlichen Anschlußsystemen versehen sind, mit der Optikeinheit zu kombinieren. So können beispielsweise Lichtleiter mit Bajonettverschluß oder Lichtleiter, die eine genaue Justierung und Klemmung des Faserendes erfordern, ohne weiteres an die Optikeinheit angeschlossen werden.According to one Embodiment is an adapter system for connecting different light guides provided to the optical unit. This development of the invention allows Light guides from different manufacturers, with different connection systems are provided to combine with the optical unit. So, for example Fiber optic with bayonet closure or optical fiber, the one exact adjustment and clamping of the fiber end require, without further notice connected to the optical unit.

Gemäß einer Ausgestaltung ist eine Justiervorrichtung vorhanden, mit der die Optikeinheit oder ein Teil davon entlang der optischen Achse verschiebbar und fixierbar ist. Dabei ist vorgesehen, entweder die gesamte Optikeinheit oder auch nur eine einzelne Linse, beispielsweise die Sammellinse, zur Fokussierung des Laserstrahls zu verschieben. Durch die Fixierbarkeit wird eine einmalig vorgenommene Justage auf einfache Weise für alle weiteren Arbeitsvorgänge fixiert.According to one Design is an adjustment device available, with the Optics unit or a part thereof along the optical axis displaceable and is fixable. It is envisaged either the entire optical unit or even a single lens, such as the condenser lens, to move the focus of the laser beam. By fixability is a one-time adjustment in a simple way for all others operations fixed.

Gemäß einer Ausgestaltung sind die Linsen in auswechselbaren Fassungen oder Einschüben gehalten. Dadurch können auch einzelne Linsen, die beschädigt oder verschmutzt sind, auf einfachste Weise ausgetauscht werden. Ebenso vorgesehen ist, die gesamte Optikeinheit im Falle einer Verschmutzung oder Beschädigung auszuwechseln.According to one Design are the lenses in interchangeable versions or slots held. Thereby can even single lenses that are damaged or dirty, can be replaced in the simplest way. Also provided is the entire optical unit in case of contamination or damage replaced.

Gemäß einer Ausgestaltung ist zwischen Werkstück und Optikeinheit ein Schutzglas vorgesehen. Dieses Schutzglas schützt die vorderste Linse der Optikeinheit vor Verschmutzung und kann ggfs. leicht ausgetauscht werden.According to one Design is between the workpiece and optical unit a protective glass intended. This protective glass protects the foremost lens of the Optical unit against contamination and can be easily replaced if necessary become.

Gemäß einer Ausgestaltung ist zwischen Werkstück und Optikeinheit ein Cross-Jet vorgesehen. Mittels Druckluft erzeugt der Cross-Jet unterhalb der Optikeinheit bzw. des Schutzglases einen Luftvorhang, der zusätzlich vor Stäuben, Gasen oder Schmutzpartikeln schützt.According to one Design is provided between the workpiece and optical unit a cross-jet. through Compressed air is generated by the cross-jet below the optical unit or of the protective glass an air curtain, in addition to dusts, gases or dirt particles.

Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, die Optikeinheit in einem gegen Schweißgase, -Stäube und/oder -Dämpfe abgedichteten Gehäuse anzuordnen. Durch diese Anordnung wird die Optikeinheit auf einfache Weise wirksam geschützt.According to one Design is provided, the optical unit in a against welding gases, dusts and / or -Fumes sealed housing to arrange. With this arrangement, the optical unit is simple Way effectively protected.

Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, an der Optikeinheit eine Tastspitze und/oder einen Laserpointer anzubringen. Die Tastspitze ist dabei so ausgeführt, dass ihre Spitze im Brennpunkt des Laserstrahls liegt. Der Strahl des Laserpoin ters schneidet diesen Punkt ebenfalls. Dadurch wird der Arbeitspunkt der Vorrichtung auf einfache Weise dargestellt, was insbesondere zum sog. „Teachen", d.h. zum Programmieren von Bewegungsabläufen der Optikeinheit, hilfreich ist.According to one Design is provided on the optical unit a Tastspitze and / or to attach a laser pointer. The stylus tip is included so executed, that their tip lies in the focal point of the laser beam. The beam The laser pointer also cuts this point. This will the operating point of the device is shown in a simple manner, which in particular for so-called "teaching", that is to say for programming of movements the optical unit, is helpful.

Die Aufgabe der Erfindung wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zum Laser-Remoteschweißen mit einer Optikeinheit und einer Laserquelle, wobei der Bearbeitungsabstand zwischen Optikeinheit und Werkstück größer als 250 mm ist und das Strahlparameterprodukt der Laserquelle größer ist als 16 mm mrad.The The object of the invention is also achieved by a method for Laser remote welding with one Optical unit and a laser source, with the machining distance between optical unit and workpiece greater than 250 mm and the beam parameter product of the laser source is larger as 16 mm mrad.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntis, dass das Laser-Remoteschweißen auch mit einer Laserquelle geringer Strahlqualität und bei großem Arbeitsabstand durchgeführt werden kann, wenn eine neuartige Optikeinheit verwirklicht wird.The The invention is based on the discovery that laser remote welding also works with a laser source of low beam quality and at a long working distance carried out can be when a novel optical unit is realized.

Gemäß weiteren Ausgestaltungen des Verfahrens ist der Bearbeitungsabstand größer als 300 mm bzw. größer als 400 mm, oder das Strahlparameterprodukt der Laserquelle ist größer als 20 mm mrad oder größer als 24 mm mrad. Diese Ausgestaltungen geben Parameterbereiche an, in denen das erfindungsgemäße Verfahren in Verbindung mit einer entsprechenden Optikeinheit vorteilhaft ausgeführt werden kann.According to others Embodiments of the method, the machining distance is greater than 300 mm or larger than 400 mm, or the beam parameter product of the laser source is larger than 20 mm or larger than 24 mm mrad. These embodiments indicate parameter ranges, in those the inventive method advantageous in conjunction with a corresponding optical unit accomplished can be.

Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens werden die zu verbindenden Werkstücke entlang einer Linie miteinander verschweißt und die Linie weist abschnittsweise Unterbrechungen auf. Eine derartige Schweißnaht wird als Steppnaht bezeichnet. Die Kombination des erfindungsgemäßen Laser-Remoteschweißens mit derartigen Steppnähten ist besonders vorteilhaft, weil die erreichbaren Zeitvorteile besonders groß sind.According to one Design of the method, the workpieces to be joined along a line welded together and the line has sections Interruptions. Such a weld is called stitching. The combination of the inventive laser remote welding with such stitching is particularly advantageous, because the achievable time advantages especially are big.

Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Steuerung für die Bewegung der Optikeinheit mit Hilfe einer Tastspitze und/oder eines Laserpointers programmiert.According to one Embodiment of the method is the control for the movement the optical unit using a stylus tip and / or a laser pointer programmed.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.following The invention will be explained in more detail with reference to embodiments.

Es zeigen:It demonstrate:

1 Schematische Querschnittsdarstellung des Linsensystems und des Strahlengangs einer Optikeinheit, 1 Schematic cross-sectional view of the lens system and the beam path of an optical unit,

2 Querschnittsdarstellung des Linsensystems aus 1 mit Fassung, 2 Cross-sectional view of the lens system 1 with version,

3 Halterung für die Optikeinheit aus 2 zur Befestigung an einer Grundplatte in einer perspektivischen Ansicht von vorn (a) und von hinten (b), 3 Holder for the optical unit off 2 for attachment to a base plate in a perspective view from the front (a) and from the rear (b),

4 perspektivische Ansicht einer Optikeinheit mit Gehäuse, 4 perspective view of an optical unit with housing,

5 Querschnittsdarstellung des Linsensystems und des Strahlengangs einer weiteren Ausführungsform. 5 Cross-sectional view of the lens system and the beam path of another embodiment.

In 1 ist der Linsenschnitt und der zugehörige Strahlengang einer erfindungsgemäßen Optikeinheit dargestellt. Auf der in der Figur links dargestellten Objektseite der Optikeinheit befindet sich bei Punkt 1 das Ende der Glasfaser, über die der Bearbeitungsstrahl eingekoppelt wird. Das aus der Glasfaser austretende Laserlicht wird im Fokuspunkt 2 abgebildet.In 1 the lens section and the associated beam path of an optical unit according to the invention is shown. On the left in the figure shown on the object side of the optical unit is at point 1 the end of the glass fiber, over which the processing beam is coupled. The laser light emerging from the glass fiber becomes the focal point 2 displayed.

Im Strahlengang angeordnet ist eine erste Linse 3, die als Zersteuerungslinse ausgeführt ist. Sie dient einer Aufweitung des Strahlenbündels, wodurch die Baulänge der Optikeinheit verkürzt werden kann. Die Zerstreuungslinse ist als bikonkave Linse ausgeführt.Arranged in the beam path is a first lens 3 which is designed as a Zerspiegelungslinse. It serves to widen the beam, whereby the overall length of the optical unit can be shortened. The Zer Diffuser lens is designed as a biconcave lens.

Eine zweite Linse 4 ist in größerem Abstand von der Zerstreuungslinse 3 angeordnet und bewirkt in erster Näherung eine Kollimation des Strahlenbündels. Diese zweite Linse ist konkav-konvex.A second lens 4 is at a greater distance from the diverging lens 3 arranged and causes in a first approximation, a collimation of the beam. This second lens is concavo-convex.

Eine dritte Sammellinse 5 fokussiert das näherungsweise kollimierte Strahlenbündel auf den Fokuspunkt 2.A third condenser lens 5 focuses the approximately collimated beam onto the focal point 2 ,

Der Durchmesser des Faserausgangs 1 beträgt ca. 0,6 mm und wird im Fokuspunkt 2 auf einen Durchmesser von ca. 0,55 mm abgebildet. Der Abbildungsmaßstab beträgt also näherungsweise 1:1. Dadurch wird im Fokuspunkt 2 eine ausreichende Leistungsdichte erzielt.The diameter of the fiber exit 1 is about 0.6 mm and becomes the focal point 2 Shown on a diameter of about 0.55 mm. The magnification is thus approximately 1: 1. This will be the focus point 2 achieved a sufficient power density.

Das dargestellte Drei-Linsen-System wurde mit einem speziellen Optikprogramm optimiert. Das Ergebnis dieser Optimierungsrechnung ist in Tabelle 1 dargestellt. Jede Zeile der Tabelle charakterisiert eine optische Fläche des Linsensystems. In den Spalten der Tabelle ist für jede optische Fläche die Krümmung, Dicke, ggfs. die Glassorte und der halbe Durchmesser des Strahlenbündels angegeben.The illustrated three-lens system was equipped with a special optical program optimized. The result of this optimization calculation is in table 1 shown. Each line of the table characterizes an optical one area of the lens system. In the columns of the table is for each optical area the curvature, Thickness, if necessary. The type of glass and half the diameter of the beam specified.

In der ersten Zeile findet sich das Objekt, der Ausgang der Glasfaser, mit einem halben Durchmesser von 0,3 mm. In einem Abstand von insgesamt 203 mm findet sich in der dritten Zeile eine zweite optische Fläche, die die Grenzfläche zu der Zerstreuungslinse darstellt. Diese erste Grenzfläche hat eine Krümmung von – 1.187,62 mm, was einer geringfügig konkaven Fläche entspricht. Die Dicke der Linse beträgt 4 mm, die Glassorte ist N-SK2. Der halbe Durchmesser des Strahlenbündels an dieser Grenzfläche beträgt 20,4 mm.In the first line contains the object, the output of the fiber, with a half diameter of 0.3 mm. At a distance of total 203 mm can be found in the third line, a second optical surface, the the interface to the diverging lens represents. This first interface has a curvature from - 1,187.62 mm, which is a minor concave surface equivalent. The thickness of the lens is 4 mm, the type of glass is N-SK2. The half diameter of the beam at this interface is 20.4 mm.

Die weiteren Zeilen geben die entsprechenden Eigenschaften der übrigen optischen Flächen des Drei-Linsen-Systems an.The additional lines give the corresponding properties of the other optical surfaces of the three-lens system.

Es ist zu erkennen, dass der Bildpunkt 2 einen halben Durchmesser von 0,273 mm aufweist, sowie einen Abstand von 475 mm zur hinteren Grenzfläche der letzten Linse 5. Es ist also ein ausreichend großer Arbeitsabstand für das Laser-Remoteschweißen verwirklicht.It can be seen that the pixel 2 has a half diameter of 0.273 mm, and a distance of 475 mm to the rear interface of the last lens 5 , So it is realized a sufficiently large working distance for the laser remote welding.

Ermöglicht wird dieser große Bearbeitungsabstand in Verbindung mit der relativ niedrigen Strahlqualität der Laserquelle durch die großen Durchmesser der Linsen 4 und 5. So beträgt der größte optisch wirksame Durchmesser der Linse 5 107,4 mm.This large processing distance, in conjunction with the relatively low beam quality of the laser source, is made possible by the large diameters of the lenses 4 and 5 , So is the largest optically effective diameter of the lens 5 107.4 mm.

In 2 ist der konstruktive Aufbau des Linsensystems im Querschnitt dargestellt. Die Anordnung der Linsen 3, 4 und 5 entspricht derjenigen aus 1. Ein konischer Tubus 6 aus Aluminium verbindet die Fassung 7 der Zerstreuungslinse 3 mit der Fassung 8 der Linsen 4 und 5. Die Linsenfassungen sowie der konische Tubus 6 sind aus Aluminium gefertigt.In 2 the structural design of the lens system is shown in cross section. The arrangement of the lenses 3 . 4 and 5 equals that of 1 , A conical tube 6 made of aluminum connects the socket 7 the diverging lens 3 with the version 8th the lenses 4 and 5 , The lens frames and the conical tube 6 are made of aluminum.

Eine Justiervorrichtung ist als Schneckengang 9 ausgeführt. Mit Hilfe dieses Schneckengangs kann durch Drehen des äußeren Rings 10 die Position der Zerstreuungslinse 3 entlang der optischen Achse um ca. +/– 3 mm verschoben werden. Die justierte Position der Zerstreuungslinse 3 kann durch eine in die Gewindebohrung 11 einzubringende Klemmschraube fixiert werden. Zur Montage des dargestellten Linsensystems ist eine präzise gefertigte Auflagefläche 12 sowie eine Paßfläche 13 zum Einsetzen des Linsensystems in eine Halterung vorgesehen. Zur verdreh- und versatzsicheren Fixierung in diese Halterung dienen die Gewindebohrungen 14.An adjustment device is as a screw flight 9 executed. With the help of this worm gear can turn by turning the outer ring 10 the position of the diverging lens 3 along the optical axis by approx. +/- 3 mm. The adjusted position of the diverging lens 3 can through one in the threaded hole 11 to be introduced clamping screw to be fixed. For mounting the illustrated lens system is a precisely manufactured bearing surface 12 as well as a mating area 13 provided for insertion of the lens system in a holder. The tapped holes serve for fixation in this holder without twisting and offset 14 ,

3 zeigt eine Halterung, mit der das Linsensystem aus 2 an einer Grundplatte befestigt wird. Die paßgenau gefertigte Anlagefläche 20 und die Paßfläche 21 stellen eine in Bezug auf die optische Achse präzise Ausrichtung des Linsensystems sicher. Gegen Verdrehen wird das Linsensystem weiter durch einen Zylinderstift, der in die Bohrung 23 eingebracht wird, sowie durch eine Verschraubung durch die Bohrungen 22 gesichert. 3 shows a holder with which the lens system 2 is attached to a base plate. The precisely manufactured contact surface 20 and the mating area 21 ensure precise alignment of the lens system with respect to the optical axis. To prevent twisting, the lens system continues through a cylindrical pin that enters the hole 23 is introduced, as well as by a screw through the holes 22 secured.

Die Halterung wird mit Hilfe von zwei Gewindebohrungen 24 und zwei Bohrungen 25 für Zylinderstifte exakt ausgerichtet auf einer Grundplatte befestigt.The bracket is made using two threaded holes 24 and two holes 25 For cylindrical pins fixed exactly aligned on a base plate.

Diese Grundplatte 26 ist in 4 dargestellt. Durch die kompakte Bauform des Linsensystems ist eine Abmessung der Grundplatte von 325 mm in der Länge und 195 mm in der Breite ausreichend. Die Grundplatte ist aus der Aluminiumlegierung Fortal 5083 gefertigt. Fortal 5083 zeichnet sich durch eine hohe Maßgenauigkeit aus.This base plate 26 is in 4 shown. Due to the compact design of the lens system, a dimension of the base plate of 325 mm in length and 195 mm in width is sufficient. The base plate is made of the aluminum alloy Fortal 5083. Fortal 5083 is characterized by a high dimensional accuracy.

Durch die Gehäuseabdeckung 27, die ebenfalls aus Aluminium gefertigt ist, entsteht ein allseitig dicht verschlossenes Gehäuse. Die Gehäuseabdeckung 27 ist mit Hilfe von Schnellverschlüssen 28 mit Spannhaken an der Grundplatte 26 befestigt. Sie läßt sich daher für Wartungsarbeiten leicht abnehmen.Through the housing cover 27 , which is also made of aluminum, creates a sealed on all sides housing. The housing cover 27 is with the help of quick fasteners 28 with clamping hooks on the base plate 26 attached. It can therefore be easily removed for maintenance.

Bei 29 sind Bohrungen für Schrauben und Zylinderstifte zur Montage der Optikhalterung aus 3 gezeigt.at 29 are holes for screws and dowel pins for mounting the optics bracket off 3 shown.

Zwischen Optikeinheit und Werkstück ist ein Schutzglas 30 angeordnet, welches die Optikeinheit vor Verschmutzung schützt. Diesem Zweck dient auch der Cross-Jet 31, der mit Druckluft mit einem Druck von 6 Bar betrieben wird und einen quer zur Strahlrichtung verlaufenden Luftstrom mit hoher Geschwindigkeit erzeugt. Der Cross-Jet 31 ist mit Hilfe einer Halterung 32 an der Gehäuseabdeckung 27 befestigt. An dieser Halterung 33 ist auch eine Tastspitze 33 mit Hilfe einer Rändelschraube anbringbar. Die Tastspitze ist dabei so ausgerichtet, dass die Spitze im Fokuspunkt der Optikeinheit angeordnet ist.Between optical unit and workpiece is a protective glass 30 arranged, which protects the optical unit from contamination. This purpose is also served by the cross-jet 31 Operated with compressed air at a pressure of 6 bar and generates a cross-to-jet airflow at high speed. The cross-jet 31 is with the help of a bracket 32 on the housing cover 27 attached. At this bracket 33 is also a Tastspitze 33 attachable with the aid of a knurled screw. The probe tip is aligned so that the tip is located in the focal point of the optical unit.

Ebenfalls auf diesen Fokuspunkt ausgerichtet ist der Laserpointer 34, der über die Halterung 35 an der Grundplatte 26 befestigt ist. Tastspitze 33 und/oder Laserpointer 34 erlauben eine einfache Programmierung von Bewegungsabläufen der Optikeinheit.Also focused on this focal point is the laser pointer 34 that over the bracket 35 at the base plate 26 is attached. prod 33 and / or laser pointer 34 allow easy programming of movements of the optical unit.

Zum Anschluß einer Glasfaser zur Einkopplung des Laserstrahls dient der Adapter 36, in den die Glasfaser eingeschoben und mit Hilfe des Klemmrings 37, der eine Gewindebohrung und eine Klemmschraube aufweist, fixiert wird. Der Adapter 36 ist dabei so ausgeführt, dass der vorgesehene Abstand von 203 mm zwischen dem Ende der Glasfaser und der Zerstreuungslinse exakt eingehalten wird und der Austrittspunkt der Glasfaser genau auf der optischen Achse liegt.To connect a glass fiber for coupling the laser beam is the adapter 36 , in which the glass fiber is inserted and with the help of the clamping ring 37 , which has a threaded bore and a clamping screw is fixed. The adapter 36 is designed so that the intended distance of 203 mm between the end of the glass fiber and the diverging lens is exactly maintained and the exit point of the glass fiber is exactly on the optical axis.

Die gesamte Optikeinheit wird über sechs Bohrungen 38 in der Grundplatte 26, sowie über zwei weitere Bohrungen 39 zur Aufnahme von Zylinderstiften, am Flansch eines Roboterarms befestigt.The entire optical unit will have six holes 38 in the base plate 26 , as well as two more holes 39 for receiving cylindrical pins, attached to the flange of a robot arm.

5 zeigt den Linsenschnitt einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Optikeinheit. Es werden dieselben Bezugszeichen wie in 1 verwendet. Der wesentliche Unterschied zur Ausführung nach 1 besteht darin, dass die zweite Linse 4 relativ nahe an der Zerstreuungslinse 3 angeordnet ist. Der Abstand zwischen der zweiten Linse 4 und der dritten Linse 5 ist dadurch wesentlich größer als der Abstand zwischen der Zerstreuungslinse 3 und der zweiten Linse 4. 5 shows the lens section of another embodiment of an optical unit according to the invention. The same reference numerals as in FIG 1 used. The main difference to the execution after 1 is that the second lens 4 relatively close to the diverging lens 3 is arranged. The distance between the second lens 4 and the third lens 5 This is much greater than the distance between the diverging lens 3 and the second lens 4 ,

Wie in Tabelle 2 ersichtlich, ist es auch bei dieser Ausführung gelungen, den objektseitigen halben Strahldurchmesser von 0,3 mm auf einen ausreichend kleinen Punkt 2 mit einem Durchmesser von ca. 0,62 mm zu fokussieren. Bei dieser Ausführungsform wird dieser Effekt mit einer geringfügig kleineren Sammellinse 5, die einen optisch wirksamen Durchmesser von ca. 97,7 mm aufweist, erreicht.As can be seen in Table 2, it has also succeeded in this embodiment, the object-side half beam diameter of 0.3 mm to a sufficiently small point 2 to focus with a diameter of about 0.62 mm. In this embodiment, this effect becomes a slightly smaller condenser lens 5 , which has an optically effective diameter of about 97.7 mm achieved.

Weitere Einzelheiten des Designs dieses Linsensystems sind der Tabelle 2 zu entnehmen.Further Details of the design of this lens system are shown in Table 2 refer to.

Tabelle 1

Table 1

Tabelle 2

Table 2

Claims

Optical unit for laser remote welding at a working distance of more than 250 mm, characterized in that for a beam parameter product of the laser source of more than 16 mm mrad a convergent lens ( 5 ) is present with a diameter of over 60 mm.

Optical unit according to claim 1, characterized that a total of three lenses are provided.

Optical unit according to claim 1 or 2, characterized in that the first lens in the beam direction, a diverging lens ( 3 ), the last lens the condenser lens ( 5 ).

Optical unit according to claim 2 or 3, characterized in that the second surface in the beam direction of the first lens ( 3 ) concave, the second surface of the second lens ( 4 ) convex, the third lens ( 5 ) is bi-convex.

Optical unit according to claim 4, characterized in that the first surface in the beam direction of the first lens ( 3 ) is plane or concave.

Optical unit according to claim 4 or 5, characterized in that the first surface in the beam direction of the second lens ( 4 ) is plane or concave.

Optical unit according to one of claims 2 to 6, characterized in that the distance between the first lens ( 3 ) and second lens ( 4 ) is less than the distance between the second lens ( 4 ) and third lens ( 5 ).

Optical unit according to one of claims 2 to 7, characterized in that the distance between the first lens ( 3 ) and second lens ( 4 ) is greater than the distance between the second lens ( 4 ) and third lens ( 5 ).

Optical unit according to one of claims 1 to 8, characterized that the diameter of at least one lens is greater than 75 mm.

Optical unit according to one of claims 1 to 9, characterized in that the diameter of at least one Lens is larger than 95 mm.

Optical unit according to one of claims 1 to 10, characterized in that the optical unit for a laser source designed with a beam parameter product greater than 20 mm mrad is.

Optical unit according to one of claims 1 to 11, characterized in that the optical unit for a laser source designed with a beam parameter product greater than 24 mm mrad is.

Optical unit according to one of claims 1 to 12, characterized in that the machining distance is greater than 300 mm.

Optical unit according to one of claims 1 to 13, characterized in that the machining distance is greater than 400 mm.

Optical unit according to one of claims 1 to 14, characterized in that the laser radiation via a Light guide is coupled and the distance between the end of the light guide and the first lens between 150 mm and 280 mm is.

Optical unit according to claim 15, characterized in that that an adapter system for connecting different light guides is available.

Optical unit according to one of claims 1 to 16, characterized in that an adjusting device is present is with which the optical unit or part of it along the optical Axis is displaceable and fixable.

Optical unit according to one of claims 1 to 17, characterized in that the lenses in interchangeable sockets or inserts are held.

Optical unit according to one of claims 1 to 18, characterized in that between the workpiece and optical unit a protective glass ( 30 ) is provided.

Optical unit according to one of claims 1 to 19, characterized in that between the workpiece and optical unit, a cross-jet ( 31 ) is provided.

Optical unit according to one of claims 1 to 20, characterized in that the optical unit in a against Welding gases, dusts and / or vapors sealed housing is arranged.

Optical unit according to one of claims 1 to 21, characterized in that on the optical unit a Tastspitze ( 33 ) and / or a laser pointer ( 34 ) is attachable.

Method for laser remote welding with an optical unit and a laser source, characterized in that the machining distance between optical unit and workpiece greater than 250 mm and the beam parameter product of the laser source is larger as 16 mm mrad.

Method according to claim 23, characterized in that the machining distance is greater than 300 mm is.

Method according to claim 23 or 24, characterized in that the machining distance greater than 400 mm.

Method according to one the claims 23 to 25, characterized in that the jet parameter product the laser source is larger as 20 mm mrad.

Method according to one the claims 23 to 26, characterized in that the beam parameter product the laser source is larger as 24 mm mrad.

Method according to one the claims 23 to 27, characterized in that the workpieces to be joined along a line are welded together and the line sections Has interruptions.

Method according to one of claims 23 to 28, characterized in that the control for the movement of the optical unit by means of a stylus tip ( 33 ) and / or a laser pointer ( 34 ) is programmed.

Method according to one of claims 23 to 29, characterized in that a op is provided pumped solid state laser.