DE102021110490A1 - Device for processing a substrate using a laser processing head - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ablenkung eines zugeführten Laserstrahls (2) mit einem drehbeweglich antreibbaren Laserbearbeitungskopf (4), welcher zumindest ein optisches Element (7) zur achsparallelen Strahlablenkung des Laserstrahls (2) auf eine Bearbeitungszone eines Substrats (3) aufweist. Um den hierzu erforderlichen Abstand (a) als Versatz der austretenden Strahlachse (13) gegenüber der optischen Achse (6) mit einem geringen konstruktiven Aufwand realisieren zu können, hat das optische Element (7) zumindest zwei keilförmige Ablenkprismen (9), die in Richtung der optischen Achse (6) hintereinander in einer Reihenanordnung angeordnet sind. Die Ablenkprismen (9) haben hierzu jeweils orthogonal zu der optischen Achse (6) angeordnete Planflächen (10) und einander zugewandte, geneigte Schrägflächen (11) mit einem Abstand (s). In den Ablenkprismen (9) kommt es beim Austritt des Laserstrahls (2) zu einer Ablenkung durch Lichtbrechung. Durch eine überlagerte translatorische und rotatorische Bewegung des Laserbearbeitungskopfs (4) gegenüber dem Substrat (3) wird eine flächige Oberflächenbearbeitung erreicht.The invention relates to a device for deflecting a supplied laser beam (2) with a rotatably drivable laser processing head (4) which has at least one optical element (7) for axis-parallel beam deflection of the laser beam (2) onto a processing zone of a substrate (3). In order to be able to achieve the distance (a) required for this as an offset of the exiting beam axis (13) in relation to the optical axis (6) with little structural effort, the optical element (7) has at least two wedge-shaped deflection prisms (9) which are directed in the direction the optical axis (6) are arranged one behind the other in a row arrangement. For this purpose, the deflection prisms (9) each have plane surfaces (10) arranged orthogonally to the optical axis (6) and inclined inclined surfaces (11) facing one another at a distance (s). In the deflection prisms (9), when the laser beam (2) emerges, there is a deflection due to light refraction. A flat surface processing is achieved by a superimposed translational and rotational movement of the laser processing head (4) in relation to the substrate (3).
Description
Die Erfindung betrifft eine als Laserschweißkopf ausgeführte Vorrichtung zur Ablenkung eines Laserstrahls insbesondere zur abtragenden Bearbeitung eines Substrats mittels eines Laserbearbeitungskopfs der Vorrichtung mit zumindest einem optischen Element zur Strahlablenkung, wobei der Laserstrahl gegenüber der optischen Achse des einfallenden Laserstrahls mittels des optischen Elements entlang einer Strahlachse auf die Bearbeitungszone ablenkbar ist, wobei die Strahlachse gegenüber der optischen Achse mit einem Abstand als Versatz parallel beabstandet oder mit einer geringen Winkelabweichung gegenüber der optischen Achse orientiert ist, und wobei der Laserbearbeitungskopf um die optische Achse rotationsbeweglich antreibbar ist sowie zusätzlich der Laserbearbeitungskopf und das Substrat relativ zueinander insbesondere translatorisch beweglich ausgeführt sind.The invention relates to a device designed as a laser welding head for deflecting a laser beam, in particular for machining a substrate by means of a laser processing head of the device with at least one optical element for beam deflection, the laser beam being directed relative to the optical axis of the incident laser beam by means of the optical element along a beam axis processing zone can be deflected, with the beam axis being offset parallel to the optical axis by a distance or oriented with a small angular deviation with respect to the optical axis, and with the laser processing head being rotatably drivable about the optical axis and, in addition, the laser processing head and the substrate relative to one another in particular are designed to be movable in a translatory manner.
Bei der Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserbearbeitungskopfs, insbesondere beim Laserschneiden oder -schweißen, wird üblicherweise ein Laserbearbeitungskopf mit einem Gehäuse vorgesehen. Ein durch den Laserbearbeitungskopf zu einer Schneiddüse hindurchlaufender Laserstrahl wird durch eine Fokussieroptik so fokussiert, dass ein Werkstück bearbeitet werden kann. Die Optik zur Formung des Laserstrahls ist dabei so im Laserbearbeitungskopf gehalten, dass die Optik relativ zum Gehäuse des Laserbearbeitungskopfs verstellbar ist. Dabei kann die Optik einerseits in einer Ebene senkrecht zum Laserstrahl und andererseits in Längsrichtung des Laserstrahls eingestellt werden.When processing a workpiece using a laser processing head, in particular during laser cutting or laser welding, a laser processing head with a housing is usually provided. A laser beam passing through the laser processing head to a cutting nozzle is focused by focusing optics in such a way that a workpiece can be processed. The optics for shaping the laser beam are held in the laser processing head in such a way that the optics can be adjusted relative to the housing of the laser processing head. The optics can be adjusted on the one hand in a plane perpendicular to the laser beam and on the other hand in the longitudinal direction of the laser beam.
Aus der
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Aus dem Stand der Technik, beispielsweise der
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Die
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Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen gemäß der
Die
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Weiterhin betreffen die
Ferner bezieht sich die
Als nachteilig erweist sich beim Stand der Technik der komplexe Aufbau solcher als Laserschweißkopf ausgeführten Vorrichtungen, insbesondere des Laserbearbeitungskopfs, und der damit verbundene Aufwand für die relative Ausrichtung der optischen Elemente. Insbesondere bei einem geringen Abstand der auf das Substrat zu richtenden Strahlachse gegenüber der optischen Achse sind zumeist optische Elemente mit drei und mehr Reflektoren erforderlich, die den Aufwand weiter erhöhen.The complex structure of such devices designed as a laser welding head, in particular the laser processing head, and the associated expense for the relative alignment of the optical elements has proven to be disadvantageous in the prior art. In particular when the distance between the beam axis to be directed onto the substrate and the optical axis is small, optical elements with three or more reflectors are usually required, which further increase the complexity.
Ein weiterer wesentlicher Nachteil besteht bei dem derzeitigen Stand der Technik zudem auch darin, dass die konstruktive Anordnung der Reflektoren nebeneinander in einer gemeinsamen Querebene zu der optischen Achse zu unerwünscht großen Abmessungen, insbesondere also einem großen Umfang der Vorrichtung führt. Somit lässt sich die Vorrichtung unter beengten Platzverhältnissen nur eingeschränkt einsetzen, sodass beispielsweise innenliegende Ecken oder Kanten an komplexen Bauteilen nicht erreicht werden und daher ein verbleibender Randbereich nachbearbeitet werden muss.Another major disadvantage of the current state of the art is that the structural arrangement of the reflectors next to one another in a common transverse plane to the optical axis leads to undesirably large dimensions, ie in particular to a large circumference of the device. The device can therefore only be used to a limited extent in cramped conditions, so that, for example, internal corners or edges on complex components cannot be reached and a remaining edge area therefore has to be reworked.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Ablenkung eines Laserstrahls zu schaffen, die einerseits einen geringen Herstellungsaufwand erfordert und andererseits vergleichsweise kompakte Abmessungen aufweist, sodass diese auch unter beengten räumlichen Verhältnissen eingesetzt werden kann.The invention is based on the object of creating a device for deflecting a laser beam which, on the one hand, requires little manufacturing effort and, on the other hand, has comparatively compact dimensions so that it can also be used in cramped spatial conditions.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.The object is achieved according to the invention with a device according to the features of
Erfindungsgemäß ist also eine Vorrichtung zur Ablenkung eines Laserstrahls zur insbesondere abtragenden Bearbeitung eines Substrats mittels eines Laserbearbeitungskopfs mit zumindest einem optischen Element zur mehrfachen Strahlablenkung vorgesehen, bei der das optische Element zumindest zwei Ablenkprismen, insbesondere keilförmige Ablenkprismen, und/oder Keillinsen aufweist, die derart in einer Reihenanordnung angeordnet sind, dass der Laserstrahl diese nacheinander durchdringt, wobei die Ablenkprismen bzw. Keillinsen jeweils eine orthogonal zu der optischen Achse angeordnete Planfläche und eine zu der Planfläche geneigte Schrägfläche aufweisen, wobei die jeweiligen Schrägflächen einander zugewandt und mit einem Abstand angeordnet sind und der Laserstrahl an den Ablenkprismen und/oder Keillinsen jeweils durch Lichtbrechung abgelenkt wird.According to the invention, a device is therefore provided for deflecting a laser beam for machining a substrate, in particular by removing material, using a laser machining head with at least one optical element for multiple beam deflection, in which the optical element has at least two deflection prisms, in particular wedge-shaped deflection prisms, and/or wedge lenses which are configured in such a manner in are arranged in a row so that the laser beam penetrates them one after the other, with the deflection prisms or wedge lenses each having a flat surface arranged orthogonally to the optical axis and an inclined surface inclined to the flat surface, the respective inclined surfaces facing each other and being arranged at a distance and the Laser beam is deflected at the deflection prisms and / or wedge lenses in each case by refraction.
Dadurch wird der Laserstrahl gegenüber der optischen Achse des einfallenden/zugeführten Laserstrahls entlang einer Strahlachse derart auf die Bearbeitungszone gelenkt, dass die Strahlachse gegenüber der optischen Achse mit einem Abstand bzw. Versatz parallel beabstandet oder mit einer geringen Winkelabweichung gegenüber der optischen Achse orientiert ist. Der Laserbearbeitungskopf mit dem optischen Element ist dabei um die optische Achse rotationsbeweglich antreibbar und zusätzlich sind der Laserbearbeitungskopf und das Substrat relativ zueinander translatorisch beweglich ausgeführt.As a result, the laser beam is directed to the processing zone along a beam axis relative to the optical axis of the incident/supplied laser beam in such a way that the beam axis is parallel to the optical axis at a distance or offset or is oriented with a small angular deviation relative to the optical axis. The laser processing head with the optical element can be driven in a rotationally movable manner about the optical axis and, in addition, the laser processing head and the substrate are designed to be movable in translation relative to one another.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass eine flächige Bearbeitung, insbesondere ein Materialabtrag an einem Substrat, dann besonders effizient und mit konstanter Abtragsrate durchgeführt werden kann, wenn der Laserstrahl einer kreisringförmigen Bearbeitungszone auf der Substratoberfläche folgt. Indem dieser Bewegung eine weitere, translatorische Relativbewegung des Substrats gegenüber dem Laserbearbeitungskopf mit einer angepassten Geschwindigkeit überlagert wird, erreicht die Bearbeitungszone jeden Teilbereich des Substrats, wobei die Orientierung des Bearbeitungsstrahls stets senkrecht zu der Substratoberfläche erhalten bleibt. In der überlagerten Bewegung folgt der Laserstrahl einem schraubenlinienförmigen oder schneckenförmigen Bearbeitungsmuster. Um die flächennormale Ausrichtung des Bearbeitungsstrahls gegenüber dem Substrat sicherzustellen, wird der entlang der Dreh- bzw. Rotationsachse zugeführte Laserstrahl exzentrisch ausgelenkt und folgt einer Kreisbahn auf der Substratoberfläche um die Drehachse, deren Radius entweder fest oder auch einstellbar ist. Dabei ist die Vorrichtung vornehmlich für eine flächige Bearbeitung, insbesondere einen flächigen Abtrag von Beschichtungen, Anhaftungen oder oberflächennahen Schichten des Substrats, bestimmt.The invention is based on the finding that planar processing, in particular material removal from a substrate, can be carried out particularly efficiently and with a constant removal rate if the laser beam follows a circular processing zone on the substrate surface. By superimposing a further translational movement of the substrate relative to the laser processing head at an adapted speed to this movement, the processing zone reaches every sub-area of the substrate, with the orientation of the processing beam always remaining perpendicular to the substrate surface. In the superimposed movement, the laser beam follows a helical or snail-shaped processing pattern. In order to ensure that the processing beam is aligned normal to the surface of the substrate, the laser beam fed along the axis of rotation or rotation is deflected eccentrically and follows a circular path on the substrate surface around the axis of rotation, the radius of which is either fixed or adjustable. The device is primarily intended for flat processing, in particular flat removal of coatings, adhesions or layers of the substrate close to the surface.
Bei Versuchen hat es sich bereits als vorteilhaft herausgestellt, dass die kreisförmige Bewegung im Vergleich zu einer linienförmigen Ablenkung des Laserstrahls zu einem wesentlich reduzierten Temperaturanstieg in dem Substrat führt, sodass insbesondere eine Erwärmung auf eine Temperatur oberhalb einer kritischen Temperatur, beispielsweise der Schmelztemperatur des Substrats, zuverlässig vermieden werden kann.In tests, it has already been found to be advantageous that the circular movement compared to a linear deflection of the laser beam leads to a significantly reduced temperature rise in the substrate, so that in particular heating to a temperature above half a critical temperature, for example the melting temperature of the substrate, can be reliably avoided.
Erfindungsgemäß wird dabei die Ablenkung der Laserstrahlung nicht durch Reflektoren und nicht durch eine Totalreflexion erreicht, sondern durch eine Lichtbrechung bzw. eine Dispersion an mehreren Ablenkprismen bzw. Keillinsen. Dadurch kann eine Bauform realisiert werden, bei der die Prismen in Richtung der optischen Achse hintereinander, insbesondere also koaxial bzw. konzentrisch angeordnet sind. Infolgedessen ergibt sich ein geringer konstruktiver Aufwand für den Laserbearbeitungskopf, welcher beispielsweise als ein zumindest abschnittsweise rohrförmiger Hohlkörper ausgeführt sein kann, in dem die Ablenkprismen oder Keillinsen mit einem geringen Abstand zueinander angeordnet sind. Zur Fixierung eignen sich sowohl klemmschlüssige als auch formschlüssige Fixiermittel. Eine gemeinsame Fixierung, beispielsweise durch eine parallel zu der optischen Achse wirkende Vorspannung, ermöglicht dabei eine schnelle und einfache Montage zugleich mehrerer Ablenkprismen oder Keillinsen, deren Abstand gegebenenfalls durch insbesondere austauschbare Abstandshalter einstellbar ist.According to the invention, the deflection of the laser radiation is not achieved by reflectors and not by total reflection, but by refraction of light or dispersion at a plurality of deflection prisms or wedge lenses. As a result, a design can be realized in which the prisms are arranged one behind the other in the direction of the optical axis, that is to say in particular coaxially or concentrically. As a result, there is less structural effort for the laser processing head, which can be designed, for example, as an at least partially tubular hollow body in which the deflection prisms or wedge lenses are arranged at a small distance from one another. Both clamping and form-fitting fixing means are suitable for fixing. A common fixation, for example by a pretension acting parallel to the optical axis, enables a quick and easy assembly of several deflection prisms or wedge lenses at the same time, the spacing of which can be adjusted, if necessary, by means of, in particular, interchangeable spacers.
Die äußeren Abmessungen des Laserbearbeitungskopfs sind aufgrund der axial hintereinanderliegenden Anordnung der Ablenkprismen oder Keillinsen vergleichsweise kompakt und in der Querschnittsebene zu der optischen Achse nur wenig größer als der Durchmesser der Ablenkprismen oder Keillinsen. Sofern die Vorrichtung einen integrierten Antrieb für die Rotationsbewegung des Laserbearbeitungskopfs um die optische Achse aufweist, so kann dieser in axialer Verlängerung zu dem Laserbearbeitungskopf angeordnet werden, um so die äußeren Abmessungen so gering wie möglich zu halten.The external dimensions of the laser processing head are comparatively compact due to the arrangement of the deflection prisms or wedge lenses arranged axially one behind the other and in the cross-sectional plane to the optical axis are only slightly larger than the diameter of the deflection prisms or wedge lenses. If the device has an integrated drive for the rotational movement of the laser processing head about the optical axis, this can be arranged in an axial extension to the laser processing head in order to keep the external dimensions as small as possible.
Indem gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform die Strahlachse durch das erste Ablenkprisma und/oder die erste Keillinse mit einem spitzen Winkel von weniger als 90° gegenüber der optischen Achse abgelenkt wird und der abgelenkte Laserstrahl mit einem ebenfalls spitzen Winkel von weniger als 90° auf die Schrägfläche des benachbarten Ablenkprismas oder der benachbarten Keillinse trifft, lässt sich der gewünschte parallele Versatz der auf das Substrat abgelenkten Strahlachse mit hoher Genauigkeit einstellen.According to an advantageous embodiment, the beam axis is deflected by the first deflection prism and/or the first wedge lens at an acute angle of less than 90° relative to the optical axis and the deflected laser beam is also directed at an acute angle of less than 90° onto the inclined surface of the adjacent deflection prism or the adjacent wedge lens, the desired parallel offset of the beam axis deflected onto the substrate can be set with high accuracy.
Besonders bevorzugt ist das Ablenkprisma als ein Dispersionsprisma, beispielsweise als ein gleichschenkliges oder gleichseitiges Dispersionsprisma, ausgeführt, an dem keine Totalreflexion des Laserstrahls erfolgt.The deflection prism is particularly preferably designed as a dispersion prism, for example as an isosceles or equilateral dispersion prism, at which there is no total reflection of the laser beam.
Da beim Durchgang des Laserstrahls durch die Ablenkprismen und/oder die Keillinsen das Laserlicht durch die Brechung an den zwei nichtparallelen Flächen des jeweiligen Ablenkprismas bzw. der Keillinse von seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung abgelenkt wird und die Stärke der Ablenkung von der Wellenlänge abhängt, kommt es zu einer spektralen Auflösung, die unter anderem von der Dispersionsstärke abhängt. Dadurch werden zugleich der Energieeintrag je Flächeneinheit in das Ablenkprisma bzw. die Keillinse und die Erwärmung reduziert, sodass der Aufwand für die Kühlung des Laserbearbeitungskopfs gering ist.Since when the laser beam passes through the deflection prisms and/or the wedge lenses, the laser light is deflected from its original direction of propagation by refraction on the two non-parallel surfaces of the respective deflection prism or wedge lens, and the strength of the deflection depends on the wavelength spectral resolution, which depends, among other things, on the dispersion strength. As a result, the energy input per unit area in the deflection prism or the wedge lens and the heating are reduced at the same time, so that the cost of cooling the laser processing head is low.
Weiterhin können die Ablenkprismen oder Keillinsen in einer gemeinsamen Aufnahme angeordnet sein, die durchströmbare, insbesondere schraubenlinienförmige oder helixförmig ausgeführte Kühlkanäle und/oder Kühlrippen aufweist, um so eine effektive Kühlwirkung vor allem bei hohen Laserleistungen zu gewährleisten. Als Kühlmittel kommt beispielsweise zugeführte Umgebungsluft in Betracht, wobei flüssiges Kühlmittel ebenso verwendet werden kann. Auf eine direkte Benetzung der Ablenkprismen oder Keillinsen durch das Kühlmittel kann verzichtet werden, wenn die Aufnahme aus einem Material mit einer guten thermischen Leitfähigkeit besteht.Furthermore, the deflection prisms or wedge lenses can be arranged in a common receptacle which has cooling channels and/or cooling ribs through which flow can take place, in particular helically or helically designed, in order to ensure an effective cooling effect, especially at high laser powers. Ambient air supplied, for example, can be considered as the coolant, with liquid coolant also being able to be used. There is no need for direct wetting of the deflection prisms or wedge lenses by the coolant if the mount is made of a material with good thermal conductivity.
Der Abstand der Ablenkprismen und/oder Keillinsen kann durch einen insbesondere ringförmigen Abstandshalter im Gebrauch der Vorrichtung unveränderlich festgelegt werden, wobei der Abstandshalter vorzugsweise austauschbar an dem optischen Element fixiert ist. Gemäß einer Ausgestaltungsform der Erfindung kann der Abstand der Ablenkprismen und/oder Keillinsen beispielsweise auch während der Bearbeitung angepasst werden, um so insbesondere die Bearbeitungsfläche an unterschiedliche Substratgrößen anpassen zu können. Hierzu kann ergänzend auch eine sensorische Überwachung der Bearbeitungsfläche vorgesehen sein, um so mittels einer Steuereinheit den Abstand anpassen zu können. Dieser könnte gegebenenfalls auch während eines vollen Umlaufs des Bearbeitungskopfs um die optische Achse zyklisch variiert werden. Beispielsweise kann so auch eine schneckenförmige Bearbeitung mit kontinuierlich oder diskontinuierlich verändertem Radius durchgeführt werden, wobei gemäß einer Variante die zusätzliche relative translatorische Bewegung des Bearbeitungskopfs und des Substrats entsprechend angepasst werden oder entfallen kann.The distance between the deflection prisms and/or wedge lenses can be fixed unchangeably by a spacer, in particular a ring-shaped spacer, when the device is in use, with the spacer preferably being fixed to the optical element in an exchangeable manner. According to one embodiment of the invention, the distance between the deflection prisms and/or wedge lenses can also be adjusted, for example, during processing, in order in particular to be able to adapt the processing area to different substrate sizes. For this purpose, sensory monitoring of the processing surface can also be provided in addition, in order to be able to adjust the distance by means of a control unit. If necessary, this could also be varied cyclically during a full rotation of the processing head around the optical axis. For example, a worm-shaped machining with a continuously or discontinuously changed radius can also be carried out in this way, with the additional relative translational movement of the machining head and the substrate being correspondingly adapted or omitted according to one variant.
Bei einer anderen, ebenfalls besonders praxisgerechten Abwandlung der Erfindung sind die Ablenkprismen oder Keillinsen relativ zueinander um die optische Achse drehbar angeordnet, sodass durch eine Änderung der relativen Drehwinkelstellung benachbarter Ablenkprismen oder Keillinsen zugleich auch der Abstand der zugewandten Schrägflächen der Ablenkprismenoder Keillinsen verändert wird. Durch die relative Drehung um eine zu der optischen Achse parallele Achse bleibt die Neigung der Schrägflächen der Ablenkprismen oder Keillinsen gegenüber einer Querschnittsebene zu der optischen Achse erhalten, während die Schrägflächen einander angenähert werden. Diese relative Drehbewegung kann problemlos auch von außen eingeleitet oder auch während der Bearbeitung des Substrats vorgenommen werden.In another, likewise particularly practical modification of the invention, the deflection prisms or wedge lenses are arranged such that they can rotate relative to one another about the optical axis, so that by changing the relative rotational angle position of adjacent deflection prisms or wedge lenses at the same time, the distance between the facing inclined surfaces of the deflection prisms or wedge lenses is changed. The relative rotation about an axis parallel to the optical axis maintains the inclination of the inclined surfaces of the deflection prisms or wedge lenses with respect to a cross-sectional plane to the optical axis, while the inclined surfaces are brought closer to one another. This relative rotational movement can also be initiated from the outside without any problems or can also be carried out during the processing of the substrate.
Zumindest ein Ablenkprisma oder eine Keillinse kann, bezogen auf die optische Achse, in unterschiedlichen axialen Abständen positioniert werden.At least one deflection prism or wedge lens can be positioned at different axial distances relative to the optical axis.
Die Einstellung der Position des beweglichen Ablenkprismas oder der beweglichen Keillinse kann beispielsweise mittels einer Gewindespindel manuell erfolgen. Darüber hinaus kann auch ein insbesondere elektromotorisches Stellmittel eingesetzt werden, welches gemäß einer Weiterbildung auch während der Bearbeitung des Substrats bestätigt werden kann, um so eine Änderung des Abstands bzw. des parallelen Versatzes der Strahlachse von der optischen Achse auch während der Laserbearbeitung, insbesondere aufgrund sensorisch erfasster Messwerte, vornehmen zu können.The position of the movable deflection prism or the movable wedge lens can be adjusted manually, for example by means of a threaded spindle. In addition, an in particular electromotive adjusting means can be used, which according to a further development can also be confirmed during the processing of the substrate in order to change the distance or the parallel offset of the beam axis from the optical axis during the laser processing, in particular due to sensory recorded measured values.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn zumindest ein Ablenkprisma oder eine Keillinse mittels einer Schiebeführung beweglich ist, wobei die Stellbewegung manuell oder elektrisch eingeleitet werden kann. Dabei ist die Stellbewegung des Ablenkprismas oder der Keillinse nicht auf einen einzigen Freiheitsgrad beschränkt. Vielmehr hat es sich herausgestellt, dass ein einstellbarer Neigungswinkel zur Anpassung an beispielsweise gewölbte oder abgewinkelte Bereiche der Oberfläche des Substrats sinnvoll sein kann.It is particularly advantageous if at least one deflection prism or wedge lens can be moved by means of a sliding guide, with the adjustment movement being able to be initiated manually or electrically. The adjustment movement of the deflection prism or the wedge lens is not limited to a single degree of freedom. Rather, it has been found that an adjustable angle of inclination can be useful for adaptation to, for example, curved or angled areas of the surface of the substrate.
Eine andere, ebenfalls besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass die Vorrichtung ein Fokussierelement zur Fokussierung der Laserstrahlung auf die Bearbeitungszone auf der Oberfläche des Substrats aufweist, wobei durch die Größe des Brennflecks auf der Oberfläche zugleich die Intensität der eingebrachten thermischen Energie aufgrund der einstellbaren Fokussierung bestimmt und angepasst werden kann.Another, likewise particularly advantageous embodiment of the invention is also achieved in that the device has a focusing element for focusing the laser radiation on the processing zone on the surface of the substrate, the size of the focal spot on the surface at the same time determining the intensity of the thermal energy introduced of the adjustable focus can be determined and adjusted.
Indem erfindungsgemäß ein sehr geringer Abstand der Strahlachse auf dem Substrat gegenüber der optischen Achse einstellbar ist,kann einerseits eine nahezu beliebige Spaltbreite bei Schweiß- oder Lötaufgaben eingestellt bzw. überbrückt werden, wodurch die Einsatzmöglichkeiten des an sich bekannten Laserschweißens oder -lötens auf eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten erweitert werden können, die bisher aufgrund von hohen Spaltmaßen hiervon ausgeschlossen waren. Andererseits können dadurch problemlos auch Dünnbleche verarbeitet werden, weil aufgrund der rotierenden Bewegung der lokale thermische Energieeintrag gering ist.Since a very small distance between the beam axis on the substrate and the optical axis can be set according to the invention, on the one hand almost any gap width can be set or bridged for welding or soldering tasks, which expands the possible uses of laser welding or soldering, which is known per se, to a large number of Applications can be expanded, which were previously excluded from this due to large gaps. On the other hand, thin sheet metal can also be processed without any problems because the local thermal energy input is low due to the rotating movement.
Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
-
1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Laserbearbeitungskopfzur Ablenkung eines Laserstrahls; -
2 eine vergrößerte Darstellung des inder 1 gezeigten Laserbearbeitungskopfs ; -
3 eine geschnittene Seitenansicht des Laserbearbeitungskopfs mit zwei Keilprismen; -
4 eine Seitenansicht des Laserbearbeitungskopfs mit einer andeutungsweise dargestellten Aufnahme für die Keilprismen; -
5 eine Seitenansicht der in4 gezeigten Aufnahme; -
6 eine perspektivische Darstellung der in4 gezeigten Aufnahme; -
7 eine perspektivische Darstellung eines Abstandshalters für die Keilprismen; -
8 eine Vorderansicht des inden 3 und4 gezeigten Laserbearbeitungskopfs.
-
1 a perspective view of a device according to the invention with a laser processing head for deflecting a laser beam; -
2 an enlarged view of the in the1 shown laser processing head; -
3 a sectional side view of the laser processing head with two wedge prisms; -
4 a side view of the laser processing head with a receptacle for the wedge prisms shown in outline; -
5 a side view of the in4 shown recording; -
6 a perspective view of the4 shown recording; -
7 a perspective view of a spacer for the wedge prisms; -
8th a front view of in the3 and4 shown laser processing head.
Eine erfindungsgemäße, als Laserschweißkopf ausgeführte Vorrichtung 1 wird nachstehend anhand der
Um dieses gewünschte Bearbeitungsmuster mit einem vergleichsweise geringen Aufwand zu erzeugen, hat die Vorrichtung 1 einen Laserbearbeitungskopfs 4 mit einem optischen Element 7, durch das der Laserstrahl 2 gegenüber einer optischen Achse 6 des einfallenden Laserstrahls 2 entlang einer Strahlachse 13 auf die Bearbeitungszone ablenkbar ist. Diese Strahlachse 13 ist gegenüber der optischen Achse 6 mit einem Abstand a, a' parallel beabstandet. Indem der Laserbearbeitungskopf 4 um die optische Achse 6 rotationsbeweglich mittels einer Antriebseinheit 8 angetrieben wird, entsteht auf dem Substrat eine kreisförmige Bearbeitungslinie mit einem dem Abstand a, a' entsprechenden Radius.In order to generate this desired processing pattern with comparatively little effort, the
Um diesen Abstand a als Versatz der austretenden Strahlachse 13 gegenüber der optischen Achse 6 mit einem geringen konstruktiven Aufwand bei zugleich kompakten Abmessungen des Laserbearbeitungskopfs 4 zu erreichen, hat das optische Element 7 zumindest zwei keilförmige Ablenkprismen 9, die in Richtung der optischen Achse 6 hintereinander in einer Reihenanordnung angeordnet sind. Die Ablenkprismen 9 haben hierzu jeweils eine orthogonal zu der optischen Achse 6 angeordnete Planfläche 10 und eine geneigte, nicht parallele Schrägfläche 11, wobei die Schrägflächen 11 der Ablenkprismen 9 einander zugewandt und die Planfläche 10 einander abgewandt angeordnet sind. Die Schrägflächen 11 liegen dabei grundsätzlich nicht unmittelbar gegeneinander an, sondern sind mit einem Abstand s, s' angeordnet, der zwischen 1/10 mm bis zu mehreren Zentimetern betragen kann.In order to achieve this distance a as an offset of the exiting
Durch die Ablenkprismen 9 kommt es beim Austritt des Laserstrahls 2 zu einer Dispersion, sodass die Ablenkung des Laserstrahls 2 auf einer Lichtbrechung beruht. An den Ablenkprismen 9 kommt es daher nicht zu einer Totalreflexion, die somit insbesondere nicht als Reflektoren dienen.
Vielmehr durchdringt der Laserstrahl 2 ein Fokussierelement 20 und die Ablenkprismen 9 nacheinander, wobei es zu einer Ablenkung durch Lichtbrechung an den beiden Schrägflächen 11 kommt. Entsprechend dem aus dem Keilwinkel resultierenden Ablenkwinkel α tritt der Laserstrahl 2 an der Schrägfläche 11 des ersten Ablenkprismas 9 unter einem spitzen Winkel α zu der optischen Achse 6 aus diesem aus und mit einem ebenfalls spitzen Winkel β in die Schrägfläche 11 des zweiten, hier baugleichen Ablenkprismas 9 ein, wodurch es zu einer erneuten Ablenkung kommt. Der Laserstrahl 2 tritt somit an der Planfläche 10 des zweiten Ablenkprismas 9 entlang der Strahlachse 13 parallel zu der optischen Achse 6 aus.The
Rather, the
Durch eine translatorische Bewegung des unteren Ablenkprismas 9 in Pfeilrichtung 12 parallel zu der optischen Achse 6 wird der Abstand s, s' als Spalt zwischen den Ablenkprismen 9 bedarfsweise verändert oder zur Einstellung vorbestimmter Werte kalibriert. Durch einen vergrößerten Abstand s' in dem Spalt wird eine größere radiale Strahlablenkung erreicht, sodass die resultierende Strahlachse 13 gegenüber der optischen Achse 6 einen größeren parallelen Versatz mit einem Abstand a' aufweist.By a translational movement of the
Gemäß einer nicht gezeigten Varianten kann diese Einstellung der Ablenkprismen 9 auch während des Betriebs verändert werden, wobei die Ablenkprismen 9 derart mit einem einzigen Freiheitsgrad angeordnet sind, dass im Gebrauch die relative Winkellage in Bezug auf die optische Achse 6 unverändert erhalten bleibt.According to a variant not shown, this setting of the
Wie insbesondere in den
Weiterhin hat die Aufnahme 14 mehrere schlitzförmige Ausnehmungen 17, in welchen ein ringförmiger Abstandshalter 18, welcher zwischen den Ablenkprismen 9 eingesetzt wird und deren Abstand s festlegt, mit umfangsseitigen Vorsprüngen 19 einsetzbar und dadurch drehfest fixiert ist. Der ringförmige Abstandshalter 18 ist austauschbar an der Aufnahme 14 angeordnet, sodass der parallele Versatz des ausgekoppelten Laserstrahls 2 entlang der Strahlachse 13 in einfacher Weise durch Austausch des Abstandshalters 18 variiert werden kann.Furthermore, the
Die äußeren Abmessungen des Laserbearbeitungskopfs 4 sind aufgrund der axialen hintereinanderliegenden Anordnung der Ablenkprismen 9 vergleichsweise kompakt und in der Querschnittsebene zu der optischen Achse 6 nur wenig größer als der Durchmesser der Ablenkprismen 9.The outer dimensions of the
Bezugszeichenlistereference list
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 22
- Laserstrahlslaser beam
- 33
- Substratsubstrate
- 44
- Laserbearbeitungskopflaser processing head
- 55
- Doppelpfeil double arrow
- 66
- optische Achseoptical axis
- 77
- optisches Elementoptical element
- 88th
- Antriebseinheitdrive unit
- 99
- Ablenkprismadeflection prism
- 1010
- Planfläche flat surface
- 1111
- Schrägflächebevel
- 1212
- Pfeilrichtungarrow direction
- 1313
- Strahlachsebeam axis
- 1414
- Aufnahmerecording
- 1515
- Kühlrippen cooling fins
- 1616
- Kühlkanälecooling channels
- 1717
- Ausnehmungrecess
- 1818
- Abstandshalterspacers
- 1919
- Vorsprüngenprotrusions
- 2020
- Fokussierelement focusing element
- a, a'a, a'
- AbstandDistance
- s, s's, s'
- AbstandDistance
- αa
- Winkelangle
- ββ
- Winkelangle
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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-
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