DE19961918C2 - Variables Doppelfokusformungsmodul und Verfahren zu seiner Anwendung - Google Patents
Variables Doppelfokusformungsmodul und Verfahren zu seiner AnwendungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Strahlteilung eines La
serstrahles in wenigstens zwei Laserstrahlenfoki mit einer variablen optischen An
ordnung, insbesondere einem Linsensystem, die die Laserstrahlenfoki auf ein zu
bearbeitendes Werkstück abbildet.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, einen einzelnen oder einen festen Doppel
fokus zu verwenden, also einen nicht-variablen Fokus, der allenfalls in seiner Inten
sität veränderbar ist.
Die Erzeugung eines Doppelfokus wird üblicherweise vorgenommen, indem eine
Keilplatte bzw. ein Prisma teilweise in den Strahl gestellt wird. Die Keilplatte lenkt
das Teilstrahlbündel, welches durch die Platte hindurchtritt, um einen bestimmten
Winkel ab. Der Ablenkwinkel hängt mit dem Keilwinkel und dem Brechungsindex der
Keilplatte zusammen über die Formel (gilt für kleine Winkel):
β = α(n - 1)
β: Ablenkwinkel
α: Keilwinkel
n: Brechungsindex des Keils
α: Keilwinkel
n: Brechungsindex des Keils
Die Intensitätsverteilung zwischen den Teilstrahlen lässt sich üblicherweise dadurch
einstellen, indem die Keilplatte mehr oder weniger weit in den Strahl geschoben
wird. Der Winkel zwischen den Teilstrahlen kann jedoch nur durch Verwendung
mehrerer Keilplatten mit unterschiedlichen Keilwinkeln verändert werden. Eine kon
tinuierliche Einstellung des Ablenkwinkels ist nicht möglich.
Auf dem gleichen Prinzip beruhen Anordnungen, bei denen eine Keilplatte mit zwei
Keilsegmenten (ähnlich einem Dachkantenprisma) in den Strahlengang gestellt
wird, oder wo der Strahl durch einen Spiegel umgelenkt wird, wobei der Spiegel aus
zwei Segmenten besteht, die in einem Winkel zueinander stehen.
Die WO 98/51442 beschreibt eine Vorrichtung mit zwei Laserfoki die parallel, über
Spiegel abgelenkt in einem variierbaren Abstand zueinander zum Schweißen verwendet
werden. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass der Winkel und die Intensi
tät zwischen den Teilstrahlen unveränderbar ist. Damit kann der Abstand der beiden
Foki auf dem Werkstück automatisch an die Spaltbreite zwischen den Werkstücken
oder sich verändernden Werkstückgeometrien angepasst werden.
Die WO 98/14302 beschreibt ein axiales Doppelfokussystem, bestehend aus einem
starrem Multilinsensystem, deren Fokussierungspunkte entlang der optischen Achse
verschiebbar sind. Insbesondere zur Behandlung von Materialien mit größeren Stär
ken soll eine verbesserte Schweiß- und Schneideeigenschaft des Lasers dadurch
gewährleistet werden, dass das gesamte Linsensystem über die Schweiß- oder
Schneidestelle verschoben wird. Durch diese Optimierung sollen vor allem die
Schutzgasumgebungen um die Schweißstelle verbessert und eine qualitativ verbes
serte Kopplung des Laserfokussierungspunkts auf dem Material mit größeren Stär
ken erreicht werden. Eine variable Abstimmung innerhalb des Multilinsensystems ist
nicht beansprucht.
In keiner der bekannten Anordnungen kann die Intensität zwischen den Teilstrahlen
kontinuierlich verändert werden. Dazu muss immer das Ablenkelement ausge
tauscht werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bearbeitung von Werkstücken mit
zwei Laserstrahlen zu schaffen, deren jeweilige Fokuslage und Intensität zueinander
veränderbar sind. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Durch
führung des Verfahrens zur Verfügung zu stellen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
Mit Hilfe dieses Verfahrens können der Abstand und die Intensität zwischen den
zwei Teillaserstrahlen sehr einfach variiert werden; bislang ist dies nur durch den
Austausch von fokusformenden Elementen in der Bearbeitungsoptik möglich gewe
sen. Dies geschieht erfindungsgemäß durch die Verschiebung der Linsen zueinan
der in einer entsprechenden Anordnung, durch die der Laserstrahl geführt wird.
Durch diese Maßnahme wird ein "variabler optischer Keil" gebildet, der den auf das
Werkstück abzubildenden Laserstrahl variabel ablenkt und somit eine variable Fo
kusgeometrie erzeugt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass beide Foki in einer Vorrichtung gem. An
spruch 12 variiert werden können. Dadurch ist eine motorische Veränderung der
Fokusform möglich. Damit ist z. B. eine aktive Anpassung an zu bearbeitende Bau
teilgeometrien oder Werkstoffe möglich.
Vorteilhaft ist, dass gegenüber einem System mit beweglichen Umlenkspiegeln nur
sehr kleine optische Elemente bewegt werden müssen, was zum einen die Baugrö
ße und zum anderen das Gewicht positiv beeinflusst.
Da das System mit refraktiven optischen Elementen aufgebaut wird, kann es auch
mit Nd:YAG- und Diodenlasern verwendet werden.
Da refraktive Elemente und nicht Umlenkspiegel verwendet werden, ist eine einfa
che optische Korrektur des verwendeten optischen Systems möglich, was die Ver
luste des Systems verringert und damit beiträgt eine optimale Leistungsdichte auf
dem Werkstück zu erzielen. Refraktive Elemente sind die Zylinderlinsen selbst, wo
bei refraktiv bedeutet, dass Laserstrahlung beim Durchtritt durch das Medium umge
lenkt - gebrochen - wird.
Weitere vorteilhafte Maßnahmen und Vorteile sind in den übrigen Unteransprüchen
enthalten. Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels und in den nach
folgenden Zeichnungen näher dargestellt; es zeigt:
Abb. 1a, b, c ein variables Doppelfokusformungsmo
dul, angeordnet zwischen Kollimation und Fokussie
rung einer Bearbeitungsoptik. Bewegung der Linse
auf einer Kreisbahn. Ausführung mit einem (b) oder
zwei (c) variablen optischen Keilen.
Abb. 2a, b, c ein Variables Doppelfokusformungsmo
dul, angeordnet zwischen Kollimation und Fokussie
rung einer Bearbeitungsoptik. Lineare Bewegung der
Linse. Ausführung mit einem (b) oder zwei (c) variab
len optischen Kelten.
Abb. 3 eine Schematische Darstellung der Vorrichtung
zur Lasermaterialabearbeitung mit mehreren Foki auf
dem Werkstück, deren Position und/oder Intensität
über ein Regelsystem werkstück- und nahtkonturab
hängig gesteuert werden.
Die Ablenkung des Laserlichtes erfolgt durch eine variable Anordnung refraktiver
optischer Elemente, der hier auch als "variabler optischer Keil" 12 bezeichnet wird.
Dieser wird durch die Kombination zweier Zylinderlinsen 13 und 14 erzeugt. Die
Variation des wirksamen Keilwinkels wird erreicht, indem eine Linse 14 gegenüber
der anderen Linse 13 entweder auf einer Kreisbahn, die näherungsweise der Krüm
mung der Linse entspricht, bewegt wird (vgl. Abb. 1), oder indem eine Linse 14
gegenüber der anderen Linse 13 linear bewegt wird (vgl. Abb. 2).
Im Detail ist diese Anordnung in den Abb. 1a, 1b und 1c dargestellt, wo in
schematischer Darstellung die Verschiebung der Zylinderlinsen 13 und 14 in unter
schiedlichen Raumrichtungen X-Z (Abb. 1a) und Y-Z (Abb. 1b) im Laserstrahl 15
gezeigt wird. Beide Zylinderlinsen 13 und 14 bilden den variablen optischen Keil 12,
der mittels eines Aktors 16 hinsichtlich seines Ablenkwinkels und mittels eines Ak
tors 17 hinsichtlich seiner Intensitätsverteilung verändert werden kann. Es handelt
sich mithin um ein variables Doppelfokusformungsmodul, angeordnet zwischen Kol
limation 10 und Fokussierung 11 einer Bearbeitungsoptik, wobei sich die Bewegung
der Linse 14 auf einer Kreisbahn vollzieht. Die Abb. 1c zeigt in Y-Z Raumrichtung
die Ausführung gem. Abb. 1b, wobei allerdings zwei variable optische Keile 12 in
den Strahlengang des Laserstrahls 15 verbracht werden.
Eine alternative Anordnung ist im Detail in den Abb. 2a, 2b und 2c darge
stellt, wo in entsprechender schematischer Darstellung zu den Abb. 1a und
1b die Verschiebung der Zylinderlinsen 13 und 14 in unterschiedlichen Raumrich
tungen X-Z (Abb. 2a) und Y-Z (Abb. 2b) im Laserstrahl 15 gezeigt wird. Beide Zylin
derlinsen 13 und 14 bilden den variablen optischen Keil 12, der mittels eines Aktors
16 hinsichtlich seines Ablenkwinkels und mittels eines Aktors 17 hinsichtlich seiner
Intensitätsverteilung verändert werden kann. Es handelt sich mithin um ein variables
Doppelfokusformungsmodul, angeordnet zwischen Kollimation 10 und Fokussierung
11 einer Bearbeitungsoptik, wobei eine lineare Bewegung der Linse 14 stattfindet.
Die Abb. 2c zeigt in Y-Z Raumrichtung die Ausführung gem. Abb. 2b, wobei aller
dings zwei variable optische Keile 12 in den Strahlengang des Laserstrahls 15 ver
bracht werden.
Damit dieser variable optische Keil den Laserstrahl um einen variablen Winkel ab
lenkt, diesen ansonsten aber nicht oder möglichst wenig beeinflussen soll, müssen
die refraktiven Elemente insgesamt ein sogenanntes afokales System bilden (dass
also die Summe ihrer Brennweiten gleich dem Abstand zwischen den Linsen ist). In
der Ausführung mittels zweier Zylinderlinsen muss für deren Brennweiten gelten:
f1 + f2 = e
f1: Brennweite der ersten Linse
f2: Brennweite der ersten Linse
e: Abstand zwischen den Zylinderlinsen (zwischen deren Hauptebenen)
f2: Brennweite der ersten Linse
e: Abstand zwischen den Zylinderlinsen (zwischen deren Hauptebenen)
Für den Ablenkwinkel gilt dann, wenn die zweite Linse seitlich verschoben wird:
α = s/f2
s: Seitliche Verschiebung der zweiten Linse
Der beschriebene "variable optische Keil" 12 kann ganz oder teilweise in den Laser
strahl 15 eingebracht werden.
Die Variation der Intensität zwischen den beiden Teilstrahlen, die jeweils einen Fo
kus erzeugen, kann erreicht werden durch die seitliche Verschiebung der gesamten
Anordnung (beide Zylinderlinsen), wobei die Bewegungsrichtung dann senkrecht zur
Bewegung der Einzellinsen verläuft.
Weiterhin können "zwei variable optische Keile" nebeneinander angeordnet werden,
so dass eine unabhängige Verstellung beider Teilstrahlen erfolgen kann (vgl. Abb.
1c und 2c).
Der variable optische Keil kann z. B. zwischen Kollimation 10 und Fokussierung 11
einer Bearbeitungsoptik mit der Laserstrahlung aus dem Lichtleitkabel zur Laserma
terialbearbeitung eingesetzt werden, oder auch nur in einem parallelen (oder annä
hernd parallelen) direkten Laserstrahl bei direkter Strahlübertragung vor die Fokus
sierlinse eingebracht werden.
Die einzelnen Komponenten des variablen optischen Keils lassen sich auch moto
risch bewegen, mit Hilfe einer geeigneten Sensorik kann so adaptiv der Laserstrahl
an die Werkstückgeometrie und verschiedene Materialien angepasst werden, so
kann z. B. der Fokusabstand an den Spalt zwischen zu verschweißenden Werkstü
cken angepasst werden.
Die Abb. 3 zeigt eine Schematische Darstellung einer derartigen Vorrichtung
zur Lasermaterialabearbeitung mit mehreren Foki auf dem Werkstück, deren Positi
on und/oder Intensität über ein Regelsystem werkstück- und nahtkonturabhängig
gesteuert werden. Ein Sensorsystem 18 gibt zur Sensorauswertung und Fokusbe
rechnung entsprechende Signale an die damit verbundenen Aktoren 16 und 17 zu
Änderung des Ablenkwinkels und der Intensitätsaufteilung. Die Aktoren 16 und 17
beeinflussen entsprechend den variablen optischen Keil 12 des Laserstrahls 15 aus
dem Lichtleitkabel 20 zwischen Kollimation 10 und Fokussierung 11, so dass im
Ergebnis ein variabler Laserfokus 21 auf das zu bearbeitende Werkstück abgebildet
werden kann.
10
Kollimation
11
Fokussierung
12
Variabler optischer Keil
13
Erstes refraktives Element/erste Zylinderlinse
14
Zweites refraktives Element/zweite Zylinderlinse
15
Laserstrahl
16
Aktor zur Änderung des Ablenkwinkels
17
Aktor zur Änderung der Intensitätsaufteilung
18
Sensorsystem
19
Sensorauswertung und Fokuspunktberechnung
20
Lichtleitkabel
21
Variabler Laserfokus
Claims (14)
1. Verfahren zur Strahlteilung eines Laserstrahles in wenigstens zwei La
serstrahlenfoki mit einer variablen optischen Anordnung, insbesondere ei
nem Linsensystem, die die Laserstrahlenfoki auf ein zu bearbeitendes Werk
stück abbildet, dadurch gekennzeichnet,
dass durch den Einsatz refraktiver Elemente (13, 14) in der variablen Anordnung (12) aus einem Einzelfokus eines Laserstrahls ein Dop pelfokus erzeugt wird, wobei Abstand und Intensität zwischen den Foki frei wählbar sind,
und dass die refraktiven Elemente in der variablen Anordnung (12) durch zwei gegeneinander verschiebbare Zylinderlinsen (13, 14) ge bildet werden, die in den Laserstrahl eingebracht werden.
dass durch den Einsatz refraktiver Elemente (13, 14) in der variablen Anordnung (12) aus einem Einzelfokus eines Laserstrahls ein Dop pelfokus erzeugt wird, wobei Abstand und Intensität zwischen den Foki frei wählbar sind,
und dass die refraktiven Elemente in der variablen Anordnung (12) durch zwei gegeneinander verschiebbare Zylinderlinsen (13, 14) ge bildet werden, die in den Laserstrahl eingebracht werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlin
sen (13, 14) etwa gleiche Krümmungsradien aufweisen, wobei die eine Linse
(13) konvex und die andere Linse (14) konkav gekrümmt ist, und dass die
eine Linse (14) auf einer Kreisbahn bewegt wird, die näherungsweise der
Krümmung der Linse (14) entspricht.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Linse (14)
gegenüber der anderen Linse (13) linear bewegt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylin
derlinsen (13, 14) so ausgeführt und angeordnet sind, dass diese ein afoka
les System bilden.
5. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die variable Anordnung (12) ganz oder teilweise in
den Laserstrahl (15) eingebracht wird.
6. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Variation der Intensität zwischen den beiden
Teilstrahlen, die jeweils einen Fokus erzeugen, durch die seitliche Verschie
bung beider Zylinderlinsen erreicht wird, wobei die Bewegungsrichtung senk
recht zur Bewegung der Einzellinsen verläuft.
7. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass eine unabhängige Verstellung der Teilstrahlen mittels
der parallelen Anordnung zweier variabler Anordnungen (12) erreicht wird.
8. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Bewegung der Foki (Intensität und Abstand) durch
Aktoren (16, 17) geregelt wird, wobei jedoch auch nur ein einzelner Fokus
bewegt werden kann.
9. Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoren
durch ein Sensorsystem angesteuert werden.
10. Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung mit wenigstens zwei Laserstrah
lenfoki, die auf das zu bearbeitende Werkstück abgebildet werden, insbe
sondere zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der variable Anordnung (12) um
ein Kombination zweier Zylinderlinsen (13, 14) handelt, wobei die eine Linse
(14) gegenüber der anderen Linse (13) bewegbar ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (14)
entweder auf einer Kreisbahn bewegbar ist, die näherungsweise der Krüm
mung der Linse (14) entspricht, oder gegenüber der anderen Linse (13) line
ar bewegbar ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die
Zylinderlinsen (13, 14) seitlich verschiebbar sind, wobei die Bewegungsrich
tung senkrecht zur Bewegung der Einzellinsen verläuft.
13. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 10 bis
12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei solcher Vorrichtungen
(12) nebeneinander in dem Strahlengang des Laserstrahls (15) angeordnet
sind.
14. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 10 bis
13, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Anordnung (12) drehbar zum
Laserstrahl (15) gestaltet ist und damit die Rotation der Foki um eine Achse
erlaubt.
Priority Applications (1)
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DE19961918A1 DE19961918A1 (de) | 2001-07-19 |
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ID=7933741
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