WO2007082568A1 - Optikeinheit und verfahren zum laser-remoteschweissen - Google Patents

Optikeinheit und verfahren zum laser-remoteschweissen Download PDF

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WO2007082568A1
WO2007082568A1 PCT/EP2006/010930 EP2006010930W WO2007082568A1 WO 2007082568 A1 WO2007082568 A1 WO 2007082568A1 EP 2006010930 W EP2006010930 W EP 2006010930W WO 2007082568 A1 WO2007082568 A1 WO 2007082568A1
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WO
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optical unit
lens
unit according
laser
distance
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Application number
PCT/EP2006/010930
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hendrik Schonefeld
Jannis Stemmann
Original Assignee
Tutech Innovation Gmbh
Technische Universität Hamburg-Harburg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tutech Innovation Gmbh, Technische Universität Hamburg-Harburg filed Critical Tutech Innovation Gmbh
Publication of WO2007082568A1 publication Critical patent/WO2007082568A1/de

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/0869—Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction
    • B23K26/0876—Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction in at least two axial directions
    • B23K26/0884—Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction in at least two axial directions in at least in three axial directions, e.g. manipulators, robots

Definitions

  • the invention relates to an optical unit and a method for laser welding, more precisely for remote laser welding.
  • the laser source used is preferably optically pumped solid-state lasers, which are available in the required power class and relatively inexpensive.
  • the most widespread are Nd: YAG lasers (neodymium: yttrium-aluminum-garnet lasers) whose beams with a wavelength of approx. 1.06 micrometers are advantageously fiber-tangent, ie can be transported with a fiber-optic cable.
  • YAG lasers neodymium: yttrium-aluminum-garnet lasers
  • beams with a wavelength of approx. 1.06 micrometers are advantageously fiber-tangent, ie can be transported with a fiber-optic cable.
  • such lasers have a relatively low beam quality, ie the product of the diameter of the beam waist and the divergence angle of the beam (beam parameter product) is relatively high and the beam therefore difficult to focus.
  • the workpiece In conventional laser welding, the workpiece is located at a small distance from the optical unit used for beam focusing (machining distance). The guiding of the laser beam over the workpieces requires large translational relative movements between the workpiece and the laser welding head.
  • Remote laser welding uses a larger machining distance and an angle of incidence of the laser beam that differs from the surface normal. As a result, the relative movements can be reduced, so that overall shorter processing times and shorter process auxiliary times can be achieved, in particular for workpieces with relatively short weld seam sections.
  • Such a method is known from DE 103 44 526 Al.
  • the laser beam is directed onto the workpiece with a lens unit attached to an industrial robot at a varying angle of incidence.
  • the machining distance is in a range of approx. 500 mm to 1,500 mm.
  • a laser source with high beam quality for example a diode-pumped fiber or disk laser is provided.
  • these laser sources are less common and expensive.
  • Another object of the invention is to provide a method for laser remote welding, which is particularly cost-effective.
  • This object is achieved by an optical unit for laser remote welding at a machining distance of more than 250 mm, wherein for a beam parameter product of the laser source of more than 16 mm mrad a convergent lens with a diameter of about 60 mm is present.
  • the invention is based on the finding that even laser sources with low beam quality can be used for laser remote welding if, instead of the optical units conventionally used for laser remote welding, whose diameter usually does not exceed two inches, uses special optical units with a much larger diameter become. Surprisingly, it was found that for lasers that could previously be used only at low processing distances, in this way, even at large processing intervals, a sufficient power density can be achieved.
  • the optical unit has a total of three lenses.
  • the aberrations can be sufficiently corrected without unnecessarily reducing the transmittance of the entire optical unit by a larger number of interfaces.
  • the first lens in the beam direction is a diverging lens
  • the last lens is the converging lens.
  • the optical unit has a first lens in the beam direction, the second surface of which is concave, a second lens whose second surface is convex, and a third lens which is bi-convex.
  • the first lens accomplishes an expansion of the beam
  • the second lens effects an approximate collimation of the beam
  • the third lens focuses on the operating point.
  • the first surface of the first lens and / or the first surface of the second lens is flat or concave.
  • the distance between the first and second lens is less than the distance between the second and third lens.
  • the optical unit can also be designed so that the distance between the first and second lens is greater than the distance between the second and the third lens. Depending on the structural conditions, both arrangements have specific advantages.
  • the diameter of at least one lens is greater than 75 mm, or greater than 95 mm. Depending on the beam quality and the required machining distance, these two dimensions prove to be particularly advantageous.
  • the optical unit is designed for a laser source with a beam product greater than 20 mm mrad or greater than 24 mm mrad.
  • the machining distance is greater than 300 mm, or greater than 400 mm. Both embodiments represent a suitable compromise between the requirements of the optical unit and the beam quality and the achievable time advantages of laser remote welding.
  • the laser radiation is coupled via an optical waveguide and the distance between the end of the optical waveguide and the first lens is between 150 mm and 280 mm.
  • the distance between the end of the optical waveguide and the first lens is between 150 mm and 280 mm.
  • a particularly advantageous embodiment of the lens system is achieved at this distance.
  • the coupling of the laser radiation via a light guide allows to place the laser source at a greater distance from the optical unit.
  • an adapter system for connecting different optical fibers to the optical unit is provided.
  • This development of the invention makes it possible to combine optical fibers from different manufacturers, which are provided with different connection systems, with the optical unit.
  • light guides with bayonet closure or optical fibers, which require precise adjustment and clamping of the fiber end, are easily connected to the optical unit.
  • an adjusting device is provided with which the optical unit or a part thereof can be displaced and fixed along the optical axis. It is provided to move either the entire optical unit or even a single lens, such as the converging lens, for focusing the laser beam.
  • the fixability is a once made adjustment easily fixed for all other operations.
  • the lenses are held in exchangeable sockets or inserts.
  • individual lenses that are damaged or dirty can be exchanged in the simplest way become. It is also envisaged to replace the entire optical unit in the event of contamination or damage.
  • a protective glass is provided between the workpiece and the optical unit. This protective glass protects the front lens of the optical unit from contamination and can be easily replaced, if necessary.
  • a cross-jet is provided between the workpiece and the optical unit.
  • the Cross-Jet below the optical unit or the protective glass creates an air curtain, which additionally protects against dusts, gases or dirt particles.
  • the optical unit in a sealed against welding gases, dusts and / or vapors housing.
  • a stylus tip and / or a laser pointer to the optical unit.
  • the probe tip is designed so that its tip is located in the focal point of the laser beam.
  • the beam of the laser pointer also intersects this point.
  • the operating point of the device is displayed in a simple manner, which is particularly helpful for so-called "teaching", ie for programming movements of the optical unit.
  • the object of the invention is also achieved by a method for laser remote welding with an optical unit and a laser source, wherein the machining distance between the optical unit and workpiece is greater than 250 mm and the beam parameter product of the laser source is greater than 16 mm mrad.
  • the invention is based on the realization that laser remote welding can also be carried out with a laser source of low beam quality and with a large working distance when a novel optical unit is realized.
  • the machining distance is greater than 300 mm or greater than 400 mm, or the beam parameter product of the laser source is greater than 20 mm mrad or greater than 24 mm mrad.
  • the workpieces to be joined are welded together along a line and the line has interruptions in sections.
  • Such a weld is called stitching.
  • the combination of the laser remote welding according to the invention with such stitching is particularly advantageous because the time advantages that can be achieved are particularly great.
  • the control for the movement of the optical unit is programmed by means of a stylus tip and / or a laser pointer.
  • 1 is a schematic cross-sectional view of the lens system and the beam path of an optical unit
  • FIG. 2 cross-sectional view of the lens system of FIG. 1 with
  • FIG. 2 holder for the optical unit of FIG. 2 for attachment to a base plate in a perspective view from the front (a) and from the rear (b),
  • FIG. 4 is a perspective view of an optical unit with housing
  • Fig. 5 cross-sectional view of the lens system and the beam path of another embodiment.
  • Fig. 1 the lens section and the associated beam path of an optical unit according to the invention is shown.
  • the object side of the optical unit is located at point 1, the end of the glass fiber, via which the processing beam is coupled.
  • the laser light emerging from the glass fiber is imaged in the focal point 2.
  • a first lens 3 Arranged in the beam path is a first lens 3, which is designed as a Zer horrungslinse. It serves to widen the beam, whereby the overall length of the optical unit can be shortened.
  • the diverging lens is designed as a bi-concave lens.
  • a second lens 4 is arranged at a greater distance from the diverging lens 3 and causes in a first approximation a collimation of the beam.
  • This second lens is concavo-convex.
  • a third converging lens 5 focuses the approximately collimated beam onto the focal point 2.
  • the diameter of the fiber exit 1 is about 0.6 mm and is shown in the focal point 2 to a diameter of about 0.55 mm.
  • the magnification is thus approximately 1: 1.
  • sufficient power density is achieved in the focal point 2.
  • the illustrated three-lens system has been optimized with a special optical program.
  • the result of this optimization calculation is shown in Table 1.
  • Each line of the table characterizes an optical surface of the lens system. In the columns of the table is for each optical Surface the curvature, thickness, if necessary. The glass type and half the diameter of the beam specified.
  • the first line is the object, the output of the glass fiber, with a half diameter of 0.3 mm.
  • a second optical surface in the third line which represents the interface with the diverging lens.
  • This first interface has a curvature of -1,187.62 mm, which corresponds to a slightly concave surface.
  • the thickness of the lens is 4 mm, the glass type is N-SK2.
  • Half the diameter of the beam at this interface is 20.4 mm.
  • the further lines indicate the corresponding properties of the remaining optical surfaces of the three-lens system.
  • the pixel 2 has a half diameter of 0.273 mm, and a distance of 475 mm to the rear interface of the last lens 5. Thus, a sufficiently large working distance for the laser remote welding is realized.
  • An adjusting device is designed as a screw 9. With the help of this helix, by rotating the outer ring 10, the position of the diverging lens 3 along the optical axis can be shifted by approximately +/- 3 mm. The adjusted position of the diverging lens 3 can be fixed by a to be introduced into the threaded hole 1 1 clamping screw.
  • a precisely manufactured support surface 12 and a mating surface 13 is provided for inserting the lens system in a holder.
  • Figure 3 shows a holder with which the lens system of Figure 2 is attached to a base plate.
  • the precisely manufactured contact surface 20 and the mating surface 21 ensure a precise alignment with respect to the optical axis of the lens system.
  • the lens system is further secured by a cylindrical pin which is inserted into the bore 23, and by a screw through the holes 22.
  • the bracket is fixed by means of two threaded holes 24 and two bores 25 for cylindrical pins exactly aligned on a base plate.
  • This base plate 26 is shown in FIG. Due to the compact design of the lens system, a dimension of the base plate of 325 mm in length and 195 mm in width is sufficient.
  • the base plate is made of the aluminum alloy Fortal 5083. Fortal 5083 is characterized by a high dimensional accuracy.
  • housing cover 27 which is also made of aluminum, creates a sealed on all sides housing.
  • the housing cover 27 is fastened to the base plate 26 with the aid of quick-release fasteners 28 with clamping hooks. It can therefore be easily removed for maintenance.
  • a protective glass 30 is arranged, which protects the optical unit from contamination.
  • This purpose is also served by the Cross-Jet 31, which is operated with compressed air at a pressure of 6 bar and generates a transverse to the jet direction running air flow at high speed.
  • the cross-jet 31 is attached to the housing cover 27 by means of a holder 32.
  • a Tastspitze 33 by means of a thumbscrew is attached.
  • the probe tip is aligned so that the tip is located in the focal point of the optical unit.
  • the laser pointer 34 which is fastened to the base plate 26 via the holder 35. Tastspitze 33 and / or laser pointer 34 allow easy programming of movements of the optical unit.
  • the adapter 36 For connecting a glass fiber for coupling the laser beam, the adapter 36, in which the glass fiber is inserted and fixed by means of the clamping ring 37, which has a threaded bore and a clamping screw is used.
  • the adapter 36 is designed so that the intended distance of 203 mm between the end of the glass fiber and the diverging lens is exactly maintained and the exit point of the glass fiber is exactly on the optical axis.
  • the entire optical unit is attached via six holes 38 in the base plate 26, as well as two further holes 39 for receiving cylindrical pins on the flange of a robot arm.
  • FIG. 5 shows the lens section of a further embodiment of an optical unit according to the invention.
  • the same reference numerals as in FIG. 1 are used.
  • the essential difference from the embodiment according to FIG. 1 is that the second lens 4 is arranged relatively close to the diverging lens 3.
  • the distance between the second lens 4 and the third lens 5 is thereby substantially larger than the distance between the diverging lens 3 and the second lens 4.
  • Table 2 it has also been possible in this embodiment to focus the object-side half beam diameter of 0.3 mm on a sufficiently small point 2 with a diameter of about 0.62 mm. In this embodiment, this effect is achieved with a slightly smaller converging lens 5, which has an optically effective diameter of about 97.7 mm.

Abstract

Optikeinheit zum Laser-Remoteschweißen bei einem Bearbeitungsabstand von mehr als 250 mm, wobei für ein Strahlparameterprodukt der Laserquelle von mehr als 16 mm mrad eine Sammellinse mit einem Durchmesser von über 60 mm vorhanden ist.

Description

Optikeinheit und Verfahren zum Laser-Remoteschweißen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Optikeinheit und ein Verfahren zum Laserschweißen, genauer zum Remote-Laserschweißen.
Beim konventionellen Laserschweißen werden zwei Werkstücke, z.B. zwei Bleche im Karosseriebau, durch Zufuhr von Energie mit Hilfe eines Lasers miteinander verschweißt. Um die Werkstücke in kurzer Zeit aufschmelzen zu können, sind dabei sehr hohe Strahlintensitäten erforderlich. Zum Erreichen dieser hohen Intensitäten wird der Strahl einer leistungsstarken Laserquelle auf eine kleine Fläche fokussiert. Typische Strahldurchmesser im Arbeitspunkt betragen z.B. 500 - 600 Mikrometer. Mit Laserquellen einer Leistung von einigen Kilowatt kann so die erforderliche Intensität, typischerweise z.B. 2 Megawatt pro cm2, erreicht werden.
Als Laserquelle werden bevorzugt optisch gepumpte Festkörperlaser verwendet, die in der erforderlichen Leistungsklasse verfügbar und relativ kostengünstig sind. Die größte Verbreitung haben Nd:YAG-Laser (Neodym: Yttrium-Aluminium-Granat-Laser), deren Strahlen mit einer Wellenlänge von ca. 1,06 Mikrometern vorteilhafterweise fasergängig sind, d.h. mit einem Glasfaserkabel transportiert werden können. Derartige Laser weisen jedoch eine relativ niedrige Strahl qualität auf, d.h. das Produkt aus dem Durchmesser der Strahltaille und dem Divergenzwinkel des Strahls (Strahlparameterprodukt) ist relativ hoch und der Strahl daher schlecht fokussierbar.
Beim konventionellen Laserschweißen befindet sich das Werkstück in einem geringen Abstand von der für die Strahlfokussierung verwendeten Optikeinheit (Bearbeitungsabstand). Das Führen des Laserstrahls über die Werkstücke erfordert große translatorische Relativbewegungen zwischen dem Werkstück und dem Laser-Schweißkopf.
Beim Remote-Laserschweißen wird mit einem größeren Bearbeitungsabstand und einem von der Flächennormalen abweichenden Einstrahlwinkel des Laserstrahls gearbeitet. Dadurch können die Relativbewegungen verringert werden, sodass insgesamt kürzere Bearbeitungszeiten und kürzere Prozeßnebenzeiten erreicht werden können, insbesondere bei Werkstücken mit relativ kurzen Schweißnahtabschnitten.
Ein derartiges Verfahren ist aus DE 103 44 526 Al bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird der Laserstrahl mit einer an einem Industrieroboter befestigten Optikeinheit unter einem variierenden Einstrahlwinkel auf das Werkstück gerichtet. Der Bearbeitungsabstand liegt in einem Bereich von ca. 500 mm bis 1.500 mm. Um derart große Bearbeitungs- abstände zu ermöglichen, ist eine Laserquelle mit hoher Strahlqualität, beispielsweise ein diodengepumpter Faser- oder Scheibenlaser vorgesehen. Diese Laserquellen sind jedoch wenig verbreitet und teuer. Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, das Laser-Remoteschweißen mit Laserquellen niedriger Strahlqualität zu ermöglichen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Laser-Remoteschweißen anzugeben, das besonders kostengünstig ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Optikeinheit zum Laser-Remoteschweißen bei einem Bearbeitungsabstand von mehr als 250 mm, wobei für ein Strahlparameterprodukt der Laserquelle von mehr als 16 mm mrad eine Sammellinse mit einem Durchmesser von über 60 mm vorhanden ist.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass auch Laserquellen mit niedriger Strahlqualität für das Laser-Remoteschweißen herangezogen werden können, wenn statt der für das Laser-Remoteschweißen herkömmlich eingesetzten Optikeinheiten, deren Durchmesser üblicherweise zwei Zoll nicht übersteigt, spezielle Optikeinheiten mit einem wesentlich größeren Durchmesser verwendet werden. Überraschend wurde festgestellt, dass für Laser, die bisher lediglich bei geringen Bearbeitungsabständen eingesetzt werden konnten, auf diese Weise auch bei großen Bearbeitungsabständen eine ausreichende Leistungsdichte erzielt werden kann.
Für die Fokussierung des Laserstrahls ist dafür insbesondere eine Sammellinse vorzusehen, deren Durchmesser so groß ist, dass auch ein Laserstrahl geringer Strahlqualität unter Verwendung eines großen Konvergenzwinkels auf einen kleinen Bereich fokussiert werden kann. Gemäß einer Ausgestaltung weist die Optikeinheit insgesamt drei Linsen auf. Bei einer drei Linsen umfassenden Konstruktion können die Abbildungsfehler hinreichend korrigiert werden, ohne die Durchlässigkeit der gesamten Optikeinheit durch eine größere Anzahl von Grenzflächen unnötig zu reduzieren.
Gemäß einer Ausgestaltung ist die in Strahlrichtung erste Linse eine Zerstreuungslinse, während die letzte Linse die Sammellinse ist. Durch die Verwendung einer Zerstreuungslinse gelingt es, die Baugröße der gesamten Optikeinheit durch Verringern des Abstands zwischen Einkopplung der Laserquelle und der Sammellinse zu verringern, was einer kompakten und leichten, d.h. im Betrieb mit geringeren Trägheitskräften belasteten Konstruktion zugute kommt.
Gemäß einer Ausgestaltung weist die Optikeinheit eine in Strahlrichtung erste Linse auf, deren zweite Fläche konkav ist, eine zweite Linse, deren zweite Fläche konvex ist, und eine dritte Linse, die bi-konvex ist. Bei dieser speziellen Anordnung bewerkstelligt die erste Linse eine Aufweitung des Strahlbündels, die zweite Linse eine näherungsweise Kollimation des Strahlenbündels und die dritte Linse eine Fokussierung auf den Arbeitspunkt.
Gemäß weiteren Ausgestaltungen ist die erste Fläche der ersten Linse und/oder die erste Fläche der zweiten Linse plan oder konkav. Gemäß einer Ausgestaltung ist der Abstand zwischen der ersten und zweiten Linse geringer, als der Abstand zwischen der zweiten und dritten Linse. Alternativ kann die Optikeinheit auch so ausgelegt werden, dass der Abstand zwischen der ersten und zweiten Linse größer ist als der Abstand zwischen der zweiten und der dritten Linse. Abhängig von den konstruktiven Rahmenbedingungen weisen beide Anordnungen spezifische Vorteile auf.
Gemäß einer Ausgestaltung ist der Durchmesser mindestens einer Linse größer als 75 mm, oder größer als 95 mm. In Abhängigkeit von Strahlqualität und gefordertem Bearbeitungsabstand erweisen sich diese beiden Dimensionierungen als besonders vorteilhaft.
Gemäß weiteren Ausgestaltungen ist die Optikeinheit für eine Laserquelle mit einem Strahlprodukt größer als 20 mm mrad bzw. größer als 24 mm mrad ausgelegt. Diesen Weiterbildungen der Optikeinheit liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Optikeinheit durch spezielle Konstruktion an die jeweils vorgegebenen Strahl qualitäten angepaßt werden kann.
Gemäß weiteren Ausgestaltungen ist der Bearbeitungsabstand größer als 300 mm, bzw. größer als 400 mm. Beide Ausgestaltungen stellen einen geeigneten Kompromiß zwischen den Anforderungen an die Optikeinheit und die Strahlqualität und den erreichbaren Zeitvorteilen des Laser-Remoteschweißens dar.
Gemäß einer Ausgestaltung wird die Laserstrahlung über einen Lichtleiter eingekoppelt und der Abstand zwischen dem Ende des Lichtleiters und der ersten Linse beträgt zwischen 150 mm und 280 mm. Abhängig von der Strahlqualität und den Eigenschaften des Lichtleiters wird bei diesem Abstand eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Linsensystems erreicht. Außerdem erlaubt die Einkopplung der Laserstrahlung über einen Lichtleiter, die Laserquelle in einem größeren Abstand von der Optikeinheit zu plazieren.
Gemäß einer Ausgestaltung ist ein Adaptersystem zum Anschluß unterschiedlicher Lichtleiter an die Optikeinheit vorgesehen. Diese Weiterbildung der Erfindung ermöglicht, Lichtleiter unterschiedlicher Hersteller, die mit unterschiedlichen Anschlußsystemen versehen sind, mit der Optikeinheit zu kombinieren. So können beispielsweise Lichtleiter mit Bajonettverschluß oder Lichtleiter, die eine genaue Justierung und Klemmung des Faserendes erfordern, ohne weiteres an die Optikeinheit angeschlossen werden.
Gemäß einer Ausgestaltung ist eine Justiervorrichtung vorhanden, mit der die Optikeinheit oder ein Teil davon entlang der optischen Achse verschiebbar und fixierbar ist. Dabei ist vorgesehen, entweder die gesamte Optikeinheit oder auch nur eine einzelne Linse, beispielsweise die Sammellinse, zur Fokussierung des Laserstrahls zu verschieben. Durch die Fixierbarkeit wird eine einmalig vorgenommene Justage auf einfache Weise für alle weiteren Arbeitsvorgänge fixiert.
Gemäß einer Ausgestaltung sind die Linsen in auswechselbaren Fassungen oder Einschüben gehalten. Dadurch können auch einzelne Linsen, die beschädigt oder verschmutzt sind, auf einfachste Weise ausgetauscht werden. Ebenso vorgesehen ist, die gesamte Optikeinheit im Falle einer Verschmutzung oder Beschädigung auszuwechseln.
Gemäß einer Ausgestaltung ist zwischen Werkstück und Optikeinheit ein Schutzglas vorgesehen. Dieses Schutzglas schützt die vorderste Linse der Optikeinheit vor Verschmutzung und kann ggfs. leicht ausgetauscht werden.
Gemäß einer Ausgestaltung ist zwischen Werkstück und Optikeinheit ein Cross-Jet vorgesehen. Mittels Druckluft erzeugt der Cross-Jet unterhalb der Optikeinheit bzw. des Schutzglases einen Luftvorhang, der zusätzlich vor Stäuben, Gasen oder Schmutzpartikeln schützt.
Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, die Optikeinheit in einem gegen Schweißgase, -Stäube und/oder -Dämpfe abgedichteten Gehäuse anzuordnen. Durch diese Anordnung wird die Optikeinheit auf einfache Weise wirksam geschützt.
Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, an der Optikeinheit eine Tastspitze und/oder einen Laserpointer anzubringen. Die Tastspitze ist dabei so ausgeführt, dass ihre Spitze im Brennpunkt des Laserstrahls liegt. Der Strahl des Laserpointers schneidet diesen Punkt ebenfalls. Dadurch wird der Arbeitspunkt der Vorrichtung auf einfache Weise dargestellt, was insbesondere zum sog. „Teachen", d.h. zum Programmieren von Bewegungsabläufen der Optikeinheit, hilfreich ist. Die Aufgabe der Erfindung wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zum Laser-Remoteschweißen mit einer Optikeinheit und einer Laserquelle, wobei der Bearbeitungsabstand zwischen Optikeinheit und Werkstück größer als 250 mm ist und das Strahlparameterprodukt der Laserquelle größer ist als 16 mm mrad.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntis, dass das Laser-Remoteschweißen auch mit einer Laserquelle geringer Strahlqualität und bei großem Arbeitsabstand durchgeführt werden kann, wenn eine neuartige Optikeinheit verwirklicht wird.
Gemäß weiteren Ausgestaltungen des Verfahrens ist der Bearbeitungsabstand größer als 300 mm bzw. größer als 400 mm, oder das Strahlparameterprodukt der Laserquelle ist größer als 20 mm mrad oder größer als 24 mm mrad. Diese Ausgestaltungen geben Parameterbereiche an, in denen das erfindungsgemäße Verfahren in Verbindung mit einer entsprechenden Optikeinheit vorteilhaft ausgeführt werden kann.
Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens werden die zu verbindenden Werkstücke entlang einer Linie miteinander verschweißt und die Linie weist abschnittsweise Unterbrechungen auf. Eine derartige Schweißnaht wird als Steppnaht bezeichnet. Die Kombination des erfindungsgemäßen Laser- Remoteschweißens mit derartigen Steppnähten ist besonders vorteilhaft, weil die erreichbaren Zeitvorteile besonders groß sind. Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Steuerung für die Bewegung der Optikeinheit mit Hilfe einer Tastspitze und/oder eines Laserpointers programmiert.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 schematische Querschnittsdarstellung des Linsensystems und des Strahlengangs einer Optikeinheit,
Fig. 2 Querschnittsdarstellung des Linsensystems aus Fig. 1 mit
Fassung,
Fig. 3 Halterung für die Optikeinheit aus Fig. 2 zur Befestigung an einer Grundplatte in einer perspektivischen Ansicht von vorn (a) und von hinten (b),
Fig. 4 perspektivische Ansicht einer Optikeinheit mit Gehäuse,
Fig. 5 Querschnittsdarstellung des Linsensystems und des Strahlengangs einer weiteren Ausführungsform.
In Fig. 1 ist der Linsenschnitt und der zugehörige Strahlengang einer erfindungsgemäßen Optikeinheit dargestellt. Auf der in der Figur links darge- stellten Objektseite der Optikeinheit befindet sich bei Punkt 1 das Ende der Glasfaser, über die der Bearbeitungsstrahl eingekoppelt wird. Das aus der Glasfaser austretende Laserlicht wird im Fokuspunkt 2 abgebildet.
Im Strahlengang angeordnet ist eine erste Linse 3, die als Zersteuerungslinse ausgeführt ist. Sie dient einer Aufweitung des Strahlenbündels, wodurch die Baulänge der Optikeinheit verkürzt werden kann. Die Zerstreuungslinse ist als bi-konkave Linse ausgeführt.
Eine zweite Linse 4 ist in größerem Abstand von der Zerstreuungslinse 3 angeordnet und bewirkt in erster Näherung eine Kollimation des Strahlenbündels. Diese zweite Linse ist konkav-konvex.
Eine dritte Sammellinse 5 fokussiert das näherungsweise kollimierte Strahlenbündel auf den Fokuspunkt 2.
Der Durchmesser des Faserausgangs 1 beträgt ca. 0,6 mm und wird im Fokuspunkt 2 auf einen Durchmesser von ca. 0,55 mm abgebildet. Der Abbildungsmaßstab beträgt also näherungsweise 1 : 1. Dadurch wird im Fokuspunkt 2 eine ausreichende Leistungsdichte erzielt.
Das dargestellte Drei-Linsen-System wurde mit einem speziellen Optikprogramm optimiert. Das Ergebnis dieser Optimierungsrechnung ist in Tabelle 1 dargestellt. Jede Zeile der Tabelle charakterisiert eine optische Fläche des Linsensystems. In den Spalten der Tabelle ist für jede optische Fläche die Krümmung, Dicke, ggfs. die Glassorte und der halbe Durchmesser des Strahlenbündels angegeben.
In der ersten Zeile findet sich das Objekt, der Ausgang der Glasfaser, mit einem halben Durchmesser von 0,3 mm. In einem Abstand von insgesamt 203 mm findet sich in der dritten Zeile eine zweite optische Fläche, die die Grenzfläche zu der Zerstreuungslinse darstellt. Diese erste Grenzfläche hat eine Krümmung von — 1.187,62 mm, was einer geringfügig konkaven Fläche entspricht. Die Dicke der Linse beträgt 4 mm, die Glassorte ist N-SK2. Der halbe Durchmesser des Strahlenbündels an dieser Grenzfläche beträgt 20,4 mm.
Die weiteren Zeilen geben die entsprechenden Eigenschaften der übrigen optischen Flächen des Drei-Linsen-Systems an.
Es ist zu erkennen, dass der Bildpunkt 2 einen halben Durchmesser von 0,273 mm aufweist, sowie einen Abstand von 475 mm zur hinteren Grenzfläche der letzten Linse 5. Es ist also ein ausreichend großer Arbeitsabstand für das Laser-Remoteschweißen verwirklicht.
Ermöglicht wird dieser große Bearbeitungsabstand in Verbindung mit der relativ niedrigen Strahlqualität der Laserquelle durch die großen Durchmesser der Linsen 4 und 5. So beträgt der größte optisch wirksame Durchmesser der Linse 5 107,4 mm. In Figur 2 ist der konstruktive Aufbau des Linsensystems im Querschnitt dargestellt. Die Anordnung der Linsen 3, 4 und 5 entspricht derjenigen aus Fig. 1. Ein konischer Tubus 6 aus Aluminium verbindet die Fassung 7 der Zerstreuungslinse 3 mit der Fassung 8 der Linsen 4 und 5. Die Linsenfassungen sowie der konische Tubus 6 sind aus Aluminium gefertigt.
Eine Justiervorrichtung ist als Schneckengang 9 ausgeführt. Mit Hilfe dieses Schneckengangs kann durch Drehen des äußeren Rings 10 die Position der Zerstreuungslinse 3 entlang der optischen Achse um ca. +/- 3 mm verschoben werden. Die justierte Position der Zerstreuungslinse 3 kann durch eine in die Gewindebohrung 1 1 einzubringende Klemmschraube fixiert werden. Zur Montage des dargestellten Linsensystems ist eine präzise gefertigte Auflagefläche 12 sowie eine Paßfläche 13 zum Einsetzen des Linsensystems in eine Halterung vorgesehen. Zur verdreh- und versatzsicheren Fixierung in diese Halterung dienen die Gewindebohrungen 14.
Figur 3 zeigt eine Halterung, mit der das Linsensystem aus Figur 2 an einer Grundplatte befestigt wird. Die paßgenau gefertigte Anlagefläche 20 und die Paßfläche 21 stellen eine in Bezug auf die optische Achse präzise Ausrichtung des Linsensystems sicher. Gegen Verdrehen wird das Linsensystem weiter durch einen Zylinderstift, der in die Bohrung 23 eingebracht wird, sowie durch eine Verschraubung durch die Bohrungen 22 gesichert.
Die Halterung wird mit Hilfe von zwei Gewindebohrungen 24 und zwei Bohrungen 25 für Zylinderstifte exakt ausgerichtet auf einer Grundplatte befestigt. Diese Grundplatte 26 ist in Figur 4 dargestellt. Durch die kompakte Bauform des Linsensystems ist eine Abmessung der Grundplatte von 325 mm in der Länge und 195 mm in der Breite ausreichend. Die Grundplatte ist aus der Aluminiumlegierung Fortal 5083 gefertigt. Fortal 5083 zeichnet sich durch eine hohe Maßgenauigkeit aus.
Durch die Gehäuseabdeckung 27, die ebenfalls aus Aluminium gefertigt ist, entsteht ein allseitig dicht verschlossenes Gehäuse. Die Gehäuseabdeckung 27 ist mit Hilfe von Schnellverschlüssen 28 mit Spannhaken an der Grundplatte 26 befestigt. Sie läßt sich daher für Wartungsarbeiten leicht abnehmen.
Bei 29 sind Bohrungen für Schrauben und Zylinderstifte zur Montage der Optikhalterung aus Figur 3 gezeigt.
Zwischen Optikeinheit und Werkstück ist ein Schutzglas 30 angeordnet, welches die Optikeinheit vor Verschmutzung schützt. Diesem Zweck dient auch der Cross-Jet 31, der mit Druckluft mit einem Druck von 6 Bar betrieben wird und einen quer zur Strahlrichtung verlaufenden Luftstrom mit hoher Geschwindigkeit erzeugt. Der Cross-Jet 31 ist mit Hilfe einer Halte- rung 32 an der Gehäuseabdeckung 27 befestigt. An dieser Halterung 33 ist auch eine Tastspitze 33 mit Hilfe einer Rändelschraube anbringbar. Die Tastspitze ist dabei so ausgerichtet, dass die Spitze im Fokuspunkt der Optikeinheit angeordnet ist. Ebenfalls auf diesen Fokuspunkt ausgerichtet ist der Laserpointer 34, der über die Halterung 35 an der Grundplatte 26 befestigt ist. Tastspitze 33 und/oder Laserpointer 34 erlauben eine einfache Programmierung von Bewegungsabläufen der Optikeinheit.
Zum Anschluß einer Glasfaser zur Einkopplung des Laserstrahls dient der Adapter 36, in den die Glasfaser eingeschoben und mit Hilfe des Klemmrings 37, der eine Gewindebohrung und eine Klemmschraube aufweist, fixiert wird. Der Adapter 36 ist dabei so ausgeführt, dass der vorgesehene Abstand von 203 mm zwischen dem Ende der Glasfaser und der Zerstreuungslinse exakt eingehalten wird und der Austrittspunkt der Glasfaser genau auf der optischen Achse liegt.
Die gesamte Optikeinheit wird über sechs Bohrungen 38 in der Grundplatte 26, sowie über zwei weitere Bohrungen 39 zur Aufnahme von Zylinderstiften, am Flansch eines Roboterarms befestigt.
Figur 5 zeigt den Linsenschnitt einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Optikeinheit. Es werden dieselben Bezugszeichen wie in Figur 1 verwendet. Der wesentliche Unterschied zur Ausführung nach Figur 1 besteht darin, dass die zweite Linse 4 relativ nahe an der Zerstreuungslinse 3 angeordnet ist. Der Abstand zwischen der zweiten Linse 4 und der dritten Linse 5 ist dadurch wesentlich größer als der Abstand zwischen der Zerstreuungslinse 3 und der zweiten Linse 4. Wie in Tabelle 2 ersichtlich, ist es auch bei dieser Ausführung gelungen, den objektseitigen halben Strahldurchmesser von 0,3 mm auf einen ausreichend kleinen Punkt 2 mit einem Durchmesser von ca. 0,62 mm zu fokussieren. Bei dieser Ausführungsform wird dieser Effekt mit einer geringfügig kleineren Sammellinse 5, die einen optisch wirksamen Durchmesser von ca. 97,7 mm aufweist, erreicht.
Weitere Einzelheiten des Designs dieses Linsensystems sind der Tabelle 2 zu entnehmen.
930
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Tabelle 1
Figure imgf000017_0001
Tabelle 2
Figure imgf000018_0001

Claims

A n s p r ü c h e:
1. Optikeinheit zum Laser-Remoteschweißen bei einem Bearbeitungsabstand von mehr als 250 mm, dadurch gekennzeichnet, dass für ein Strahlparameterprodukt der Laserquelle von mehr als 16 mm mrad eine Sammellinse (5) mit einem Durchmesser von über 60 mm vorhanden ist.
2. Optikeinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass insgesamt drei Linsen vorgesehen sind.
3. Optikeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in Strahlrichtung erste Linse eine Zerstreuungslinse (3), die letzte Linse die Sammellinse (5) ist.
4. Optikeinheit nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in Strahlrichtung zweite Fläche der ersten Linse (3) konkav, die zweite Fläche der zweiten Linse (4) konvex, die dritte Linse (5) bi-konvex ist.
5. Optikeinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in Strahlrichtung erste Fläche der ersten Linse (3) plan oder konkav ist.
6. Optikeinheit nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in Strahlrichtung erste Fläche der zweiten Linse (4) plan oder konkav ist.
7. Optikeinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der ersten Linse (3) und zweiten Linse (4) geringer ist als der Abstand zwischen der zweiten Linse (4) und dritten Linse (5).
8. Optikeinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der ersten Linse (3) und zweiten Linse (4) größer ist als der Abstand zwischen der zweiten Linse (4) und dritten Linse (5).
9. Optikeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser mindestens einer Linse größer ist als 75 mm.
10. Optikeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser mindestens einer Linse größer ist als 95 mm.
11. Optikeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Optikeinheit für eine Laserquelle mit einem Strahlparameterprodukt größer als 20 mm mrad ausgelegt ist.
12. Optikeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Optikeinheit für eine Laserquelle mit einem Strahlparameterprodukt größer als 24 mm mrad ausgelegt ist.
13. Optikeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsabstand größer ist als 300 mm.
14. Optikeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsabstand größer ist als 400 mm.
15. Optikeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung über einen Lichtleiter eingekoppelt wird und der Abstand zwischen dem Ende des Lichtleiters und der ersten Linse zwischen 150 mm und 280 mm beträgt.
16. Optikeinheit nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Adaptersystem zum Anschluß unterschiedlicher Lichtleiter vorhanden ist.
17. Optikeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Justiervorrichtung vorhanden ist, mit der die Optikeinheit oder ein Teil davon entlang der optischen Achse verschiebbar und fixierbar ist.
18. Optikeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen in auswechselbaren Fassungen oder Einschüben gehalten sind.
19. Optikeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Werkstück und Optikeinheit ein Schutzglas (30) vorgesehen ist.
20. Optikeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Werkstück und Optikeinheit ein Cross-Jet (31) vorgesehen ist.
21. Optikeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Optikeinheit in einem gegen Schweißgase, -stäube und/oder -dämpfe abgedichteten Gehäuse angeordnet ist.
22. Optikeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass an der Optikeinheit eine Tastspitze (33) und/oder ein Laserpointer (34) anbringbar ist.
23. Verfahren zum Laser-Remoteschweißen mit einer Optikeinheit und einer Laserquelle, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsabstand zwischen Optikeinheit und Werkstück größer als 250 mm ist und das Strahlparameterprodukt der Laserquelle größer ist als 16 mm mrad.
24. Verfahren gemäß Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsabstand größer als 300 mm ist.
25. Verfahren gemäß Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsabstand größer als 400 mm ist.
26. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlparameterprodukt der Laserquelle größer ist als 20 mm mrad.
27. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlparameterprodukt der Laserquelle größer ist als 24 mm mrad.
28. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verbindenden Werkstücke entlang einer Linie miteinander verschweißt werden und die Linie abschnittsweise Unterbrechungen aufweist.
29. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung für die Bewegung der Optikeinheit mit Hilfe einer Tastspitze (33) und/oder eines Laserpointers (34) programmiert wird.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass als Laserquelle ein optisch gepumpter Festkörperlaser vorgesehen ist.
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