WO2023208625A1 - Laserbearbeitungskopf und verfahren zum bearbeiten eines werkstücks - Google Patents

Laserbearbeitungskopf und verfahren zum bearbeiten eines werkstücks Download PDF

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WO2023208625A1
WO2023208625A1 PCT/EP2023/059894 EP2023059894W WO2023208625A1 WO 2023208625 A1 WO2023208625 A1 WO 2023208625A1 EP 2023059894 W EP2023059894 W EP 2023059894W WO 2023208625 A1 WO2023208625 A1 WO 2023208625A1
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laser beam
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laser processing
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Wolfgang Andreasch
Maximilian Merk
Martin Johannes Geiger
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TRUMPF Werkzeugmaschinen SE + Co. KG
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    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B23K26/24—Seam welding

Definitions

  • the invention relates to a laser processing head and a method for processing a workpiece according to the preamble of the independent claims.
  • the laser processing machines include a laser source for providing laser power, in particular for cutting or welding workpieces.
  • the laser processing head usually includes various components and optics with which a controlled laser beam is specifically fed to processing positions on the workpiece.
  • Controlled deflection optics in the laser processing head are known, which can be quickly tilted or pivoted and deflect the processing laser beam into two vertical axes, so that any two-dimensional cutting geometries or welding geometries can be achieved on the workpiece.
  • Sensor devices on the laser processing head are also known, which record the machined geometries on the workpiece for quality control and for other functions, such as regulating the processing process.
  • An object of the invention is to provide a laser processing head and a method for processing a workpiece, with which a variety of processing options for workpieces are achieved.
  • a laser processing head for processing a workpiece using a laser beam, comprising at least one scanning device for deflecting the laser beam and at least one collimator for collimating the laser beam, the at least one collimator operating along the direction of propagation of the laser beam is movable, which means that a diameter D of the laser beam striking the workpiece can be changed.
  • a laser processing head comprising at least one scanning device for deflecting the laser beam and at least one collimator for collimating the laser beam;
  • a spot diameter can be reduced from an initial diameter to an intended machining diameter.
  • a power of the laser beam can be increased from an initial power to a processing power intended for processing the workpiece.
  • the spot diameter is increased from the machining diameter intended for machining the workpiece to a predetermined extension diameter.
  • the power of the laser beam intended for processing the workpiece can be reduced from the processing power to an intended extension power.
  • the at least one scanning device has a first scanner mirror for scanning the laser beam in a first direction on the workpiece and a second scanner mirror for scanning the laser beam in a second direction on the workpiece.
  • scanning using the scanning device means the controlled and targeted deflection or deflection of the laser beam from the incoming laser beam path.
  • Under the Scanning device is here understood to mean, in particular, any apparatus that is designed to deflect the laser beam in a controlled manner.
  • the processing laser beam can be applied to any variable positions on the workpiece.
  • the collimator includes a convex lens system or lens.
  • Lens systems are particularly easy to design and at the same time are able to effectively shape the laser beam.
  • the convex lens system includes at least one convex lens, optionally also other optical lenses.
  • the laser processing head comprises at least one deflection mirror in the direction of propagation of the laser beam behind the scanning device, at least one lens for focusing the laser beam on the workpiece and a sensor system for detecting radiation from the processed workpiece.
  • the deflecting mirror deflects the laser beam deflected by the scanning device in the laser processing head in the direction of the workpiece, for example in a vertical direction.
  • the lens focuses the laser beam from the deflection mirror in a suitable manner onto the workpiece, preferably into a focal plane which lies on the workpiece in a machining position.
  • the sensor system detects the radiation, process radiation that occurs when machining the workpiece or other radiation and provides data regarding the machining process on the workpiece, such as the weld depth, the seam position of the weld or the seam geometry.
  • the sensor system is advantageously used to monitor the laser processing by the laser processing head and the sensor system also supplies data for controlling and regulating the laser processing.
  • the sensor system can include a camera and/or an interferometer.
  • the camera preferably records the process radiation or the process light that is created when the laser beam interacts with the material of the workpiece.
  • the interferometer preferably detects radiation that is emitted by the interferometer itself and reflected by the workpiece.
  • a beam splitter is provided, which absorbs the radiation from the sensor system Laser beam passes through to the workpiece and deflects the radiation from the workpiece to the sensor system.
  • the laser processing head has a rotatable process nozzle which supplies a process medium for adapting the process nozzle to a direction of movement of the laser beam along the workpiece.
  • a laser source delivers variable laser power to the laser processing head via a laser light cable.
  • the laser source usually generates the laser beam, which is directed through the laser light cable to the laser processing head.
  • the laser power at the laser source is changed in a controlled manner so that the laser beam has different intensities and the workpiece is exposed to correspondingly different energies, which influence the processing result.
  • intensity distributions of the laser radiation can be specifically adjusted by the beam movement of the laser beam in combination with the diameter D controlled by the movable collimator on the workpiece.
  • FIG. 1 shows a schematic perspective view of a laser processing head with a scanning device, a laser source connected via a laser light cable and a control device according to an example of the invention
  • 2 shows a schematic side view of a laser processing head with a path of a laser beam to a workpiece according to an example of the invention
  • 3 shows various top views of geometries of spots of a laser beam, which are designed with a laser processing head according to an example of the invention.
  • Fig. 1 shows a schematic perspective external view of a laser processing head 10 according to an example of the invention.
  • the laser processing head 10 is an essential component of a laser processing machine and is controlled by robots.
  • the laser processing head 10 includes a coupler 17, which is connected to a light guide cable 16 for coupling laser power from a laser source 15 into the laser processing head 10.
  • the laser source 15 can be designed differently, for example as a solid-state laser source, and generates a laser beam 12.
  • the laser processing head 10 and the laser source 15 are connected to at least one control device 50 for signaling purposes.
  • the laser processing head 10 includes a scanning device 22, which includes various optics for two-dimensional deflection of the laser beam 12 in the laser processing head 10, ie for simultaneous controlled deflection of the laser beam in two spatial directions.
  • the laser processing head 10 further comprises a housing 36 connected to the scanning device 22, in which further optical elements are mounted.
  • the scanning device 22 can also be integrated in the housing 36.
  • the laser beam 12 is guided into the housing 36 of the laser processing head 10 and deflected to an outlet opening 48.
  • the laser beam 12 leaves the laser processing head 10 during operation at the exit opening 48.
  • the laser processing head 10 includes a sensor system 40 which is connected to the scanning device 22.
  • the sensor system 40 includes a camera and/or an interferometer for detecting signals from a workpiece 14 to be processed.
  • the camera detects process radiation from the workpiece 14, which is fed to the camera by the laser processing head 10.
  • the camera has narrow-band illumination for wavelength-selective and therefore independent of the process radiation or process lights because it can be easily filtered.
  • the interferometer which is alternatively or additionally comprised by the sensor system 40, usually sends a low-power laser beam through the laser processing head 10, which is reflected on the workpiece 14, reflected back to the interferometer by the laser processing head 10 and interferes with a reference beam.
  • the low power laser beam may be aligned coaxially with the laser beam 12 from the laser source 15.
  • the sensor system 40 can include a line laser.
  • the distance between the laser processing head 10 and the workpiece 14 is determined together with the camera according to the triangulation principle.
  • data relating to the machining process is determined, transmitted to the control device 50 and further processed.
  • This data includes, for example, data on the weld seam, the weld depth and/or the weld geometry.
  • Fig. 2 shows a schematic side view of components of the laser processing head 10 to further explain how it works.
  • the coupler 17 for connecting and coupling the laser beam 12 is not shown in FIG. 2.
  • the collimator 30 is a convex lens, which provides an almost parallel beam path of the laser beam 12 at the exit of the lens, in FIG. 2 below the collimator 30, in the direction of the path of the laser beam 12; the beam path or the propagation of the laser beam 12 is changed from divergent to parallel to convergent.
  • the collimator 30 can include additional lenses, such as a convex lens system consisting of several convex lenses.
  • the laser beam 12 is fed to the scanning device 22, which is shown schematically as a dashed rectangle in FIG.
  • the scanning device 22 includes a first scanner mirror 24 and a second scanner mirror 26, from which the laser beam 12 is reflected one after the other.
  • the first scanner mirror 24 and the second scanner mirror 26 are controlled by the control device 50, with the first scanner mirror 24 deflecting the laser beam 12 in a first axis and the second scanner mirror 26 simultaneously deflects the laser beam 2 in a second axis perpendicular to the first axis. Consequently, the laser beam 12 is deflected by the scanning device 22 into two spatial dimensions.
  • the first scanner mirror 24 and the second scanner mirror 26 are typically driven by high-speed galvanometer scanners with motors from the controller 50.
  • the scanning device 22 can also be referred to as a 2D scanner.
  • the laser beam 12 hits a deflection mirror 31 in the laser processing head 10, which deflects the laser beam 12 in the direction of a beam splitter 38, here in a vertical direction.
  • the deflection mirror 31 is installed immovably in the laser processing head 10.
  • the laser beam 12 striking the beam splitter 38 from above in FIG. 2 passes through the beam splitter 38 essentially unhindered and is guided to a lens 42 which focuses the laser beam 12 onto the workpiece 14.
  • the focal plane or focus plane of the laser beam 12 is set approximately to the distance between a process nozzle 46 and the workpiece 14 using the lens 42.
  • a protective glass 44 is arranged which protects the optics of the laser processing head 10 from external influences and erosion from the workpiece 14.
  • the laser beam 12 leaves the laser processing head 10 at the exit opening 48 and hits the workpiece 14 to be processed.
  • the process nozzle 46 is arranged rotatably, the angle of rotation of the process nozzle 46 being controlled by the control device 50 in such a way that the orientation of the process nozzle 46 corresponds to the impact positions of the Laser beam 12 on the workpiece 14 corresponds.
  • the rotation of the process nozzle 46 consequently causes the process medium to strike the workpiece 14 at the same positions to which the laser beam 12 is directed.
  • the laser beam 12 is shifted in the direction of its course along the workpiece 14 by an angle a corresponding to the controlled deflection of the first scanner mirror 24 and the second scanner mirror 26.
  • the controlled pivoting of the The first scanner mirror 24 and the second scanner mirror 26 approximately by an angle a leads to the relative movement that the processing positions shift accordingly by an angle a, a weld seam then runs offset by the angle a without pivoting.
  • the Control device 50 can specify any angle of rotation for the scanning device 22 and thus orient the laser beam 12 on the workpiece 14 as desired.
  • the laser beam can sweep over any two-dimensional geometries or shapes on the workpiece 14, for example creating curved weld seams.
  • a process medium such as process gas, is specifically supplied with the controlled, rotatable process nozzle 46, which follows the laser beam 12 deflected in the scanning device 22.
  • the sensor system 40 which includes at least one camera, detects radiation from the machined workpiece 14, which arises as an interaction of the laser beam 12 striking the material of the workpiece 14.
  • the sensor system 40 includes an interferometer which receives the low power laser beam emitted by the interferometer and reflected by the workpiece 14.
  • the radiation runs from the workpiece 14 in the direction of the beam splitter 38, through which the radiation is transmitted and reflected in the direction of the sensor system 40, approximately at a right angle in FIG. 2.
  • the sensor system 40 is arranged at the deflection mirror 31, with the beam splitter 38 becoming obsolete.
  • the reflected radiation or the process radiation from the workpiece 14 takes the same path as the laser beam 12 without beam splitting.
  • the reflected radiation or the process radiation from the workpiece 14 is shown in FIG. 2 with dashed lines on an arrow directed towards the beam splitter 38 and on an arrow directed towards the sensor system 40.
  • the sensor system 40 is connected to the control device 50 in terms of signals and receives and processes the data from the sensor system 40.
  • the collimator 30 close to the entrance of the laser processing head 10 behind the light guide cable 16 is movable along the direction of propagation of the laser beam 12, in the vertical direction up and down in FIG.
  • the control device 50 sends signals to a drive, a motor, on the collimator 30, which moves the collimator 30 accordingly. Due to the change in the position of the collimator 30, the path of the rays striking the collimator 30 becomes Laser beam 12 changes in such a way that a diameter D of the laser beam 12 striking the workpiece 14 is changed. The diameter D of the laser beam 12 on the workpiece 14 is adjusted accordingly. In addition to the expansion of the interaction area, the energy input of the laser beam 12 into the workpiece 14 is also controlled.
  • the described combination of changing the diameter D of the laser beam 12, the beam diameter, on the surface of the workpiece 14 with the two-dimensional alignment of the laser beam 12 by the scanning device 22 enables more flexible applications of the laser processing head 10 with regard to the geometries and the course of weld seams and higher-frequency laser processing.
  • FIG. 3 shows various top views of geometries of spots or tracks of the laser beam 12 on the workpiece 14, which are carried out with a laser processing head 10 according to an example of the invention.
  • a spot is defined as an area of a laser beam 12 striking the workpiece 14 at a moment.
  • a series of currently recorded spots results in a seam during a welding process.
  • the control device 50 simply changing the laser power at the laser source 15. The greater the laser power or the amplitude of the laser power is set, the greater the extent a of the geometry, with the extent a being the largest in FIG. 3 on the right side of the top row.
  • the processing direction through the laser processing head 10, the relative movement of the laser processing head 10 to the workpiece 14, is perpendicular to the extent a, ie the extent a denotes the width of the resulting weld seam at different laser powers.
  • the extent a denotes the width of the resulting weld seam at different laser powers.
  • three examples of a changed orientation of the laser beam 12 are shown.
  • the extent a of the geometry is unchanged from the top row, so that the extents a in Fig. 3 correspond in columns with the smallest extent a of the laser power in the middle.
  • the scanning device 22 has the laser beam 12 at the same angle in all three geometries in the second row a is deflected, so that the alignment or orientation of the laser beam 12 on the workpiece 14 is changed by the angle a compared to the non-deflected scanning device 22.
  • the orientation of the geometry of the spots or tracks is as in the first row without rotation by the first scanner mirror 24 and the second scanner mirror 26 of the scanning device 22 and the same extent a corresponding to an amplitude of a laser power at the laser source 15 as in the top two rows according to FIG. 3.
  • the collimator 30 is moved or moved in a controlled manner compared to the top two rows with the effect that the diameter D of the spots is increased.
  • the diameter D is defined here as the length in the feed direction of the workpiece 14 perpendicular to the extension a.
  • three identical diameters D corresponding to a position of the scanning device 22 are shown with three different dimensions a corresponding to three different laser powers.
  • the same diameters D and the same dimensions a of the geometries are shown as in the third row, the orientation of the geometries being changed compared to the geometries of the third row in accordance with a controlled alignment of the laser beam 12 by the scanning device 22.
  • Fig. 3 shows exemplary geometries which are achieved by combining the features of the laser processing head 10. The geometries according to Fig.
  • the laser processing head 10 and the method for processing the workpiece 14 enable switching from deep welding to heat conduction welding and vice versa by changing the laser power at the laser source 15 and / or by changing the diameter D of the spot of the laser beam 12 on the workpiece 14 by moving the collimator 30 during of the operation.
  • the control device 50 can dynamically adjust the spot of the laser beam 12 with oscillating movements of the spot at an adjustable frequency Scanning device 22, which denote the pivoting frequency of the first scanning mirror 24 and the second scanning mirror 26.
  • the design of the seam course of the welding path is selected in the control device 50 by the operator of a laser processing machine; the seam course of the weld seam can, for example, be circular, loop-shaped, C-shaped or triangular-shaped.
  • Coupler scanning device first scanner mirror second scanner mirror collimator deflecting mirror

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Laserbearbeitungskopf und ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks. Eine Aufgabe der Erfindung ist, einen Laserbearbeitungskopf und ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks bereitzustellen, mit welchem eine Vielzahl von Bearbeitungsmöglichkeiten von Werkstücken erzielt wird. Hierzu vorgesehen Laserbearbeitungskopf zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls, umfassend wenigstens eine Scanvorrichtung zum Ablenken des Laserstrahls und wenigstens einen Kollimator zum Kollimieren des Laserstrahls, wobei der wenigstens eine Kollimator im Betrieb entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls beweglich ist, womit ein Durchmesser (D) des am Werkstück auftreffenden Laserstrahls veränderbar ist.

Description

Laserbearbeitungskopf und Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks
Die Erfindung betrifft einen Laserbearbeitungskopf und ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Auf dem technischen Gebiet der Laserbearbeitung von Werkstücken sind Laserbearbeitungsmaschinen mit angesteuerten Laserbearbeitungsköpfen verbreitet. Die Laserbearbeitungsmaschinen umfassen eine Laserquelle zum Bereitstellen von Laserleistung, insbesondere zum Schneiden oder Schweißen von Werkstücken. Der Laserbearbeitungskopf umfasst gewöhnlich verschiedene Bauteile und Optiken, mit welchen ein gesteuerter Laserstrahl an Bearbeitungspositionen am Werkstück gezielt zugeführt wird. Bekannt sind gesteuerte Ablenkoptiken im Laserbearbeitungskopf, welche schnell verkippbar oder schwenkbar sind und den bearbeitenden Laserstrahl in zwei senkrechte Achsen auslenken, so dass beliebige zweidimensionale Schneidgeometrien oder Schweißgeometrien am Werkstück erzielt werden können. Bekannt sind ferner Sensoreinrichtungen am Laserbearbeitungskopf, welche die bearbeiteten Geometrien am Werkstück zur Qualitätskontrolle und für weitere Funktionen erfassen, etwa zum Regeln des Bearbeitungsvorgangs.
Eine Aufgabe der Erfindung ist, einen Laserbearbeitungskopf und ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks bereitzustellen, mit welchem eine Vielzahl von Bearbeitungsmöglichkeiten von Werkstücken erzielt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Laserbearbeitungskopf und ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks nach den unabhängigen Patentansprüchen.
Vorgesehen ist ein Laserbearbeitungskopf zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls, umfassend wenigstens eine Scanvorrichtung zum Ablenken des Laserstrahls und wenigstens einen Kollimator zum Kollimieren des Laserstrahls, wobei der wenigstens eine Kollimator im Betrieb entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls beweglich ist, womit ein Durchmesser D des am Werkstück auftreffenden Laserstrahls veränderbar ist.
Weiter ist vorgesehen ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls mit den Verfahrensschritten:
- Bereitstellen eines Laserbearbeitungskopfs umfassend wenigstens eine Scanvorrichtung zum Ablenken des Laserstrahls und wenigstens einen Kollimator zum Kollimieren des Laserstrahls;
- Verändern eines Durchmessers D des am Werkstück auftreffenden Laserstrahls durch Bewegen des Kollimators im Betrieb entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls.
Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Hierbei kann bevorzugt an einem Startpunkt eines Bearbeitungsvorgangs ein Spotdurchmesser von einem Ausgangsdurchmesser auf einen beabsichtigten Bearbeitungsdurchmesser verkleinert wird. Alternativ oder gleichzeitig kann eine Leistung des Laserstrahls von einer Anfangsleistung auf eine zur Bearbeitung des Werkstücks beabsichtigte Bearbeitungsleistung erhöht wird. Ferner ist es denkbar, dass an einem Endpunkt eines Bearbeitungsvorgangs der Spotdurchmesser von dem zur Bearbeitung des Werkstücks vorgesehene Bearbeitungsdurchmesser auf einen vorgegebenen Ausfahrdurchmesser vergrößert wird. Alternativ oder gleichzeitig kann die zur Bearbeitung des Werkstücks vorgesehene Leistung des Laserstrahls von der Bearbeitungsleistung auf eine beabsichtigte Ausfahrleistung verringert wird.
Bei einem Beispiel der Erfindung weist die wenigstens eine Scanvorrichtung einen ersten Scannerspiegel zum Scannen des Laserstrahls in einer ersten Richtung auf dem Werkstück und einen zweiten Scannerspiegel zum Scannen des Laserstrahls in einer zweiten Richtung auf dem Werkstück auf. Der Begriff des Scannens mittels der Scanvorrichtung bedeutet hierbei das gesteuerte und gezielte Ablenken oder Auslenken des Laserstrahls aus der einstrahlenden Laserstrahlbahn. Unter der Scanvorrichtung wird hierbei insbesondere jede Apparatur verstanden, die dazu ausgebildet ist, den Laserstrahl gesteuert abzulenken. Der bearbeitende Laserstrahl kann derart an beliebige veränderliche Positionen am Werkstück aufgebracht werden.
Bei einem Beispiel weist der Kollimator ein konvexes Linsensystem oder eine konvexe Linse auf. Linsensysteme sind konstruktiv besonders einfach ausbildbar und gleichzeitig in der Lage, den Laserstrahl effektiv zu formen. Das konvexe Linsensystem umfasst hierbei wenigstens eine konvexe Linse, optional auch weitere optische Linsen.
Bei einem weiteren Beispiel der Erfindung umfasst der Laserbearbeitungskopf wenigstens einen Umlenkspiegel in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls hinter der Scanvorrichtung, wenigstens ein Objektiv zum Fokussieren das Laserstrahls auf das Werkstück und ein Sensorsystem zum Erfassen von Strahlung vom bearbeiteten Werkstück. Der Umlenkspiegel lenkt den von der Scanvorrichtung ausgelenkten Laserstrahl im Laserbearbeitungskopf in Richtung des Werkstücks um, etwa in senkrechter Richtung. Das Objektiv fokussiert den Laserstrahl vom Umlenkspiegel in geeigneter Weise auf das Werkstück, bevorzugt in eine Fokusebene, welche bei einer Bearbeitungsposition am Werkstück liegt. Das Sensorsystem erfasst die Strahlung, Prozessstrahlung, die beim Bearbeiten des Werkstücks entsteht oder andere Strahlung und liefert Daten bezüglich des Bearbeitungsvorgangs am Werkstück, etwa zur Einschweißtiefe, zur Nahtlage der Schweißung oder zur Nahtgeometrie. Das Sensorsystem wird vorteilhaft verwendet zum Überwachen der Laserbearbeitung durch den Laserbearbeitungskopf und weiter liefert das Sensorsystem Daten zum Steuern und Regeln der Laserbearbeitung. Das Sensorsystem kann eine Kamera und/oder ein Interferometer umfassen. Die Kamera erfasst hierbei bevorzugt die Prozessstrahlung oder das Prozesslicht, welches bei der Wechselwirkung des Laserstrahls mit dem Material des Werkstücks entsteht. Das Interferometer erfasst bevorzugt Strahlung, welche vom Interferometer selbst ausgestrahlt wird und vom Werkstück reflektiert wird. Zu dem Zweck, Strahlung zum Sensorsystem zu leiten, ist ein Strahlteiler vorgesehen, welcher die Strahlung des Laserstrahls zum Werkstück hin durchlässt und die Strahlung vom Werkstück zum Sensorsystem hin ablenkt.
Bei einem weiteren Beispiel der Erfindung weist der Laserbearbeitungskopf eine drehbare Prozessdüse auf, welche ein Prozessmedium zuführt, zum Anpassen der Prozessdüse an eine Bewegungsrichtung des Laserstrahls entlang des Werkstücks.
Bei einem weiteren Beispiel liefert eine Laserquelle über ein Laserlichtkabel eine veränderliche Laserleistung an den Laserbearbeitungskopf. Die Laserquelle erzeugt gewöhnlich den Laserstrahl, welcher durch das Laserlichtkabel zum Laserbearbeitungskopf geleitet wird. Bei diesem Beispiel wird die Laserleistung an der Laserquelle gesteuert verändert, so dass der Laserstrahl unterschiedliche Intensitäten aufweist und das Werkstück mit entsprechend unterschiedlichen Energien beaufschlagt wird, welche das Bearbeitungsergebnis beeinflussen. Darüber hinaus können durch die Strahlbewegung des Laserstrahls in Kombination mit dem durch den bewegbaren Kollimator gesteuerten Durchmesser D auf dem Werkstück Intensitätsverteilungen der Laserstrahlung gezielt eingestellt werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Die Erfindung ist beispielhaft beschrieben anhand der folgenden Figuren.
Fig. 1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfs mit einer Scanvorrichtung, einer über ein Laserlichtkabel verbundenen Laserquelle und eine Steuerungseinrichtung nach einem Beispiel der Erfindung;
Fig. 2 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Laserbearbeitungskopfs mit einem Verlauf eines Laserstrahls zu einem Werkstück nach einem Beispiel der Erfindung; Fig. 3 zeigt verschiedene Draufsichten von Geometrien von Spots eines Laserstrahls, welche mit einem Laserbearbeitungskopf nach einem Beispiel der Erfindung ausgeführt sind.
Fig. 1 zeigt eine schematische perspektivische äußere Ansicht eines Laserbearbeitungskopfs 10 nach einem Beispiel der Erfindung. Der Laserbearbeitungskopf 10 ist ein wesentliches Bauteil einer Laserbearbeitungsmaschine und ist von Robotern gesteuert. Der Laserbearbeitungskopf 10 umfasst einen Koppler 17, welcher mit einem Lichtleitkabel 16 verbunden ist zum Einkoppeln von Laserleistung von einer Laserquelle 15 in den Laserbearbeitungskopf 10. Die Laserquelle 15 kann unterschiedlich ausgeführt sein, etwa als Festkörper-Laserquelle, und erzeugt einen Laserstrahl 12. Der Laserbearbeitungskopf 10 und die Laserquelle 15 sind mit wenigstens einer Steuerungseinrichtung 50 signaltechnisch verbunden. Weiter umfasst der Laserbearbeitungskopf 10 eine Scanvorrichtung 22, welche verschiedene Optiken umfasst zum zweidimensionalen Ablenken des Laserstrahls 12 im Laserbearbeitungskopf 10, d.h. zum gleichzeitigen gesteuerten Ablenken des Laserstrahls in zwei räumliche Richtungen. Dieses zweidimensionale Ablenken oder Auslenken des Laserstrahls 12 wird als Wobbeln bezeichnet. Der Laserbearbeitungskopf 10 umfasst weiter ein mit der Scanvorrichtung 22 verbundenes Gehäuse 36, in welchem weitere optische Elemente angebracht sind. Die Scanvorrichtung 22 kann hierbei auch im Gehäuse 36 integriert sein. Der Laserstrahl 12 wird in das Gehäuse 36 des Laserbearbeitungskopfs 10 geleitet und zu einer Austrittsöffnung 48 umgelenkt. An der Austrittsöffnung 48 verlässt der Laserstrahl 12 den Laserbearbeitungskopf 10 im Betrieb. Bei diesem Beispiel umfasst der Laserbearbeitungskopf 10 ein Sensorsystem 40, welches mit der Scanvorrichtung 22 verbunden ist. Das Sensorsystem 40 umfasst eine Kamera und/oder ein Interferometer zum Erfassen von Signalen von einem zu bearbeitenden Werkstück 14. Die Kamera erfasst hierbei Prozessstrahlung vom Werkstück 14, welche durch den Laserbearbeitungskopf 10 der Kamera zugeführt wird. Die Kamera weist eine schmalbandige Beleuchtung auf zur wellenlängenselektiven und damit von der Prozessstrahlung oder Prozessleuchten unabhängigen, weil gut filterbaren, Aufnahme sowie zur Aufnahme von Bildern am Werkstück 14, die über einer nachfolgende Bildverarbeitung in der Steuerungseinrichtung 50 ausgewertet werden. Das Interferometer, welches alternativ oder zusätzlich vom Sensorsystem 40 umfasst ist, sendet gewöhnlich einen Laserstrahl niedriger Leistung durch den Laserbearbeitungskopf 10, welcher am Werkstück 14 reflektiert wird, durch den Laserbearbeitungskopf 10 zum Interferometer zurückreflektiert wird und mit einem Referenzstrahl interferiert. Insbesondere kann der Laserstrahl von niedriger Leistung koaxial zum Laserstrahl 12 von der Laserquelle 15 ausgerichtet sein. Alternativ zum Interferometer kann das Sensorsystem 40 einen Linienlaser umfassen. Bei dem Linienlaser erfolgt eine Abstandsbestimmung des Laserbearbeitungskopfs 10 zum Werkstück 14 zusammen mit der Kamera nach dem Triangulationsprinzip. In allen drei Fällen werden Daten bezüglich des Bearbeitungsvorgangs ermittelt, zur Steuerungseinrichtung 50 übertragen und weiterverarbeitet. Diese Daten umfassen etwa Daten zur Schweißnaht, zur Einschweißtiefe und/oder zur Schweißgeometrie.
Fig. 2 zeigt eine schematische Seitenansicht von Bauteilen des Laserbearbeitungskopfs 10 zum weiteren Erläutern der Funktionsweise. Der gestrichelt dargestellte divergente Laserstrahl 12 verlässt das im Schnitt dargestellte Lichtleitkabel 16 zu einem Kollimator 30, welcher im Laserbearbeitungskopf 10 angeordnet ist. Der Koppler 17 zum Verbinden und Einkoppeln des Laserstrahls 12 ist in Fig. 2 nicht gezeigt. Der Kollimator 30 ist bei diesem Beispiel eine konvexe Linse, welche am Ausgang der Linse, in Fig. 2 unterhalb des Kollimators 30, in Richtung des Verlaufs des Laserstrahls 12, einen nahezu parallelen Strahlengang des Laserstrahls 12 bereitstellt; der Strahlenverlauf oder die Propagation des Laserstrahls 12 wird geändert von divergent zu parallel zu konvergent. Der Kollimator 30 kann weitere Linsen umfassen, etwa ein konvexes Linsensystem bestehend aus mehreren konvexen Linsen. Nach dem Kollimator 30 wird der Laserstrahl 12 der Scanvorrichtung 22 zugeführt, welche in Fig. 2 schematisch als gestricheltes Rechteck dargestellt ist. Die Scanvorrichtung 22 umfasst einen ersten Scannerspiegel 24 und einen zweiten Scannerspiegel 26, von welchen der Laserstrahl 12 nacheinander reflektiert wird. Der erste Scannerspiegel 24 und der zweite Scannerspiegel 26 werden von der Steuerungseinrichtung 50 angesteuert, wobei der erste Scannerspiegel 24 den Laserstrahl 12 in einer ersten Achse auslenkt und der zweite Scannerspiegel 26 den Laserstrahl 2 gleichzeitig in einer zweiten Achse senkrecht zur ersten Achse auslenkt. Folglich wird der Laserstrahl 12 von der Scanvorrichtung 22 in zwei räumliche Dimensionen ausgelenkt. Der erste Scannerspiegel 24 und der zweite Scannerspiegel 26 werden gewöhnlich von schnellen Galvanometer-Scannern mit Motoren von der Steuerungseinrichtung 50 angetrieben. Die Scanvorrichtung 22 kann auch als 2D-Scanner bezeichnet werden. Nach der Scanvorrichtung 22 trifft der Laserstrahl 12 auf einen Umlenkspiegel 31 im Laserbearbeitungskopf 10, welcher den Laserstrahl 12 in Richtung eines Strahlteilers 38 umlenkt, hierbei in senkrechter Richtung. Der Umlenkspiegel 31 ist unbeweglich im Laserbearbeitungskopf 10 installiert. Der in Fig. 2 von oben auf den Strahlteiler 38 auftreffende Laserstrahl 12 passiert den Strahlteiler 38 im Wesentlichen ungehindert und wird zu einem Objektiv 42 geleitet, welches den Laserstrahl 12 auf das Werkstück 14 fokussiert. Die Brennebene oder Fokusebene des Laserstrahls 12 wird mittels des Objektivs 42 etwa zum Abstand zwischen einer Prozessdüse 46 und dem Werkstück 14 eingestellt. Hinter dem Objektiv 42 des Laserbearbeitungskopfs 10, in Richtung des Laserstrahls 12 betrachtet, ist ein Schutzglas 44 angeordnet welches die Optiken des Laserbearbeitungskopfs 10 vor äußeren Einflüssen und Abtragungen vom Werkstück 14 schützt. Der Laserstrahl 12 verlässt den Laserbearbeitungskopf 10 bei der Austrittsöffnung 48 und trifft auf das zu bearbeitende Werkstück 14. Die Prozessdüse 46 ist drehbar angeordnet, wobei der Drehwinkel der Prozessdüse 46 von der Steuerungseinrichtung 50 derart gesteuert wird, dass die Ausrichtung der Prozessdüse 46 den Auftreffpositionen des Laserstrahls 12 am Werkstück 14 entspricht. Die Drehung der Prozessdüse 46 bewirkt folglich, dass das Prozessmedium an den gleichen Positionen am Werkstück 14 auftrifft, zu denen der Laserstrahl 12 gelenkt wird. Der Laserstrahl 12 wird in Richtung seines Verlaufs entlang des Werkstücks 14 um einen Winkel a verschoben entsprechend der gesteuerten Auslenkung des ersten Scannerspiegels 24 und des zweiten Scannerspiegels 26. Gewöhnlich besteht im Betrieb eine Relativbewegung zwischen dem Laserbearbeitungskopf 10 und dem Werkstück 14. Das gesteuerte Verschwenken des ersten Scannerspiegels 24 und des zweiten Scannerspiegels 26 etwa um einen Winkel a führt bei der Relativbewegung dazu, dass die Bearbeitungspositionen sich entsprechend um einen Winkel a verschieben, eine Schweißnaht verläuft dann um den Winkel a ohne Verschwenken versetzt. Die Steuerungseinrichtung 50 kann beliebige Drehwinkel für die Scanvorrichtung 22 vorgeben und somit den Laserstrahl 12 beliebig am Werkstück 14 orientieren.
Aufgrund der beschriebenen gesteuerten Ablenkung des Laserstrahls 12 in der Scanvorrichtung 22 kann der Laserstrahl beliebige zweidimensionale Geometrien oder Formen am Werkstück 14 überstreichen, beispielsweise kurvige Schweißnähte erzeugen. Ein Prozessmedium, etwa Prozessgas, wird hierbei gezielt zugeführt mit der gesteuerten drehbaren Prozessdüse 46, welche dem in der Scanvorrichtung 22 abgelenkten Laserstrahl 12 folgt.
Das Sensorsystem 40, welches wenigstens eine Kamera umfasst, erfasst Strahlung vom bearbeiteten Werkstück 14, welche als Wechselwirkung des auf das Material des Werkstücks 14 auftreffenden Laserstrahls 12 entsteht. Alternativ umfasst das Sensorsystem 40 ein Interferometer, welches den vom Interferometer ausgestrahlten und vom Werkstück 14 reflektierten Laserstrahl niedriger Leistung empfängt. In beiden Fällen verläuft die Strahlung vom Werkstück 14 in Richtung des Strahlteilers 38, durch welchen die Strahlung transmittiert und in Richtung des Sensorsystems 40 reflektiert wird, in Fig, 2 etwa im rechten Winkel. Alternativ ist das Sensorsystem 40 beim Umlenkspiegel 31 angeordnet, wobei der Strahlteiler 38 obsolet wird. Die reflektierte Strahlung bzw. die Prozessstrahlung vom Werkstück 14 nimmt bei dieser Alternative den gleichen Pfad wie der Laserstrahl 12 ohne Strahlteilung. Die reflektierte Strahlung bzw. die Prozessstrahlung vom Werkstück 14 ist in Fig. 2 dargestellt mit gestrichelten Linien an einem zum Strahlteiler 38 gerichteten Pfeil und an einem zum Sensorsystem 40 gerichteten Pfeil. Das Sensorsystem 40 ist mit der Steuerungseinrichtung 50 signaltechnisch verbunden und empfängt und verarbeitet die Daten des Sensorsystems 40.
Der Kollimator 30 nahe am Eingang des Laserbearbeitungskopfs 10 hinter dem Lichtleitkabel 16 ist entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 12 beweglich, in Fig. 2 in senkrechter Richtung nach oben und unten. Die Steuerungseinrichtung 50 sendet Signale an einen Antrieb, einen Motor, am Kollimator 30, welcher den Kollimator 30 entsprechend bewegt. Aufgrund der Veränderung der Position des Kollimators 30 wird der Strahlenverlauf des auf den Kollimator 30 auftreffenden Laserstrahls 12 verändert in einer Weise, dass ein Durchmesser D des am Werkstück 14 auftreffenden Laserstrahls 12 verändert wird. Der Durchmesser D des Laserstrahls 12 am Werkstück 14 wird entsprechend gesteuert eingestellt. Hiermit wird neben der Ausdehnung des Wechselwirkungsbereichs auch der Energieeintrag des Laserstrahls 12 in das Werkstück 14 gesteuert.
Die beschriebene Kombination der Veränderung des Durchmessers D des Laserstrahls 12, des Strahldurchmessers, bei der Oberfläche des Werkstücks 14 mit dem zweidimensionalen Ausrichten des Laserstrahls 12 durch die Scanvorrichtung 22 ermöglicht flexiblere Anwendungen des Laserbearbeitungskopfs 10 bezüglich der Geometrien und dem Verlauf von Schweißnähten und höherfrequente Laserbearbeitungen.
Fig. 3 zeigt verschiedene Draufsichten von Geometrien von Spots oder Spuren des Laserstrahls 12 auf dem Werkstück 14, welche mit einem Laserbearbeitungskopf 10 nach einem Beispiel der Erfindung ausgeführt sind. Als Spot ist definiert ein Bereich eines auf das Werkstück 14 auftreffenden Laserstrahls 12 in einem Moment. Eine Aneinanderreihung von momentan aufgenommenen Spots ergibt einen Nahtverlauf bei einem Schweißvorgang. In der oberen Reihe nach Fig. 3 sind drei unterschiedliche Geometrien von Spots dargestellt, welche durch alleiniges Verändern der Laserleistung an der Laserquelle 15 durch die Steuerungseinrichtung 50 verursacht sind. Je größer die Laserleistung oder die Amplitude der Laserleistung eingestellt ist, desto größer ist die Ausdehnung a der Geometrie, wobei in Fig. 3 an der rechten Seite der oberen Reihe die Ausdehnung a am größten ist. Die Bearbeitungsrichtung durch den Laserbearbeitungskopf 10, die Relativbewegung des Laserbearbeitungskopfs 10 zum Werkstück 14, ist hierbei senkrecht zur Ausdehnung a, d.h. die Ausdehnung a bezeichnet die Breite der entstehenden Schweißnaht bei unterschiedlichen Laserleistungen. In der zweiten Reihe nach Fig. 3 sind drei Beispiele einer geänderten Orientierung des Laserstrahls 12 gezeigt. Die Ausdehnung a der Geometrie ist hierbei unverändert zur oberen Reihe, so dass sich die Ausdehnungen a in Fig. 3 spaltenweise entsprechen mit der kleinsten Ausdehnung a der Laserleistung in der Mitte. Die Scanvorrichtung 22 hat den Laserstrahl 12 bei allen drei Geometrien in der zweiten Reihe um denselben Winkel a ausgelenkt, so dass die Ausrichtung oder Orientierung des Laserstrahls 12 am Werkstück 14 um den Winkel a gegenüber der nicht ausgelenkten Scanvorrichtung 22 geändert ist. In der dritten Reihe nach Fig. 3 ist die Orientierung der Geometrie der Spots oder Spuren wie in der ersten Reihe ohne Drehung durch den ersten Scannerspiegel 24 und den zweiten Scannerspiegel 26 der Scanvorrichtung 22 und derselben Ausdehnung a entsprechend einer Amplitude einer Laserleistung an der Laserquelle 15 wie in den oberen beiden Reihen nach Fig. 3. Bei den drei Geometrien in der dritten und vierten Reihe ist der Kollimator 30 im Vergleich zu den beiden oberen Reihen gesteuert verfahren oder bewegt mit dem Effekt, dass der Durchmesser D der Spots vergrößert ist. Der Durchmesser D ist hierbei definiert als die Länge in Vorschubrichtung des Werkstücks 14 senkrecht zur Ausdehnung a. In der dritten Reihe sind drei gleiche Durchmesser D entsprechend einer Position der Scanvorrichtung 22 dargestellt mit drei unterschiedlichen Ausdehnungen a entsprechend drei unterschiedlichen Laserleistungen. In der vierten Reihe sind die gleichen Durchmesser D und die gleichen Ausdehnungen a der Geometrien gezeigt wie in der dritten Reihe, wobei die Orientierung der Geometrien geändert ist gegenüber den Geometrien der dritten Reihe entsprechend einer gesteuerten Ausrichtung des Laserstrahls 12 durch die Scanvorrichtung 22. Fig. 3 zeigt beispielhafte Geometrien, welche durch Kombination der Merkmale des Laserbearbeitungskopfs 10 erzielt werden. Die Geometrien nach Fig. 3 beziehen sich auf einzelne Spots und werden beliebig entlang von Schweißbahnen fortgeführt, wobei im Betrieb die Ausdehnung a und der Durchmesser D des Spots sowie die Orientierung mit dem Winkel a unabhängig voneinander einzeln oder gemeinsam änderbar sind entsprechend von programmierten Anweisungen in der Steuerungseinrichtung 50.
Der Laserbearbeitungskopf 10 und das Verfahren zum Bearbeiten des Werkstücks 14 ermöglichen durch Ändern der Laserleistung an der Laserquelle 15 und/oder durch Ändern des Durchmessers D des Spots des Laserstrahls 12 am Werkstück 14 durch Verfahren des Kollimators 30 ein Umschalten von Tiefschweißen zu Wärmeleitschweißen und umgekehrt während des Betriebs. Die Steuerungseinrichtung 50 kann den Spot des Laserstrahls 12 dynamisch einstellen mit oszillierenden Bewegungen des Spots bei einstellbarer Frequenz an der Scanvorrichtung 22, welche die Schwenkfrequenz des ersten Scanspiegels 24 und des zweiten Scanspiegels 26 bezeichnen. Die Ausbildung des Nahtverlaufs der Schweißbahn wird in der Steuerungseinrichtung 50 vom Bediener einer Laserbearbeitungsmaschine gewählt, der Nahtverlauf der Schweißnaht kann beispielsweise kreisförmig, schleifenförmig, c-förmig oder dreieck-förmig ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste
Laserbearbeitungskopf Laserstrahl
Werkstück Laserquelle Lichtleitkabel
Koppler Scanvorrichtung erster Scannerspiegel zweiter Scannerspiegel Kollimator Umlenkspiegel
Gehäuse Strahlteiler Sensorsystem
Objektiv Schutzglas Prozessdüse Austrittsöffnung Steuerungseinrichtung

Claims

Patentansprüche Laserbearbeitungskopf (10) zum Bearbeiten eines Werkstücks (14) mittels eines Laserstrahls (12), umfassend wenigstens eine Scanvorrichtung (22) zum Ablenken des Laserstrahls (12) und wenigstens einen Kollimator (30) zum Kollimieren des Laserstrahls (12), dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kollimator (30) im Betrieb entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls (12) beweglich ist, womit ein Durchmesser D des am Werkstück (14) auftreffenden Laserstrahls (12) veränderbar ist. Laserbearbeitungskopf (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass dem Kollimator (30) ein gesteuerter oder geregelter Aktuator zugeordnet ist, welcher ausgebildet ist zum Bewegen des Kollimators (30). Laserbearbeitungskopf (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Scanvorrichtung (22) einen ersten Scannerspiegel (24) zum Scannen des Laserstrahls (12) in einer ersten Richtung auf dem Werkstück (14) und einen zweiten Scannerspiegel (26) zum Scannen des Laserstrahls (12) in einer zweiten Richtung auf dem Werkstück (14) aufweist. Laserbearbeitungskopf (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der wenigstens eine Kollimator (30) ein konvexes Linsensystem oder eine konvexe Linse aufweist. Laserbearbeitungskopf (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend einen Umlenkspiegel (31) in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls (12) hinter der Scanvorrichtung (22), wenigstens ein Objektiv (42) zum Fokussieren das Laserstrahls (12) auf das Werkstück (14) und ein Sensorsystem (40) zum Erfassen von Strahlung vom bearbeiteten Werkstück Laserbearbeitungskopf (10) nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Strahlteiler (38) hinter der Scanvorrichtung (22) zum Durchlässen des Laserstrahls (12) zum Werkstück (14) und zum Reflektieren der Strahlung vom Werkstück (14) zum Sensorsystem (40). Laserbearbeitungskopf (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (40) eine Kamera und/oder ein Interferometer umfasst. Laserbearbeitungskopf (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserbearbeitungskopf (10) eine drehbare Prozessdüse (46) zum Zuführen eines Prozessmediums aufweist zum Ausrichten der Prozessdüse (46) an eine Bewegungsrichtung des Laserstrahls (12) entlang des Werkstücks (14). Laserbearbeitungskopf (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laserquelle (15) über ein Lichtleitkabel (16) eine veränderliche Laserleistung an den Laserbearbeitungskopf (10) liefert. Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks (14) mittels eines Laserstrahls (12) mit den Verfahrensschritten:
- Bereitstellen eines Laserbearbeitungskopfs (10) umfassend wenigstens eine Scanvorrichtung (22) zum Ablenken des Laserstrahls (12) und wenigstens einen Kollimator (30) zum Kollimieren des Laserstrahls (12);
- Verändern eines Durchmessers D des am Werkstück (14) auftreffenden Laserstrahls (12) durch Bewegen des Kollimators (30) im Betrieb entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls (12). Verfahren nach Anspruch 10, mit den Verfahrensschritten:
- Bereitstellen eines ersten Scannerspiegels (24) und eines zweiten Scannerspiegels (26) in der Scanvorrichtung (22); - Scannen des Werkstücks (14) mit dem ersten Scannerspiegel (24) in einer ersten Richtung und mit dem zweiten Scannerspiegel (26) in einer zweiten Richtung. Verfahren nach Anspruch 10 oder Anspruch 11 , mit den Verfahrensschritten:
- Bereitstellen eines Sensorsystems (40) am Laserbearbeitungskopf (10);
- Erfassen von Strahlung vom Werkstück (14) durch das Sensorsystem (40). Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, mit den Verfahrensschritten:
- Bereitstellen einer drehbaren Prozessdüse (46) am Laserbearbeitungskopf (10);
- Zuführen eines Prozessmediums durch die Prozessdüse (46) und Drehen der Prozessdüse (46) zum Ausrichten der Prozessdüse (46) an eine Bewegungsrichtung des Laserstrahls (12) entlang des Werkstücks (14). Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, mit den Verfahrensschritten:
- Bereitstellen einer Laserquelle (15) zum Einkoppeln des Laserstrahls (12) über ein Lichtleitkabel (16) zum Laserbearbeitungskopf (10);
- Bereitstellen von veränderlicher Laserleistung an der Laserquelle (15) für den Laserbearbeitungskopf (10). Laserbearbeitungsmaschine mit einer Laserquelle (15) mit einem Lichtleitkabel (16) zum Liefern eines Laserstrahls (12) zu einem Laserbearbeitungskopf (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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