DE102007011902A1

DE102007011902A1 - Laserschweißvorrichtung

Info

Publication number: DE102007011902A1
Application number: DE102007011902A
Authority: DE
Inventors: Andrey Dipl.-Ing. Andreev; Marko Spiegel; Andreas Dr. Voss
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-03-13
Filing date: 2007-03-13
Publication date: 2008-07-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserschweißvorrichtung zum Schweißen von Werkstücken, die in einer Schweißebene (35) angeordnet sind, mit einer Fokussierlinse (30), die zwischen der Schweißebene (35) und einer Kollimationslinse (6) angeordnet ist, durch die hindurch ein Laserstrahl (1) über die Fokussierlinse (30) in die Schweißebene (35) gelangt. Um die Prozess-Standzeiten zu verkürzen, ist zwischen der Kollimationslinse (6) und der Fokussierlinse (30) eine Aufweitungsoptik angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserschweißvorrichtung zum Schweißen von Werkstücken, die in einer Schweißebene angeordnet sind, mit einer Fokussierlinse, die zwischen der Schweißebene und einer Kollimationslinse angeordnet ist, durch die hindurch ein Laserstrahl über die Fokussierlinse in die Schweißebene gelangt.
Aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift DE 20 2005 015 719 U1 ist ein F/theta-Objektiv zur Fokussierung von Hochleistungs-Laserstrahlung in einem ebenen Bildfeld bekannt, wobei das Objektiv mindestens zwei im Strahlweg hintereinander angeordnete Linsen aufweist. Aus der deutschen Patentschrift DE 43 11 454 C2 ist ein Raman-Laser mit einem Fokussierelement zum Fokussieren eines Pumplaserstrahls in einem primären Raman-Fokus einer außerhalb eines Pumplaser-Resonators angeordneten Ramanzelle bekannt. Aus der deutschen Patentschrift DE 100 15 245 C2 ist eine optische Anordnung zur Symmetrierung der Strahlung von zweidimensionalen Arrays von Laserdioden bekannt. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 199 11 419 A1 ist ein digitaler Bereichssensor mit einer Lichtquelle und einem optischen Element zum Herunterfokussieren des Lichts von der Quelle auf einen kleinen Fleck auf einem Ziel bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Laserschweißvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, durch welche die Prozess-Standzeiten verkürzt werden können.
Die Aufgabe ist bei einer Laserschweißvorrichtung zum Schweißen von Werkstücken, die in einer Schweißebene angeordnet sind, mit einer Fokussierlinse, die zwischen der Schweißebene und einer Kollimationslinse angeordnet ist, durch die hindurch ein Laserstrahl über die Fokussierlinse in die Schweißebene gelangt, dadurch gelöst, dass zwischen der Kollimationslinse und der Fokussierlinse eine Aufweitungsoptik angeordnet ist. Durch die Erfindung wird ein Dreilinsensystem geschaffen, durch das der Abstand zwischen der Fokussierlinse und der Schweißebene vergrößert wird. Dadurch wird die Zugänglichkeit der Optik verbessert und die Verschmutzung eines vor der Fokussierlinse angeordneten Schutzglases reduziert. Die Laserschweißvorrichtung wird vorzugsweise zum Schweißen von Getriebeteilen verwendet.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Laserschweißvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aufweitungsoptik eine Meniskuslinse umfasst. Vorzugsweise hat die Meniskuslinse einen Durchmesser von etwa 52 Millimeter und eine Brennweite von etwa 220 Millimeter. Mit diesen Werten wurden im Rahmen der vorliegenden Erfindung sehr gute Ergebnisse erzielt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Laserschweißvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl durch die Aufweitungsoptik von etwa 44 Millimeter auf etwa 69 Millimeter aufgeweitet wird. Dadurch kann der Abstand zwischen der Fokussierlinse und der Schweißebene von etwa 220 Millimeter auf etwa 300 Millimeter vergrößert werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist.
Dabei zeigen:
1 den prinzipiellen Aufbau einer herkömmlichen Laserschweißvorrichtung und
2 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Laserschweißvorrichtung.
In 1 ist der prinzipielle Aufbau einer herkömmlichen Laserschweißvorrichtung dargestellt. Ein Laserstrahl 1 wird der Laserschweißvorrichtung über eine Glasfasereinrichtung 2 zugeführt. Der aus der Glasfasereinrichtung 2 austretende Laserstrahl 4 weitet sich auf und gelangt zu einer Kollimationslinse 6. Der Durchmesser des aus der Kollimationslinse 6 austretenden Laserstrahls ist mit 8 bezeichnet. Die Kollimationslinse 6, die vorzugsweise als monochromatische Kollimationslinse ausgeführt ist, hat einen Durchmesser von 52 Millimeter und eine Brennweite von 220 Millimeter.
In einem Abstand zu der Kollimationslinse 6 ist eine Fokussierlinse 10 angeordnet, die einen Durchmesser von 52 Millimeter aufweist. Die Fokussierlinse 10 dient dazu, den Laserstrahl in einem Fokus 12 in einer Schweißebene 15 zu fokussieren. Der Abstand zwischen der Fokussierlinse 10 und der Schweißebene 15 ist mit 14 bezeichnet und beträgt bei einem Abbildungsverhältnis von 1:1 maximal 220 Millimeter. Das Abbildungsverhältnis ergibt sich aus dem Verhältnis der Brennweite der Kollimationslinse zu der Brennweite der Fokussierlinse. Die Fokussierlinse 10 wird auch als Linse bezeichnet. In der Schweißebene 15 wird ein zu schweißendes Werkstück angeordnet. Daher wird der Abstand 14 auch als Abstand zwischen Werkstück und Linse bezeichnet.
Bei Anwendungen mit einem Scheibenlaser ist bei der Verwendung von Optiken, wie sie in 1 dargestellt sind, bei Linsen mit einem Linsendurchmesser von 52 Millimeter und einem Abbildungsverhältnis von 1:1 nur ein maximaler Abstand von 220 Millimeter zwischen Werkstück und Fokussierlinse beziehungsweise Objektiv realisierbar. Daher kann die Fokussierlinse, die auch als Objektiv bezeichnet wird, maximal 220 Millimeter vom Schweißprozess entfernt sein. Weil beim Schweißprozess Spritzer entstehen, die mit hoher Geschwindigkeit in Richtung Objektiv fliegen, wird vor dem Objektiv ein Schutzglas eingebaut. Je geringer der Abstand zwischen Objektiv und Werkstück ist, desto stärker wird das Schutzglas verschmutzt. Außerdem treten bei diesem geringen Abstand Zugänglichkeitsprobleme für die Optik auf.
In 2 ist der prinzipielle Aufbau einer erfindungsgemäßen Laserschweißvorrichtung dargestellt. Die erfindungsgemäße Laserschweißvorrichtung umfasst wie die in 1 dargestellte herkömmliche Laserschweißvorrichtung eine Glasfasereinrichtung 2, durch die ein Laserstrahl 1 der Laserschweißvorrichtung zugeführt wird. Der aus der Glasfasereinrichtung 2 austretende Laserstrahl 4 weitet sich auf und wird einer Kollimationslinse 6 zugeführt. Die Kollimationslinse 6, die vorzugsweise als monochromatische Kollimationslinse ausgeführt ist, hat einen Durchmesser von 52 Millimeter und eine Brennweite von 220 Millimeter. Der aus der Kollimationslinse 6 austretende Laserstrahl hat einen Durchmesser 8 von 44 Millimeter. Der aus der Kollimationslinse 6 austretende Laserstrahl gelangt zu einer Meniskuslinse 20.
Die Meniskuslinse 20 hat einen Durchmesser von 52 Millimeter und eine Brennweite von 220 Millimeter. Die Meniskuslinse 20 ist zwischen der Kollimationslinse 6 und einer Fokussierlinse 30 angeordnet. Die Fokussierlinse 30 hat einen Durchmesser von 74 Millimeter und eine Brennweite von 220 Millimeter. Der Durchmesser des Laserstrahls im Bereich der Fokussierlinse ist mit 31 bezeichnet und beträgt 69 Millimeter. Die Fokussierlinse 30 dient dazu, den aus der Fokussierlinse 30 austretenden Laserstrahl in einem Fokus 32 zu fokussieren. Der Fokus 32 ist in einer Schweißebene 35 angeordnet. Der Abstand zwischen der Fokussierlinse 30 und der Schweißebene 35 ist mit 34 bezeichnet.
Die Meniskuslinse 20 und die Fokussierlinse 30 bilden ein Zweilinsensystem, das die parallele Strahlung nach der Kollimation von 44 auf 69 Millimeter aufweitet und danach fokussiert. Die Kollimationslinse 6, die Meniskuslinse 20 und die Fokussierlinse 30 bilden zusammen ein Dreilinsensystem. Die Fokussierlinse 30 ist eine bikonvexe, spherische Linse. Vor der Fokussierlinse 30 wird ein Schutzglas eingebaut.
Durch die Erfindung erhöht sich der Abstand zwischen der Schweißebene 35 und der Fokussierlinse 30 von maximal 220 auf 300 Millimeter, und zwar bei einem Abbildungsverhältnis von 1:1. Die Abstanderhöhung führt zu einer Verbesserung der Zugänglichkeit der Optik und zu einer verringerten Verschmutzung des Schutzglases, wodurch geringere Prozess-Standzeiten realisiert werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 202005015719 U1 [0002]
- DE 4311454 C2 [0002]
- DE 10015245 C2 [0002]
- DE 19911419 A1 [0002]

Claims

Laserschweißvorrichtung zum Schweißen von Werkstücken, die in einer Schweißebene (15; 35) angeordnet sind, mit einer Fokussierlinse (10; 30), die zwischen der Schweißebene (15; 35) und einer Kollimationslinse (6) angeordnet ist, durch die hindurch ein Laserstrahl (1) über die Fokussierlinse (10; 30) in die Schweißebene (15; 35) gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Kollimationslinse (6) und der Fokussierlinse (30) eine Aufweitungsoptik angeordnet ist.
Laserschweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufweitungsoptik eine Meniskuslinse (20) umfasst.
Laserschweißvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl durch die Aufweitungsoptik von etwa 44 Millimeter auf etwa 69 Millimeter aufgeweitet wird.