DE19961918A1

DE19961918A1 - Variables Doppelfokusformungsmodul und Verfahren zu seiner Anwendung

Info

Publication number: DE19961918A1
Application number: DE1999161918
Authority: DE
Inventors: Bjoern Wedel; Roman Nieding
Original assignee: Highyag Lasertechnologie GmbH
Current assignee: Highyag Lasertechnologie GmbH
Priority date: 1999-12-21
Filing date: 1999-12-21
Publication date: 2001-07-19
Anticipated expiration: 2019-12-22
Also published as: DE19961918C2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung mit wenigstens zwei Laserstrahlenfoki, die auf das zu bearbeitende Werkstück abgebildet werden, wobei durch den Einsatz refraktiver Elemente in einer variablen Fokusgeometrie aus einem Einzelfokus eines Laserstrahls ein Doppelfokus erzeugt wird, wobei Abstand und Intensität zwischen den Foki frei wählbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lasermaterialbearbei tung mit wenigstens zwei Laserstrahlenfoki, die auf das zu bearbeitende Werkstück abgebildet werden.

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)

Legende

β: Ablenkwinkel
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 und die US 5,155,323 beschreiben ein Verfahren und eine dazu gehörige Vorrichtung mit zwei Laserfoki die parallel, über Spiegel abgelenkt in ei nem fixierten und unvariierbaren Abstand zueinander zu Schweißen verwendet werden. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass der Winkel zwischen den Teil strahlen unveränderbar ist.

In keiner der bekannten Anordnungen kann der Winkel zwischen den Teilstrahlen kontinuierlich verändert werden. Dazu muss immer das Ablenkelement ausge tauscht werden.

Wird die Vorrichtung als Teil einer Bearbeitungsoptik z. B. für das Laserschweissen eingesetzt, dann kann der Winkel zwischen den Teilstrahlen und damit der Abstand der beiden Foki auf dem Werkstück automatisch an die Spaltbreite zwischen den Werkstücken oder sich verändernden Werkstückgeometrien angepasst werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bearbeitung von Werkstücken mit zwei Laserstrahlen zu schaffen, deren jeweiliger Fokus und Intensität veränderbar sind. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Verfügung zu stellen.

Gelöst wird diese Aufgabe

- durch den Einsatz refraktiver Elemente in einer Anordnung als variabler optischer Keil, mit dem aus einem Einzelfokus eines Laser strahls mindestens ein Doppelfokus oder Mehrfachfokus erzeugt wird, womit Abstand und Intensität zwischen den Foki frei wählbar sind,
- und dass die variable Fokusgeometrie durch zwei gegeneinander verschiebbare Zylinderlinsen gebildet wird, die in den Laserstrahl eingebracht werden.

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.

Erfindungsgemäß ist auch vorgesehen, dass man mit dem Verfahren und der ent sprechenden Vorrichtung auch nur einen einzigen Fokus bewegen kann.

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 Keilen.

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)

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 Werkstücken 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.

Bezugszeichen

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

1. Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung mit wenigstens zwei Laserstrahlen foki, die auf das zu bearbeitende Werkstück abgebildet werden, dadurch ge kennzeichnet,

- dass durch den Einsatz refraktiver Elemente (13, 14) in einer variab len Anordnung (12) aus einem Einzelfokus eines Laserstrahls ein Doppelfokus erzeugt wird, wodurch 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 Anspruch 1, wobei es sich bei dem Laser um einen Nd:YAG- und/oder Diodenlaser handelt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Laser um einen CO₂- Laser handelt.

10. 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.

11. Verfahren nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoren durch ein Sensorsystem angesteuert werden.

12. 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 11, 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.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, 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) linear bewegbar ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlinsen (13, 14) seitlich verschiebbar sind, wobei die Bewegungsrich tung senkrecht zur Bewegung der Einzellinsen verläuft.

15. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei solcher Vorrichtungen (12) neben einander in dem Strahlengang des Laserstrahls (15) angeordnet sind.

16. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch ge kennzeichnet, dass eine einzelne solcher Vorrichtungen (12) ganz im Strah lengang (15) des Lasers angeordnet ist, so dass die Vorrichtung dazu ver wendet werden kann, einen einzelnen Fokus zu bewegen.

17. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Anordnung (12) drehbar zum Laserstrahl (15) gestaltet ist und damit die Rotation der Foki um eine Achse erlaubt.