DE102022129569A1

DE102022129569A1 - Laserverarbeitungskopf mit weitbereichs-zoom sowie dessen verwendung in einem verfahren zur lasermaterialbearbeitung

Info

Publication number: DE102022129569A1
Application number: DE102022129569.9A
Authority: DE
Inventors: Axel HEINRICI
Original assignee: II VI Delaware Inc
Current assignee: II VI Delaware Inc
Priority date: 2022-01-20
Filing date: 2022-11-09
Publication date: 2023-07-20
Also published as: US20230226640A1

Abstract

Ein Laserbearbeitungskopf lenkt Laserenergie von einer Faser entlang einer optischen Achse, um Löt- oder Schweißvorgänge durchzuführen. Eine Kollimationsstufe kollimiert einen divergierenden Strahl der Laserenergie von der Faser in einen kollimierten Strahl, und eine Fokussierungsstufe fokussiert den kollimierten Strahl in einen konvergierenden Strahl zu einem Fokuspunkt für den gewünschten Vorgang. Mindestens eine der Stufen weist eine veränderbare effektive Brennweite für Zoom-Funktionalität auf. Eine Refraktive Freiformoptik kann in mindestens einem des divergierenden und des kollimierten Strahls positioniert werden. Beispielsweise wird eine Refraktive Freiformoptik in einer ersten Position außerhalb des divergierenden Strahls platziert. Die Refraktive Freiformoptik in einer zweiten Position, die in dem divergierenden Strahl platziert ist, kann jedoch den divergierenden Strahl feldmäßig oder intensitätsmäßig abbilden, um den abgebildeten divergierenden Strahl zu erzeugen, was ein Bild der Faserspitze zu der Kollimationsstufe vergrößert.

Description

Gebiet der Erfindung
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft einen Laserbearbeitungskopf zum Lenken von Laserenergie entlang einer optischen Achse ausgehend von einer Faserspitze sowie ein Verfahren zur Laserbearbeitung unter Verwendung des Laserbearbeitungskopfes.
Kurze Beschreibung des Stands der Technik
Laserbearbeitungsköpfe zur Materialbearbeitung können eine Zoomfunktionalität aufweisen, die Linsen mit variabler effektiver Brennweite verwendet. Bei den meisten Laserbearbeitungsköpfen ist die Zoomfunktionalität in den Kollimator des optischen Systems integriert. Das Bewegen der Linsen in dem Kollimator ändert die Vergrößerung. Dies wiederum ändert den Strahldurchmesser umgekehrt proportional zu der Vergrößerung. Bei Hochleistungslaseranwendungen setzt die zulässige, sicher beherrschbare Leistungsdichte eine Obergrenze dafür, welcher Zoombereich erreicht werden kann.
Demnach wird ein optisches System für einen Laserbearbeitungskopf benötigt, das große Zoombereiche bieten kann, damit sowohl das Tiefschweißen als auch das Löten möglich ist, ohne dass die Lichtleitfaser geändert werden muss und ohne die Zoomfähigkeiten zu verlieren.
Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden oder mindestens deren Auswirkungen zu reduzieren.
Kurzdarstellung der Erfindung
Ein hier offenbarter Laserbearbeitungskopf wird zum Lenken von Laserenergie entlang einer optischen Achse ausgehend von einer Faserspitze verwendet. Der Laserbearbeitungskopf umfasst eine Kollimationsstufe, eine Fokussierungsstufe und eine refraktive Freiformoptik. Die Kollimationsstufe ist entlang der optischen Achse angeordnet und dazu konfiguriert, einen divergierenden Strahl der Laserenergie von der Faserspitze in einen kollimierten Strahl zu kollimieren. Die Fokussierungsstufe ist entlang der optischen Achse angeordnet und dazu konfiguriert, den kollimierten Strahl von der Kollimationsstufe in einen konvergierenden Strahl zu einem Fokuspunkt zu fokussieren. Mindestens eine der Kollimationsstufe und der Fokussierungsstufe weist änderbare effektive Brennweite auf.
Die refraktive Freiformoptik ist in der optischen Achse zwischen der Faser und der Kollimationsstufe positionierbar. Die refraktive Freiformoptik in einer ersten Position ist außerhalb des divergierenden Strahls platziert. Die refraktive Freiformoptik in einer zweiten Position ist in dem divergierenden Strahl. Die definierte Abbildung ist dazu konfiguriert, ein Bild der Faserspitze, die in dem divergierenden Strahl abgebildet wird, größer erschienen zu lassen.
Ein hier offenbarter Laserbearbeitungskopf wird zum Lenken von Laserenergie entlang einer optischen Achse von einer Faserspitze verwendet. Der Laserbearbeitungskopf umfasst eine Kollimationsstufe, eine Fokussierungsstufe und mindestens eine refraktive Freiformoptik. Die Kollimationsstufe eines optischen Systems ist entlang der optischen Achse angeordnet und dazu konfiguriert, einen divergierenden Strahl der Laserenergie von der Faserspitze in einen kollimierten Strahl zu kollimieren. Die Fokussierungsstufe des optischen Systems ist entlang der optischen Achse angeordnet und dazu konfiguriert, den kollimierten Strahl von der Kollimationsstufe in einen konvergierenden Strahl zu einem Fokuspunkt zu fokussieren. Mindestens eine der Kollimationsstufe und der Fokussierungsstufe weist änderbare effektive Brennweite auf.
Die mindestens eine Refraktive Freiformoptik ist in der optischen Achse in mindestens einem Strahl des divergierenden Strahls oder des kollimierten Strahls positionierbar. Die mindestens eine refraktive Freiformoptik ist in einer ersten Position außerhalb des mindestens einen Strahls platziert. Die mindestens eine refraktive Freiformoptik wird in einer zweiten Position ist in dem mindestens einen Strahl platziert und ist dazu konfiguriert, den divergierenden Strahl durch eine definierte Abbildung abzubilden. Die definierte Abbildung ist dazu konfiguriert, ein Bild eines Aufwärtsachsenabschnitts des optischen Systems, der in dem Strahl abgebildet wird, auf einen Abwärtsachsenabschnitt des optischen Systems zu vergrößern.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Laserbearbeitung unter Verwenden von Laserenergie von einer Faserspitze offenbart. In einer Kollimationsstufe wird ein divergierender Strahl der Laserenergie von der Faserspitze ausgehend in einen kollimierten Strahl kollimiert. Der kollimierte Strahl wird in einer Fokussierungsstufe in einen konvergierenden Strahl zu einem Fokuspunkt fokussiert. Eine änderbare Brennweite mindestens einer der Kollimationsstufe und der Fokussierungsstufe wird geändert. Beim Betrieb in einem ersten Zustand unter der veränderbaren effektiven Brennweite, wird eine Refraktive Freiformoptik außerhalb der optischen Achse zwischen der Faserspitze und der Kollimationsstufe angeordnet, um einen ersten Bereich von Größen des Fokuspunkts zu erzeugen. Beim Betrieb in einem zweiten Zustand unter der veränderbaren effektiven Brennweite, wird die Refraktive Freiformoptik in der optischen Achse zwischen der Faserspitze und der Kollimationsstufe angeordnet. Ein Bild der Faserspitze, das in dem divergierenden Strahl auf die Kollimationsstufe abgebildet wird, wird vergrößert, indem der divergierende Strahl von einer definierten Abbildung abgebildet wird, um einen zweiten Bereich von Größen des Fokuspunkts zu erzeugen.
Die vorstehende Kurzdarstellung ist nicht dazu gedacht, jede mögliche Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung zusammenzufassen.
Figurenliste

1 veranschaulicht ein Lasersystem gemäß der vorliegenden Offenbarung.
2 veranschaulicht schematisch einen Laserbearbeitungskopf gemäß der vorliegenden Offenbarung.
3A veranschaulicht schematisch das optische System des Laserbearbeitungskopfes, der betrieben wird, um den Laserstrahl zu einer ersten beispielhaften Punktgröße zu kollimieren.
3B veranschaulicht schematisch das optische System der 3A mit einer Refraktive Freiformoptik, die in dem divergierenden Strahl von der Eingangsfaser angeordnet ist.
4A veranschaulicht schematisch das optische System, das betrieben wird, um den Laserstrahl zu einer zweiten beispielhaften Punktgröße zu kollimieren.
4B veranschaulicht schematisch das optische System der 4A mit der Refraktive Freiformoptik, die in dem divergierenden Strahl von der Eingangsfaser angeordnet ist.
5 veranschaulicht wie eine refraktive Freiformoptik in den freien Raum zwischen der anfänglichen Kollimationslinse und anderen Linsen positioniert wird.
6 veranschaulicht wie die refraktive Freiformoptik in dem freien Raum zwischen der Kollimationslinse und der Fokussierungsstufe positioniert ist.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Das technische Problem der Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
1 veranschaulicht ein Lasersystem 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Eine Laserquelle 12 generiert Hochleistungslaserlicht, das sich entlang eines Glasfaserkabels 16 zu einem Laserbearbeitungskopf 20 ausbreitet. Die Laserquelle 12 kann in Abhängigkeit von der erforderlichen Laserleistung ein beliebiger geeigneter Multimode- oder Singlemode-Laser sein.
Der Laserbearbeitungskopf 20 kann in Bezug auf ein Werkstück WP bewegt werden und/oder das Werkstück WP kann in Bezug auf ihn bewegt werden. Beispielsweise kann der Laserbearbeitungskopf 20 von einem Portalsystem, einem Roboterarm oder einem anderen Gerät 14, das in der Technik verwendet wird, bewegt werden. Intern beinhaltet der Laserbearbeitungskopf 20 eine Optik, um die Laserenergie in einem Laserstrahl LB auf das Werkstück WP zu fokussieren, und der Laserbearbeitungskopf 20 kann zum Schneiden, Löten, Schweißen, zur additiven Herstellung oder einem anderen Laserprozess verwendet werden. Eine Steuereinheit 60 kann dazu verwendet werden, den Betrieb von Komponenten des Systems 10 wie in der nachstehend erörterten Weise zu steuern.
2 veranschaulicht schematisch einen Laserbearbeitungskopf 20 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Der Laserbearbeitungskopf 20 beinhaltet ein Gehäuse 22 für ein internes optisches System 24. Eine Zuführfaser 18, wie von einem Glasfaserkabel 16, das mit einem Kabelempfänger 17 verbunden ist, leitet das Laserlicht in das Innere des Laserbearbeitungskopf 20. Eine Schiebeabdeckung 26, wie beispielsweise eine Schutzglas, die in dem Gehäuse 22 angeordnet ist, kann das interne optische System 24 vor Kontaminationen schützen, wodurch ein sauberer Raum in dem Inneren des Gehäuses 22 hergestellt wird.
Das interne optische System 24 beinhaltet eine Kollimationsstufe 30 und eine Fokussierungsstufe 40. Wie hier gezeigt, ist das optische System 24 für die Kollimation ein Zoom-Kollimatorsystem 32, bei dem die Kollimationsstufe 30 dazu verwendet werden kann, die Brennweite des Laserstrahls LB zu ändern. Obwohl das vorliegende Zoomsystem die Zoom-Kollimationsstufe 30 beinhaltet, können die Lehren der vorliegenden Offenbarung auf andere Zoomsysteme angewandt werden, weil die Beziehung zwischen Austrittsstrahldurchmesser und Vergrößerung für andere Systeme gilt. Bei anderen Beispielen können die Kollimationsstufe 30, die Fokussierungsstufe 40 oder beide dazu konfiguriert sein, die Brennweite des Laserstrahls LB zu ändern. Bei einigen weniger gebräuchlichen Zoomsystemen werden die Kollimation und Fokussierung in einer einzigen optischen Gruppe oder sogar in einem einzigen optischen Element bereitgestellt. Die Lehren der vorliegenden Offenbarung können auch auf diese Arten von Zoomsystemen angewandt werden.
Während des Betriebs emittiert die Zuführfaser 18 Hochleistungslaserlicht in das Innere des Gehäuses. Das Laserlicht, das von der Faser 18 geleitet wird, tritt an der Faserspitze aus der Faserfacette aus, und das Laserlicht gelangt in einem divergenten Strahl (D) zu der Zoom-Kollimationsstufe 30, die eine oder mehrere Linsen des Zoom-Kollimatorsystems 32 verwendet, um das Laserlicht zu kollimieren. Von der Kollimationsstufe 30 gelangt das Laserlicht in einem kollimierten Strahl (C) zu der Fokussierungsstufe 40, die eine oder mehrere Linsen zum Fokussieren des kollimierten Lichts aufweist. Das Laserlicht weist einen Austrittsstrahldurchmesser (E) auf, wenn es die Fokussierungsstufe 40 verlässt, und konvergiert in einem konvergierenden Strahl (F) zu einem Fokuspunkt zum Auftreffen auf das Werkstück WP. Der fokussierten Laserstrahl LB, der von dem Gehäuse 22 emittiert wird, kann die Zwecke des Laserprozesses erfüllen, wie etwa Schweißen, additive Herstellung, Schneiden usw.
Es versteht sich, dass der Laserbearbeitungskopf 20 zusätzliche Komponenten beinhalten kann, die nicht notwendigerweise gezeigt sind, wie z. B. Drehspiegel, Schiebeabdeckung, Sensoren usw. Es versteht sich, dass die Zoom-Kollimationsstufe 30 ein Zoom-Kollimatorsystem 32 verwendet, das zwei oder mehrere Linsen aufweist, die entlang der optischen Achse A bewegbar sind. Ein oder mehrere Linsenaktuatoren 35, die von der Steuervorrichtung 60 gesteuert werden, können die Kollimationslinsen in dem Zoom-Kollimatorsystem 32 derart bewegen, dass unterschiedliche effektive Brennweiten unter Verwenden des Zoom-Kollimatorsystems 32 erreicht werden können. Dies erzeugt unterschiedliche Austrittsstrahldurchmesser (E) von der Fokussierungsstufe 40. Insgesamt ist der Austrittsstrahldurchmesser (E) zu erzeugter 1/Magnification proportional. Somit erzeugt eine stärkere Vergrößerung einen kleineren Austrittsstrahldurchmesser (E).
Das vorliegende optische System 24 für den Laserbearbeitungskopf 20 kann Zoombereiche bieten, die sowohl Tiefschweißvorgänge als auch Lötvorgänge abdecken, ohne dass die optische Faser 18 gewechselt werden. Bei dem vorliegenden optischen System 24 kann eine Refraktive Freiformoptik 50, wie beispielsweise ein Strahlformer, in Bezug auf den divergierenden Strahl (D) zwischen der Facette (d. h. der Faserspitze) der Eingangsfaser 18 (als ein Aufwärtsachsenabschnitt des optischen Systems 24) und der Zoom-Kollimationsstufe 30 (als ein Abwärtsachsenabschnitt) platziert/entfernt werden. Wenn sie in den divergierenden Strahl (D) platziert ist, lässt die refraktive Freiformoptik 50 die Faserspitze der Faser 18 für das optische System 24 größer erscheinen.
Eine gut geeignete Refraktive Freiformoptik 50 für diesen Zweck ist ein Pseudo-Random-Intensity-Mapping-Element-Strahlformer (PRIME-Strahlformer), der bei PowerPhotonic in Großbritannien erhältlich ist. Der PRIME-Strahlformer ist aus einem optischen Material, wie Quarzglas, hergestellt und weist eine ungleichmäßige Oberfläche in dem Material auf. Bevorzugt ist die Refraktive Freiformoptik 50, die gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet wird, dazu konfiguriert, den divergierenden Strahl (D) in einem zusätzlichen Divergenzwinkel, der vorbestimmt wird, zu divergieren. Zusätzlich kann die Refraktive Freiformoptik 50 dazu konfiguriert werden, die Verteilung der Intensität des Lagers nach Wunsch zu gestalten. Dennoch erfordert die Refraktive Freiformoptik 50 bevorzugt keine allzu genaue Ausrichtung zu dem divergenten Strahl (D), um die zusätzliche Divergenz zu erreichen.
Eine Erörterung dazu, wie die Refraktive Freiformoptik 50 Zoombereiche bieten kann, die sowohl Tiefschweißvorgänge als auch Lötvorgänge abdecken, wird unten unter Bezugnahme auf die 3A-3B und 4A-4B erörtert.
3A veranschaulicht schematisch das optische System 24, das mit einer ersten Zoomeinstellung betrieben wird, um den Laserstrahl ohne Verwendung der Refraktive Freiformoptik 50 auf eine erste beispielhafte Punktgröße (S1) zu kollimieren. Im Gegensatz dazu wird das optische System 24 in 3B mit dem gleichen ersten Zoom wie in 3A betrieben, um den Laserstrahl zu kollimieren, aber die refraktive Freiformoptik 50 wird verwendet, um eine erweiterte Punktgröße (S 1 *) zu erzeugen. Ebenso veranschaulicht 4A schematisch das optische System 24, das mit einer zweiten Zoomeinstellung betrieben wird, um den Laserstrahl ohne Verwendung der Refraktive Freiformoptik 50 zu einer zweiten Punktgröße (S2) zu kollimieren. Im Gegensatz dazu wird das optische System 24 in 4B mit dem gleichen zweiten Zoom der 4A betrieben, um den Laserstrahl zu kollimieren, aber die refraktive Freiformoptik 50 wird verwendet, um eine erweiterte Punktgröße (S2*) zu erzeugen. Es versteht sich, dass der Durchmesser der Punktgröße (S) im Allgemeinen, also ohne refraktives Freiformelement, von dem Facettendurchmesser (d. h. Faserspitze) der Eingangsfaser 18 mal der Vergrößerung des optischen Systems 24 gegeben ist.
Wie in 3A mit der Refraktive Freiformoptik außerhalb des freien Raums positioniert, wird der divergierende Strahl (D) von der Eingangsfaser 18 von dem Zoom-Kollimatorsystem 32 in der Zoom-Kollimationsstufe 30 kollimiert. Wie angemerkt, können eine oder mehrere Linsen des Systems 32 unter Verwenden eines oder mehrerer geeigneter Aktuatoren 35 bewegbar sein. Der kollimierte Strahl (C1) wird dann von der Fokussierungsstufe 40 (mit einer oder mehreren Linsen) fokussiert, um einen konvergierenden Strahl (F1) zu einer ersten Punktgröße (S1) zu erzeugen. Wie bereits erwähnt, ist der Austrittsstrahldurchmesser (E1) zu erzeugter Vergrößerung umgekehrt proportional, und der Durchmesser der Punktgröße (S 1) wird im Allgemeinen von dem Durchmesser der Facette oder Spitze der Eingangsfaser 18 mal der Vergrößerung des optischen Systems 24 gegeben.
Im Gegensatz dazu zeigt 3B die Refraktive Freiformoptik 50, die in dem divergierenden Strahl (D) von der Eingangsfaser 18 angeordnet ist. Beispielsweise kann ein Aktuator 55 die refraktive Freiformoptik 50 in den divergierenden Strahl (D) bewegen. Da die refraktive Freiformoptik 50 keine extrem hohe Positionierungsgenauigkeit in Bezug auf die Facette der Faser erfordert, kann die Optik 50 in den divergierenden Strahl (D) von einem Aktuator 55, der eine einfache Mechanik aufweist, eingeführt (und daraus entfernt) werden. Dementsprechend kann der Aktuator 55 beliebige geeignete Mechanismen verwenden, wie eine piezoelektrische Vorrichtung, ein elektrisches Solenoid, ein Elektromotor, eine Piezomotor, Lager, Zahnräder, Drehscharniere, pneumatische Betätigungselemente und dergleichen.
Als solches kann die Refraktive Freiformoptik 50 in dem sauberen Raum des Gehäuses für den Laserbearbeitungskopf 20 gelagert werden und kann in (und aus) dem freien Raum zwischen der Faser 18 und der Zoom-Kollimationsstufe 30 positioniert (geschwenkt, gedreht oder gewendet) werden. Die Refraktive Freiformoptik 50 ist dazu konfiguriert, den divergierenden Strahl (D) feldmäßig oder intensitätsmäßig abzubilden, um einen abgebildeten divergierenden Strahl (D*) zu erzeugen, der von den Merkmalen der Optik 50 vorab definiert ist. Es besteht eine sehr kleine Divergenzänderung von dem divergierenden Strahl (D) zu dem abgebildeten divergierenden Strahl (D*). Die „feldmäßige Abbildung“ oder „intensitätsmäßige Abbildung“, die von der Refraktive Freiformoptik 50 bereitgestellt wird, ändert jedoch den Durchmesser des fokussierten Punktes, indem sie die Faserspitze 18 für das optische System 24 größer erscheinen lässt. Beispielsweise kann ein beispielhafter Laserstrahl in Abhängigkeit von der Durchmesserdefinition einen Halbkegelwinkel von 80 mrad bis 125 mrad (0,08 bis 0,125 rad) aufweisen. Eine Refraktive Freiformoptik, wie sie in dem offenbarten System 24 verwendet wird, kann diesen Halbkegelwinkel um weniger als 10 mrad vergrößern, während sie bewirkt, dass der Durchmesser des fokussierten Punktes um einen Faktor 5 zunimmt. Somit vergrößert die Refraktive Freiformoptik 50 der vorliegenden Offenbarung das Bild der Faserspitze der Eingangsfaser 18 auf die Kollimationsstufe 30 durch Abbilden des divergierenden Strahls (D) in einer Weise, die den Durchmesser der Faserspitze der Eingangsfaser 18 für die Zoom-Kollimationsstufe 30 größer erscheinen lässt. Die Zoom-Kollimationsstufe 30 wiederum kollimiert den abgebildeten divergierenden Strahl (D*) mit dem gleichen Zoom wie in 3A. Allerdings wird der resultierende kollimierte Strahl (C1*) von der Fokussierungsstufe 40 (die eine oder mehrere Linsen aufweist) mit einem größeren Austrittsstrahldurchmesser (E1*) fokussiert, um einen konvergierenden Strahl (F1*) mit erweiterter Punktgröße (S 1 *) zu erzeugen.
4A-4B zeigen vergleichbare Vorgänge des optischen Systems 24, aber mit dem Zoom-Kollimatorsystem 32 in der Zoom-Kollimationsstufe 30 mit einer unterschiedlichen Zoom-Einstellung. Wie in 4A gezeigt, mit der refraktive Freiformoptik 50 außerhalb des divergierenden Strahls (D) positioniert, wird der divergierende Strahl (D) von der Eingangsfaser 18 durch das Zoom-Kollimatorsystem 32 in der Zoom-Kollimationsstufe 30 kollimiert. Eine oder mehrere Linsen in dem System 32 werden unter Verwenden des einen oder der mehreren geeigneten Aktuatoren 35 auf eine unterschiedliche Zoomeinstellung als die in dem Beispiel der 3A verwendete bewegt. Der kollimierte Strahl (C2) wird dann von der Fokussierungsstufe 40 (mit einer oder mehreren Linsen) fokussiert, um einen konvergierenden Strahl (F2) mit einer zweiten Punktgröße (S2) zu erzeugen. Bei diesem Beispiel ist der Austrittsstrahldurchmesser (E2) kleiner als in 3A, und die Punktgröße (S2) ist kleiner als in 3B.
Im Gegensatz dazu zeigt 4B die Refraktive Freiformoptik 50, die in dem divergierenden Strahl (D) von der Eingangsfaser 18 angeordnet ist. Die Refraktive Freiformoptik 50 ist dazu konfiguriert, den divergierenden Strahl (D) feld- oder intensitätsmäßig abzubilden, um den abgebildeten divergierenden Strahl (D*) zu erzeugen, der von einer definierten Abbildung der Refraktive Freiformoptik 50 vordefiniert ist. Als ein Ergebnis erscheint der Durchmesser der Faserspitze der Eingangsfaser 18 für die Zoom-Kollimationsstufe 30, die den abgebildeten divergierenden Strahl (D*) mit dem gleichen Zoom wie in 4A kollimiert, größer. Der resultierende vergrößerte kollimierte Strahl (C2*) wird dann von der Fokussierungsstufe 40 (mit einer oder mehreren Linsen) mit dem Austrittsstrahldurchmesser (E2*) fokussiert, um einen konvergierenden Strahl (F2*) mit erweiterter Punktgröße (S2*) zu erzeugen.
Wie in den obigen Anordnungen gezeigt, wird die Refraktive Freiformoptik 50 an die Faser 18 angrenzend ohne irgendeine zusätzliche Optik dazwischen platziert. In dieser Weise kann die Refraktive Freiformoptik 50 ein Bild der Faserspitze der Faser 18 vergrößern, indem sie den Facettendurchmesser der Spitze der Faser 18 für das optische System 24, das dann den optischen Strahl weiter zoomen kann, größer erscheinen lässt. Beispielsweise kann bei einer Konfiguration die Refraktive Freiformoptik 50 eine Faser mit 200 µmØ für den Rest des optischen Systems 24 als eine Faser mit 1000 µmØ erscheinen lassen. Wie oben erwähnt, kann es dies dem optischen System 24 mit einem gegebenen Zoombereich ermöglichen, in einer ersten Konfiguration zum Zoomen der ursprünglich abgebildeten Faser mit 200 µmØ in dem gegebenen Zoombereich zu arbeiten und alternativ in einer zweiten Konfiguration zum Zoomen 1000 µmØ der größer abgebildeten Faser in dem gegebenen Zoombereich. Unter Verwenden des gegebenen Zoombereichs des optischen Systems 24 kann daher ein sehr breiter Bereich von Punktdurchmessern (S) erreicht werden.
Wie man sieht, kann das optische System 24 in der ersten Konfiguration der 3A und 4A mit der Refraktive Freiformoptik außerhalb des divergierenden Strahls (D) angeordnet verwendet werden, und das optische System 24 kann in einer zweiten Konfiguration der 3B und 4B mit der Refraktive Freiformoptik in dem divergierenden Strahl (D) platziert verwendet werden. Dementsprechend kann unter Verwenden dieser zwei Konfigurationen (mit oder ohne die Refraktive Freiformoptik 50) der Durchmesser (S) des fokussierten Punktes von der Zoom-Kollimationsstufe 30 abgestimmt werden. In dieser Weise kann der Zoom des optischen Systems 24 zwischen zwei Bereichen umgeschaltet werden, indem die Refraktive Freiformoptik 50 in dem divergierenden Strahl (D) platziert oder entfernt wird. Ein Bereich kann für Lötarbeiten geeignet sein, während der andere Bereich für Tiefschweißen verwendet werden kann.
Beim Löten wird beispielsweise der fokussierte Punkt (S) verwendet, um ein Füllmetall zu erhitzen, das an Werkstückoberflächen, die zu verbinden sind, angrenzend derart platziert wird, dass das Füllmetall schmilzt und den Spalt zwischen den Werkstückoberflächen durch Kapillarwirkung füllt. Eine größere Punktgröße (S) mit vergrößertem Durchmesser ist für diese Art von Betrieb geeignet. Im Gegensatz dazu liefert beim Tiefschweißen der fokussierte Punkt (S) des Laserstrahls hohe Leistungsdichte, um das zu schweißende Metall zu verdampfen. Eine kleinere Punktgröße (S) mit einem verringerten Durchmesser ist für diese Art von Vorgang notwendig. Diese beiden Vorgänge unterscheiden sich daher stark in der Ausführung. Eine typische Zoom-Kollimationsstufe für einen Laserbearbeitungskopf weist einen Zoomfaktor von 3x oder 4x auf. Damit der Laserbearbeitungskopf 20 sowohl zum Löten als auch zum Schweißen verwendet werden kann, kann die Refraktive Freiformoptik 50 dazu verwendet werden, dem optischen System 24 der vorliegenden Offenbarung einen Zoomfaktor von mehr als 10x zu verleihen. Abhängig von dem Laserbearbeitungskopf, den Leistungsdichten und anderen allgemeinen Faktoren, kann der Zoombereich des offenbarten optischen Systems 24 zum Abdecken des Tiefschweißens Punktgrößen von etwa 0,3 bis 0,8 mm Ø erzeugen, und der Zoombereich des offenbarten optischen Systems 24 zum Abdecken des Lötens kann Punktgrößen von etwa 4 / 0,3 entsprechend Zoomfaktor 13 erzeugen.
Beispielsweise können die Punktgrößen S1 und S2 in dem Bereich zwischen etwa 0,3 mm und 0,8 mm liegen, wenn die Refraktive Freiformoptik 50 nicht in dem divergierenden Strahl (D) positioniert ist, während die Punktgrößen S 1 * und S2* in dem Bereich zwischen etwa 1,6 mm bis 3,8 mm liegen können, wenn die refraktive Freiformoptik 50 in dem divergierenden Strahl (D) positioniert ist, um den abgebildeten divergierenden Strahl (D*) zu erzeugen. Es versteht sich, dass die hier erörterten Punktgrößen lediglich als Beispiele bereitgestellt werden. Darüber hinaus versteht es sich, dass es typische Punktgrößen gibt, die für übliche Prozesse verwendet werden, die von einer Anzahl von Variablen abhängen, und dass die Implementierungen der vorliegenden Offenbarung für diese gemeinsamen Prozesse und Variablen konfiguriert werden können. Beispielsweise ist das Tiefschweißen von Stahl ein in der Industrie gängiger Prozess. Die prozessabhängigen Punktgrößen beim Tiefschweißen von Stahl betragen 0,5 mm bis 0,7 mm. Das Fahrzeugkarosserielöten hingegen ist ein anderer gängiger Prozess, und die prozessabhängigen Punktgrößen beim Fahrzeugkarosserielöten betragen 2,2 mm bis 3,6 mm. Es gibt keinen ausgeprägten Zusammenhang zwischen Laserleistung und Punktdurchmesser, und es gibt unzählige unterschiedliche Laserprozesse. Daher schreibt die Anwendung normalerweise den zu verwendenden Punktdurchmesser und den zu verwendenden Laserleistungsbereich vor, und die optischen Systeme 24 der vorliegenden Offenbarung können entsprechend konfiguriert werden.
5 veranschaulicht schematisch ein anderes optisches System 24 der vorliegenden Offenbarung. Ähnliche Bezugszeichen werden für Komponenten, die mit den anderen hierin offenbarten Konfigurationen vergleichbar sind, verwendet. Wie zuvor, kann die Kollimationsstufe 30 einen Zoom-Kollimator beinhalten, der Optiken 32, 34 und Aktuatoren 35 aufweist. In dieser Konfiguration wird jedoch eine Refraktive Freiformoptik 52 unter Verwenden eines Aktuators 57 in (und aus) einem Teil des kollimierten Strahls (C) positioniert.
Die refraktive Freiformoptik 52 in 5 wird in den freien Raum zwischen der anfänglichen Kollimationslinse 34 (als ein Aufwärtsachsenabschnitt) und anderen Linsen 32 (als ein Abwärtsachsenabschnitt) der Zoom-Kollimationsstufe 30 positioniert (geschwenkt, gedreht oder gewendet). Wie angemerkt, ist die Refraktive Freiformoptik 52 dazu konfiguriert, einen Strahl durch eine definierte Abbildung abzubilden. Die definierte Abbildung ist dazu konfiguriert, ein Bild eines Aufwärtsachsenabschnitts des optischen Systems 24, das in dem Strahl abgebildet ist, auf einen Abwärtsachsenabschnitt des optischen Systems 24 zu vergrößern. Hier ist die Refraktive Freiformoptik 52 dazu konfiguriert, den kollimierten Strahl (C) durch die definierte Abbildung abzubilden, um einen abgebildeten kollimierten Strahl (C*), der vordefiniert ist, zu erzeugen. Als ein Ergebnis ist die Refraktive Freiformoptik 50 in der zweiten Position dazu konfiguriert, das Bild der Aufwärtsachsenlinse 34 der Kollimationsstufe 30 in dem kollimierten Strahl (C) auf die Abwärtsachsenlinse (32) der Kollimationsstufe 30 zu vergrößern.
Die resultierende Vergrößerung des abgebildeten kollimierten Strahls (C*) wird von den anderen Linsen des Zoom-Kollimatorsystems 32 kollimiert, um einen kollimierten Strahl (C2) zu erzeugen. Dieser kollimierte Strahl (C2) wird dann wiederum durch die Fokussierungsstufe 40 (die eine oder mehrere Linsen aufweist) mit einem Austrittsstrahldurchmesser (E2) fokussiert, um einen konvergierenden Strahl (F2) mit einer erweiterten, größeren Punktgröße (S2) zu erzeugen. Mit dem Entfernen der refraktiven Freiformoptik 50 würde der ursprüngliche kollimierte Strahl (C) in den ursprünglichen kollimierten Strahl (C1) kollimiert und dann von der Fokussierungsstufe 40 mit dem Austrittsstrahldurchmesser (E1) fokussiert, um den konvergierenden Strahl (F1) mit der Punktgröße (S1) zu erzeugen. Die Zoom-Funktionalität durch das Zoom-Kollimatorsystem 32 in der Zoom-Kollimationsstufe 30 kann immer noch durchgeführt werden, was es erlaubt, die Laserpunktgröße (S1, S2) weiter zu zoomen. Dementsprechend kann das optische System 24 der 5 in ähnlicher Weise wie oben offenbart verwendet werden, um Tiefschweiß- und Lötvorgänge durchzuführen, ohne dass die optische Faser 18 geändert werden muss und ohne Zoomfähigkeiten zu verlieren.
6 veranschaulicht schematisch noch ein anderes optisches System 24 der vorliegenden Offenbarung. Ähnliche Bezugszeichen werden für Komponenten, die mit den anderen hierin offenbarten Konfigurationen vergleichbar sind, verwendet. In dieser Konfiguration beinhaltet die Fokussierungsstufe 40 eine oder mehrere bewegliche Linsen 42, die von einem oder mehreren Aktuatoren 45 bewegt werden, um den Fokus des Laserstrahls abzuändern. Die refraktive Freiformoptik 52 ist in (und aus) dem kollimierten Strahl (C) nach einer Kollimationslinse 34 der Kollimationsstufe 30 positioniert.
In 6 ist die Refraktive Freiformoptik 52 in den freien Raum zwischen der Kollimationslinse 34 (als ein Aufwärtsachsenabschnitt des optischen Systems 24) und der Fokussierungsstufe 40 (als ein Abwärtsachsenabschnitt) positioniert. Wie angemerkt, ist die refraktive Freiformoptik 52 dazu konfiguriert, einen Strahl durch eine definierte Abbildung abzubilden. Die definierte Abbildung ist dazu konfiguriert, ein Bild eines Aufwärtsachsenabschnitts des optischen Systems, das auf einen Abwärtsachsenabschnitt des optischen Systems abgebildet wird, zu vergrößern. Hier ist die Refraktive Freiformoptik 52 dazu konfiguriert, den kollimierten Strahl (C) durch die definierte Abbildung abzubilden, um einen abgebildeten kollimierten Strahl (C*), der vordefiniert ist, zu erzeugen. Als ein Ergebnis ist die Refraktive Freiformoptik 50 in der zweiten Position dazu konfiguriert, das Bild der Aufwärtsachsenlinse 34 der Kollimationsstufe 30, das in dem kollimierten Strahl (C) abgebildet ist, zu der Abwärtsachsenlinse (42) der Fokussierungsstufe zu vergrößern.
Der resultierende abgebildete kollimierte Strahl (C*) wird dann von der Fokussierungsstufe 40 (die eine oder mehrere Linsen 42 aufweist) mit einem Austrittsstrahldurchmesser (E*) fokussiert, um einen konvergierenden Strahl (F*) mit einer erweiterten Punktgröße (S*) zu erzeugen. Das Entfernen der refraktive Freiformoptik 52 würde es dem ursprünglichen kollimierten Strahl (C) erlauben, von der Fokussierungsstufe 40 mit dem Austrittsstrahldurchmesser (E) fokussiert zu werden, um den konvergierenden Strahl (F) mit der Punktgröße (S) zu erzeugen. Vergrößerungsänderungen können noch in der Fokussierungsstufe 40 durchgeführt werden, was es erlaubt, den Laserpunkt (S, S*) weiter zu zoomen. Dementsprechend kann das optische System 24 der 6 in ähnlicher Weise wie oben offenbart verwendet werden, um Tiefschweiß- und Lötvorgänge durchzuführen, ohne dass die optische Faser 18 geändert werden muss.
Diese refraktive Freiformoptik 52 in 5-6 kann allein verwendet werden, um eine zusätzliche Divergenz zu dem Strahl (C) in dem optischen System 24 zu erzeugen. Alternativ und wie von gestrichelten Linien angemerkt, kann diese refraktive Freiformoptik 52 in Verbindung mit der vorhergehenden Konfiguration der Optik (50), die durch einen Aktuator (55) in dem divergierenden Strahl (D) positionierbar ist, verwendet werden. Beide Konfigurationen können unabhängig betreibbar sein, um die jeweilige Optik 50, 52 in (und aus) dem jeweiligen Strahl zu positionieren, um eine zusätzliche Divergenz zu erreichen. Dementsprechend können beide Optiken 50, 52 gemeinsam verwendet werden, beide Optiken 50, 52 können separat verwendet werden, um den jeweiligen Strahl zu divergieren, und beide Optiken 50, 52 können außerhalb des jeweiligen Strahls positioniert werden. Dies ermöglicht mehrere Kombinationen (DC; D*-C, D*-C* und D-C*). Obwohl nicht gezeigt, kann die Refraktive Freiformoptik 52 in 5 auch mit der vorhergehenden Konfiguration der Refraktive Freiformoptik (50), die von einem Aktuator (55) in dem divergierenden Strahl (D) positionierbar ist, verwendet werden.
Die vorstehende Beschreibung bevorzugter und anderer Ausführungsformen soll den Umfang oder die Anwendbarkeit der von den Anmeldern erdachten erfinderischen Konzepte nicht begrenzen oder einschränken. Es versteht sich aus dem Nutzen der vorliegenden Offenbarung, dass die oben beschriebenen Merkmale gemäß einer beliebigen Ausführungsform oder einem Aspekt des offenbarten Gegenstands entweder allein oder in Kombination mit jedem anderen beschriebenen Merkmal in jeder anderen Ausführungsform oder jedem anderen Aspekt des offenbarten Gegenstands genutzt werden können.
Im Austausch für die Offenbarung der hierin enthaltenen erfinderischen Konzepte wünschen die Anmelder alle durch die beigefügten Ansprüche gewährten Patentrechte. Daher ist beabsichtigt, dass die beigefügten Ansprüche alle Modifikationen und Änderungen in vollem Umfang einschließen, die in den Umfang der folgenden Ansprüche oder deren Äquivalente fallenn.
Als Gegenleistung für die Offenbarung der hierin enthaltenen erfinderischen Konzepte beantragt die Anmelderin alle Patentrechte, die durch die beigefügten Ansprüche gewährt werden. Es ist daher beabsichtigt, dass die beigefügten Ansprüche alle Modifikationen und Änderungen beinhalten, soweit sie in den Anwendungsbereich der folgenden Ansprüche oder deren Äquivalente fallen.

Claims

Ein Laserbearbeitungskopf zum Lenken von Laserenergie entlang einer optischen Achse ausgehend von einer Faserspitze, wobei der Laserbearbeitungskopf Folgendes umfasst: a. eine Kollimationsstufe, die entlang der optischen Achse angeordnet und dazu konfiguriert ist, einen divergierenden Strahl der Laserenergie von der Faserspitze in einen kollimierten Strahl zu kollimieren; b. eine Fokussierungsstufe, die entlang der optischen Achse angeordnet und dazu konfiguriert ist, den kollimierten Strahl von der Kollimationsstufe in einen konvergierenden Strahl zu einem Fokuspunkt zu fokussieren, wobei mindestens eine der Kollimationsstufe und der Fokussierungsstufe eine veränderbare effektive Brennweite aufweist; und c. eine refraktive Freiformoptik, die in der optischen Achse zwischen der Faser und der Kollimationsstufe positionierbar ist, wobei die Refraktive Freiformoptik in einer ersten Position außerhalb des divergierenden Strahls platziert ist, die Refraktive Freiformoptik in einer zweiten Position in dem divergierenden Strahl platziert ist und dazu konfiguriert ist, den divergierenden Strahl durch eine definierte Abbildung abzubilden, wobei die definierte Abbildung dazu konfiguriert ist, ein Bild der Faserspitze, die in dem divergierenden Strahl abgebildet ist, auf die Kollimationsstufe zu vergrößern.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, der ferner einen Aktuator umfasst, der der refraktive Freiformoptik zugeordnet ist, wobei der Aktuator dazu konfiguriert ist, die refraktive Freiformoptik in Bezug auf die optische Achse zwischen der ersten und der zweiten Position zu bewegen.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, wobei mindestens die Kollimationsstufe eine oder mehrere Linsen umfasst, die entlang der optischen Achse für die veränderbare effektive Brennweite bewegbar sind.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 3, wobei die veränderbare effektive Brennweite der Kollimationsstufe, die die Refraktive Freiformoptik in der ersten Position aufweist, einen ersten Bereich des Fokuspunkts aufweist; und wobei die veränderbare effektive Brennweite, die die Kollimationsstufe die Refraktive Freiformoptik in der zweiten Position aufweist, einen zweiten Bereich des Fokuspunkts beinhaltet, wobei der zweite Bereich von dem ersten Bereich unterschiedlich ist.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 4, wobei der erste Bereich für einen Tiefschweißvorgang durch den Laserbearbeitungskopf konfiguriert ist, und wobei der zweite Bereich für einen Lötvorgang durch den Laserbearbeitungskopf konfiguriert ist.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, wobei mindestens die Fokussierungsstufe eine oder mehrere Linsen umfasst, die entlang der optischen Achse für die veränderbare effektive Brennweite bewegbar sind.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, wobei die Refraktive Freiformoptik einen Strahlformer umfasst, der eine ungleichmäßige Oberfläche aufweist, die dazu konfiguriert ist, einen einfallenden Strahl in einem definierten Divergenzwinkel zu divergieren.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, wobei die Refraktive Freiformoptik in der zweiten Position dazu konfiguriert ist, die Faserspitze für die Kollimationsstufe größer erscheinen zu lassen.
Ein Laserbearbeitungskopf zum Lenken von Laserenergie entlang einer optischen Achse von einer Faserspitze, wobei der Laserbearbeitungskopf Folgendes umfasst: a. eine Kollimationsstufe eines optischen Systems, die entlang der optischen Achse angeordnet ist und dazu konfiguriert ist, einen divergierenden Strahl der Laserenergie von der Faserspitze in einen kollimierten Strahl zu kollimieren; b. eine Fokussierungsstufe des optischen Systems, der entlang der optischen Achse angeordnet ist und dazu konfiguriert ist, den kollimierten Strahl von der Kollimationsstufe in einen konvergierenden Strahl zu einem Fokuspunkt zu fokussieren, wobei mindestens eine der Kollimationsstufe und der Fokussierungsstufe eine veränderbare effektive Brennweite aufweist; und c. mindestens eine Refraktive Freiformoptik, die in der optischen Achse in mindestens einem Strahl des divergierenden Strahls positionierbar ist, und einen kollimierten Strahl, wobei die mindestens eine refraktive Freiformoptik in einer ersten Position außerhalb des mindestens einen Strahls positioniert ist, wobei die mindestens eine Refraktive Freiformoptik in einer zweiten Position in dem mindestens einen Strahl platziert und dazu konfiguriert ist, den mindestens einen Strahl durch eine definierte Abbildung abzubilden, wobei die definierte Abbildung dazu konfiguriert ist, ein Bild eines Aufwärtsachsenabschnitts des optischen Systems, das in den Strahl abgebildet ist, zu einem Abwärtsachsenabschnitt des optischen Systems zu vergrößern.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 9, wobei die mindestens eine refraktive Freiformoptik in dem divergierenden Strahl zwischen der Faserspitze als der Aufwärtsachsenabschnitt und die Kollimationsstufe als der Abwärtsachsenabschnitt positionierbar ist, wobei die mindestens eine refraktive Freiformoptik in der zweiten Position dazu konfiguriert ist, das Bild der Faserspitze, die in dem divergierenden Strahl abgebildet ist, auf die Kollimationsstufe zu vergrößern.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 9, wobei der Kollimationsstufe die veränderbare effektive Brennweite aufweist, wobei die mindestens eine Refraktive Freiformoptik in dem konvergierenden Strahl zwischen mindestens einer Aufwärtsachsenlinse und einer Abwärtsachsenlinse der Kollimationsstufe positionierbar ist, wobei die mindestens eine Refraktive Freiformoptik in der zweiten Position dazu konfiguriert ist, das Bild der Aufwärtsachsenlinse in dem kollimierten Strahl zu der Abwärtsachsenlinse zu vergrößern.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 9, wobei die Fokussierungsstufe die veränderbare effektive Brennweite aufweist; und wobei die mindestens eine Refraktive Freiformoptik in dem konvergierenden Strahl zwischen mindestens einer Aufwärtsachsenlinse der Kollimationsstufe und einer Abwärtsachsenlinse der Fokussierungsstufe positionierbar ist, wobei die mindestens eine Refraktive Freiformoptik in der zweiten Position dazu konfiguriert ist, das Bild der Aufwärtsachsenlinse in dem kollimierten Strahl zu der Abwärtsachsenlinse zu vergrößern.
Ein Verfahren zur Laserbearbeitung unter Verwenden von Laserenergie von einer Faserspitze, wobei das Verfahren umfasst: a. Kollimieren eines divergierenden Strahls der Laserenergie von der Faserspitze in einen kollimierten Strahl in einer Kollimationsstufe; b. Fokussieren des kollimierten Strahls in einen konvergierenden Strahl zu einem Fokuspunkt in einer Fokussierungsstufe; c. Ändern einer veränderbaren Brennweite mindestens einer der Kollimationsstufe und der Fokussierungsstufe; d. Arbeiten in einem ersten Zustand unter der veränderbaren effektiven Brennweite durch Platzieren einer refraktiven Freiformoptik außerhalb der optischen Achse zwischen der Faserspitze und der Kollimationsstufe, um einen ersten Größenbereich des Fokuspunkts zu erzeugen; und e. Arbeiten in einem zweiten Zustand unter der veränderbaren effektiven Brennweite durch Platzieren der refraktiven Freiformoptik in der optischen Achse zwischen der Faserspitze und der Kollimationsstufe, Vergrößern eines Bildes der Faserspitze, das in dem divergierenden Strahl abgebildet wird, auf die Kollimationsstufe durch Abbilden des divergierenden Strahls durch eine definierte Abbildung, um einen zweiten Bereich von Größen des Fokuspunkts zu erzeugen.
Das Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Platzieren der refraktiven Freiformoptik in und aus der optischen Achse das Bewegen der Refraktive Freiformoptik in Bezug auf die optische Achse zwischen einer ersten und einer zweiten Position durch Betätigen eines Aktuators, der der Refraktive Freiformoptik zugeordnet ist, umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Ändern der veränderbaren Brennweite das Bewegen einer oder mehrerer Linsen für mindestens die Kollimationsstufe entlang der optischen Achse umfasst.
Ein Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Ändern der veränderbaren Brennweite das Bewegen einer oder mehrerer Linsen für mindestens die Fokussierungsstufe entlang der optischen Achse umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 13, wobei der erste Bereich für einen Tiefschweißvorgang durch den Laserbearbeitungskopf konfiguriert ist, und wobei der zweite Bereich für einen Lötvorgang durch den Laserbearbeitungskopf konfiguriert ist.
Das Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Refraktive Freiformoptik einen Strahlformer umfasst, der eine ungleichmäßige Oberfläche aufweist, die dazu konfiguriert ist, einen einfallenden Strahl in einem definierten Divergenzwinkel zu divergieren.
Das Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Abbilden des divergierenden Strahls durch die definierte Abbildung zum Erzeugen des zweiten Bereichs von Größen des Fokuspunkts umfasst, dass die Faserspitze für die Kollimationsstufe mit der Refraktive Freiformoptik größer erscheint.