DE102020215397A1

DE102020215397A1 - Hochfrequenz-Laseroptik und Verfahren zum Betrieb einer Hochfrequenz-Laseroptik

Info

Publication number: DE102020215397A1
Application number: DE102020215397.3A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Andreasch; Dieter Burger; Martin Geiger; Sven Klingschat
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2020-12-07
Filing date: 2020-12-07
Publication date: 2022-06-09
Also published as: JP7301939B2; CN114589399A; JP2022090645A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zur hochfrequenten Ablenkung eines Laserstrahls (12). Die Vorrichtung (10) weist ein strahlaufweitendes Abbildungselement (32) auf, das vor einem verschiebbaren Abbildungselement (34) angeordnet ist, sodass bereits eine geringe Verschiebung des verschiebbaren Abbildungselements (34) eine große Verschiebung des Laserstrahlfokus bewirkt. Einem Scanner (22) zum Rastern des Laserstrahls (12) kann ein Kollimator (30) vorgeordnet sein, sodass Scannerspiegel (24, 26) klein und leicht ausbildbar sind und eine hohe Dynamik aufweisen.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist:

a) Einen Scanner mit einem ersten Scannerspiegel zum Scannen des Laserstrahls in einer ersten Richtung auf dem Werkstück;
b) ein dem Scanner nachgeordnetes verschiebbares Abbildungselement zur Bündelung des Laserstrahls.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung.
Es ist bekannt, Vorrichtungen bereit zu stellen, die zur Bearbeitung von Werkstücken mit einem schnell bewegbaren Laserstrahl ausgebildet sind.
Aus der US 2011/0127697 A1 ist eine Vorrichtung mit einem Scanner zur Ablenkung des Laserstrahls bekannt geworden. Dem Scanner ist eine Teleskopeinheit zur Strahlformung vorgeschaltet.
US 2006/0245084 A1 offenbart ebenfalls eine Vorrichtung mit einer Teleskopeinheit zur Laserstrahlformung und einem Scanner zur Ablenkung des Laserstrahls. Dem Scanner ist eine Fokussierlinse nachgeschaltet.
Aus der DE 10 2007 028 570 A1 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung mit einem Scanner bekannt geworden. Dem Scanner ist zumindest ein durch einen Motor verschiebbares optisches Abbildungselement zur Fokussierung des Laserstrahls nachgeordnet.
Nachteilig an den bekannten Vorrichtungen ist, dass der Verstellweg optischer Abbildungselemente zur Fokussierung des Laserstrahls verhältnismäßig groß ist.
Aufgabe der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung weiterzubilden, die auf konstruktiv einfache Art und Weise eine schnelle Fokussierung des Laserstrahls auf dem Werkstück ermöglicht. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung bereit zu stellen.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren gemäß Patentanspruch 10. Die abhängigen Patentansprüche geben bevorzugte Weiterbildungen wieder.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird somit durch eine eingangs genannte Vorrichtung gelöst, bei der zwischen dem Scanner und dem verschiebbaren Abbildungselement ein strahlaufweitendes Abbildungselement angeordnet ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist somit einen Scanner zur Ablenkung des Laserstrahls auf. Unter einem Scanner wird dabei insbesondere jede Apparatur verstanden, die dazu ausgebildet ist, den Laserstrahl gesteuert abzulenken. Die Vorrichtung weist ein Abbildungselement auf, das den vom Scanner abgelenkten Laserstrahl aufweitet. Der aufgeweitete Laserstrahl wird anschließend vom verschiebbaren Abbildungselement rekollimiert. Hierdurch ist selbst bei einer kleinen Verschiebung des verschiebbaren Abbildungselements die Fokuslage bzw. der Durchmesser des Laserstrahls auf dem Werkstück stark variierbar.
Das strahlaufweitende Abbildungselement ist vorzugsweise in Form eines konkaven Linsensystems ausgebildet. Unter einem Linsensystem wird dabei ein System mit zumindest einer Linse verstanden. Linsensysteme sind konstruktiv besonders einfach ausbildbar und gleichzeitig in der Lage, den Laserstrahl effektiv zu formen. Insbesondere kann das strahlaufweitende Abbildungselement in Form einer einzigen konkaven Linse ausgebildet sein.
Das verschiebbare Abbildungselement kann in Form eines konvexen Linsensystems, insbesondere in Form einer einzigen konvexen Linse, ausgebildet sein.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vor dem Scanner ein Kollimator vorgesehen. Hierdurch kann der Scanner klein und effektiv ausgebildet werden und eine hohe Dynamik aufweisen. Der Kollimator kann in Form eines konvexen Linsensystems, insbesondere in Form einer einzigen konvexen Linse, ausgebildet sein.
Weiter bevorzugt ist dem verschiebbaren Abbildungselement ein Objektiv zur Fokussierung des Laserstrahls auf das Werkstück nachgeordnet. Das Objektiv kann in Form eines konvexen Linsensystems, insbesondere in Form einer einzigen konvexen Linse, ausgebildet sein.
Dem Objektiv kann ein Schutzglas zum Schutz der Vorrichtung vor Werkstückspritzern bei der Bearbeitung nachgeordnet sein.
Der Scanner kann lediglich einen einzigen (ersten) Scannerspiegel aufweisen. Der Scanner weist jedoch vorzugsweise einen zweiten Scannerspiegel auf, um den Laserstrahl in einer weiteren Richtung ablenken zu können.
Die Vorrichtung kann besonders kompakt ausgebildet werden, wenn der Laserstrahl über einen Spiegel in den Scanner gelenkt wird.
Der Scanner kann kompakt in Form eines Scannerkopfs ausgebildet sein.
Die Vorrichtung kann, beispielsweise mittels eines Roboterarms, besonders flexibel und schnell bewegbar ausgebildet sein, wenn der Laserstrahl durch ein Lichtleitkabel in die Vorrichtung eingeleitet wird.
In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung einen Strahlteiler zur Anbindung eines Sensorsystems auf. Der Strahlteiler kann dabei einen dichroitischen Spiegel aufweisen.
Der Strahlteiler kann dem verschiebbaren Abbildungselement nachgeordnet sein. Insbesondere kann der Strahlteiler zwischen dem verschiebbaren Abbildungselement und dem Objektiv angeordnet sein.
Besonders bevorzugt ist die Vorrichtung in Form einer Laserschweißvorrichtung ausgebildet. Die erfindungsgemäßen Vorteile erlauben dabei eine Erweiterung des Anwendungsspektrums von Laserschweißen in der flexiblen Blechfertigung:

- Überbrückung von Spalten;
- Laserschweißen von dicken, lasergeschnittenen, Blechen (ohne Kantenvorbereitung);
- Laserschweißen von Metalllegierungen, die bislang nicht oder nur sehr schwer mit dem Laser schweißbar sind (z.B. AlMgSi);
- Universelle und dennoch kompakte Schweißoptik, flexibel einsetzbar für verschiedenen Schweißverfahren (Dick-/Dünnblech, mit/ohne Spalt, Wärmeleit-/Tiefschweißen/etc.) an einem Werkstück.

Die Vorrichtung kann eine Schweißdrahtzuführung aufweisen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer hier beschriebenen Vorrichtung, wobei die Frequenz der Laserstrahlbewegung auf dem Werkstück bei einer Amplitude von mehr als 0,1 mm mehr als 2400 Hz, bei einer Amplitude von mehr als 1 mm mehr als 1000 Hz und/oder bei einer Amplitude von mehr als 3 mm mehr als 500 Hz, beträgt. Die Dynamik der Scanbewegung ist somit insbesondere beim Schweißen mit der hier beschriebenen Vorrichtung besonders hoch.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
2 zeigt eine schematische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
3 zeigt eine Darstellung der mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielten Pendeldynamik.

1 zeigt eine Vorrichtung 10 zur Führung eines Laserstrahls 12. Die Vorrichtung 10 ist zur Bearbeitung, insbesondere zum Schweißen, eines Werkstücks 14 ausgebildet. Im vorliegenden Fall wird ein erstes Blech 16a mit einem zweiten Blech 16b durch Ausbildung einer Schweißnaht 18 verbunden. Die Schweißnaht 18 überbrückt dabei einen Spalt 20 zwischen den Blechen 16a, b. Dies wird durch eine sehr schnelle oszillierende Bewegung des Laserstrahls 12 auf dem Werkstück 14 ermöglicht.
Die oszillierende Bewegung des Laserstrahls 12 wird durch einen Scanner 22 erreicht. Der Scanner 22 ist vorliegend in Form eines Scannerkopfs ausgebildet. Der Scanner 22 weist einen ersten Scannerspiegel 24 zur Oszillation des Laserstrahls 12 in eine erste Richtung, hier in X-Richtung, und, optional, einen zweiten Scannerspiegel 26 zur Oszillation des Laserstrahls 12 in eine zweite Richtung, hier in Y-Richtung, auf. Die beiden Richtungen stehen dabei vorzugsweise senkrecht zueinander.
Der Laserstrahl 12 tritt im vorliegenden Fall durch ein Lichtleitkabel 28 in die Vorrichtung 10 ein. Zwischen dem Scanner 22 und dem Lichtleitkabel 28 ist ein Kollimator 30 angeordnet. Der Kollimator 30 weist vorzugsweise ein konvexes Linsensystem auf. Weiter bevorzugt ist der Kollimator 30 in Form einer konvexen Linse ausgebildet. Der Kollimator 30 weist besonders bevorzugt eine kurzbrennweitige Linse auf, die den Laserstrahl 12 auf einen verhältnismäßig kleinen Strahldurchmesser, vorzugsweise unter 20 mm, insbesondere unter 15 mm, kollimiert. Die Scannerspiegel 24, 26 können dadurch besonders klein und leicht ausgebildet werden, sodass sie mit hoher Dynamik bewegt werden können. Ein Spiegel 31 lenkt den Laserstrahl 12 in den Scanner 22.
Dem entsprechend kompakt aufgebauten Scanner 22 mit kleiner Apertur schließt sich ein strahlaufweitendes Abbildungselement 32 an. Das strahlaufweitende Abbildungselement 32 kann in Form eines konkaven Linsensystems ausgebildet sein. Im vorliegenden Fall ist das strahlaufweitende Abbildungselement 32 in Form einer konkaven Linse ausgebildet.
Dem strahlaufweitenden Abbildungselement 32 ist ein verschiebbares Abbildungselement 34, insbesondere in Form eines konvexen Linsensystems, hier in Form einer konvexen Linse, nachgeordnet. Durch das verschiebbare Abbildungselement 34 wird der Laserstrahl 12 kollimiert.
Das verschiebbare Abbildungselement 34 kann insbesondere motorisch, vorzugsweise linear, auf der optischen Achse des Laserstrahls 12 verschoben werden.
Durch die Verschiebung des verschiebbaren Abbildungselements 34 wird eine Variation der Fokuslage des Laserstrahls 12 auf dem Werkstück 14 erzielt. Aufgrund der Strahlaufweitung, d.h. der Divergenz, des strahlaufweitenden Abbildungselements 32 genügt ein kleiner Verschiebungsbereich 36, um eine große Fokuslagenverschiebung bzw. eine große Variation des Durchmessers des Laserstrahls 12 auf dem Werkstück 14 zu erreichen.
Der Laserstrahl 12 kann einen, hier gestrichelt dargestellten dichroitischen, Strahlteiler 38 zum Anschluss eines Sensorsystems 40 aufweisen. Das Sensorsystem kann eine Schweißnahtplatzierungserkennung, eine Kamera und/oder einen optischen Kohärenztomographen (OCT) umfassen.
Vor dem Austritt aus der Vorrichtung 10 kann der Laserstrahl 12 ein Objektiv 42 und/oder ein Schutzglas 44 durchlaufen. Das Objektiv 42 kann ein konvexes Linsensystem aufweisen. Vorliegend ist das Objektiv 42 in Form einer konvexen Linse ausgebildet.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung 10 zur Führung eines Laserstrahls 12. Die Vorrichtung 10 weist ein Lichtleitkabel 28, einen Kollimator 30, einen Scanner 22 mit Scannerspiegeln 24, 26, ein strahlaufweitendes Abbildungselement 32, ein verschiebbares Abbildungselement 34 und ein Objektiv 42 auf. Ein Spiegel 31 lenkt den Laserstrahl 12 in den Scanner 22, um eine weiter kompakte Bauform der Vorrichtung 10 zu erreichen.
Im Gegensatz zur Vorrichtung 10 aus 1 weist das strahlaufweitende Abbildungselement 32 ein konkaves Linsensystem mit zwei konkaven bzw. negativen Linsen 48a, 48b auf.
In 2 ist angedeutet, dass Schwenkbewegungen 50a, 50b der Scannerspiegel 24, 26 weniger als 5°, insbesondere weniger als 3°, vorzugsweise weniger als 2°, betragen.
Weiterhin ist in 2 angedeutet, dass der Verschiebungsbereich 36 des verschiebbaren Abbildungselements 34 zu einem mehr als doppelt so großen, insbesondere mehr als dreifach so großen, Fokusbereich 52 führt. Dies wird durch das Zusammenspiel aus strahlaufweitendem Abbildungselement 32 und verschiebbarem Abbildungselement 34 erreicht.
3 zeigt experimentell ermittelte Maximalfrequenzen f bei steigenden Amplituden A. Dabei ist mit einer durchgezogenen Linie die Maximalfrequenz f bei einer sinusförmigen Motorstrom-Ansteuerung der Scannerspiegel 24 und/oder 26 (siehe 1 und 2) und mit einer gestrichelten Linie die Maximalfrequenz f bei einer dreieckförmigen Motorstrom-Ansteuerung der Scannerspiegel 24 und/oder 26 dargestellt. Aus 3 ist ersichtlich, dass die erreichten Maximalfrequenzen f signifikant über den typischerweise erreichten Maximalfrequenzen ohne die erfindungsgemäße Optik liegen.
Unter Vornahme einer Zusammenschau aller Figuren der Zeichnung betrifft die Erfindung zusammenfassend eine Vorrichtung 10 zur hochfrequenten Ablenkung eines Laserstrahls 12. Die Vorrichtung 10 weist ein strahlaufweitendes Abbildungselement 32 auf, das vor einem verschiebbaren Abbildungselement 34 angeordnet ist, sodass bereits eine geringe Verschiebung des verschiebbaren Abbildungselements 34 eine große Verschiebung des Laserstrahlfokus bewirkt. Einem Scanner 22 zum Rastern des Laserstrahls 12 kann ein Kollimator 30 vorgeordnet sein, sodass Scannerspiegel 24, 26 klein und leicht ausbildbar sind und eine hohe Dynamik aufweisen.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
12: Laserstrahl
14: Werkstück
16a, b: Blech
18: Schweißnaht
20: Spalt
22: Scanner
24: erster Scannerspiegel
26: zweiter Scannerspiegel
28: Lichtleitkabel
30: Kollimator
31: Spiegel
32: strahlaufweitendes Abbildungselement
34: verschiebbares Abbildungselement
36: Verschiebungsbereich
38: Strahlteiler
40: Sensorsystem
42: Objektiv
44: Schutzglas
48a, b: konkave Linse
50a, b: Bewegung
52: Fokusbereich
f: Maximalfrequenz
A: Amplitude

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2011/0127697 A1 [0004]
US 2006/0245084 A1 [0005]
DE 102007028570 A1 [0006]

Claims

Vorrichtung (10) zur Bearbeitung eines Werkstücks (14) mit einem Laserstrahl (12), wobei die Vorrichtung (10) Folgendes aufweist: a) Einen Scanner (22) mit einem ersten Scannerspiegel (24) zum Scannen des Laserstrahls (12) in einer ersten Richtung auf dem Werkstück (14); b) ein dem Scanner (22) nachgeordnetes verschiebbares Abbildungselement (34) zur Bündelung des Laserstrahls (12); dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) Folgendes aufweist: c) ein dem Scanner (22) nachgeordnetes und dem verschiebbaren Abbildungselement (34) vorgeordnetes strahlaufweitendes Abbildungselement (32).
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das strahlaufweitende Abbildungselement (32) ein konkaves Linsensystem, insbesondere in Form einer konkaven Linse, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das verschiebbare Abbildungselement (34) ein konvexes Linsensystem, insbesondere in Form einer konvexen Linse, aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der dem Scanner (22) ein Kollimator (30) der Vorrichtung (10), insbesondere in Form eines konvexen Linsensystems, vorzugsweise in Form einer konvexen Linse, vorgeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der dem verschiebbaren Abbildungselement (34) ein Objektiv (42) der Vorrichtung (10) zur Fokussierung des Laserstrahls (12) auf das Werkstück (14), insbesondere in Form eines konvexen Linsensystems, vorzugsweise in Form einer konvexen Linse, nachgeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Scanner (22) einen zweiten Scannerspiegel (26) zum Scannen des Laserstrahls (12) in einer zweiten Richtung, insbesondere senkrecht zur ersten Richtung, auf dem Werkstück (14) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Vorrichtung (10) ein Lichtleitkabel (28) zum Eintritt des Laserstrahls (12) in die Vorrichtung (10) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Vorrichtung (10) einen Strahlteiler (38) zur Anbindung eines koaxial zum Laserstrahl (12) agierenden Sensorsystems (40), insbesondere mit einem dichroitischen Spiegel, aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Vorrichtung (10) in Form einer Laserschweißvorrichtung ausgebildet ist.
Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Frequenz (f) der Laserstrahlbewegung auf dem Werkstück (14) bei einer Amplitude (A) von mehr als 0,1 mm mehr als 2400 Hz, bei einer Amplitude (A) von mehr als 1 mm mehr als 1000 Hz und/oder bei einer Amplitude (A) von mehr als 3 mm mehr als 500 Hz, beträgt.