ES2877783T3 - Distribución de haz para procesamiento láser - Google Patents

Abstract

Elemento de conformación de haz óptico difractivo (33), en particular para su uso en un sistema óptico (25), estando configurado el elemento de conformación de haz óptico difractivo (33) para estampar una progresión de fase en un haz láser (31) previsto para el procesamiento láser de una pieza de trabajo (5), con una máscara de fase (43) de configuración plana, caracterizado por que la máscara de fase (43) de configuración plana presenta un área de haz primario (P, P') con una progresión de fase de difusor de haz primario y al menos un área de haz secundario con zonas (S1, S2) que configuran una progresión de fase de generador de haz secundario, distribuidas por el área de haz primario (P, P'), comprendiendo la progresión de fase de difusor de haz primario una distribución aleatoria de la fase y/o una progresión de fase difractiva, debido a lo cual se da lugar a una difusión de haz en dirección de propagación de un haz láser (31), y presentando la progresión de fase de generador de haz secundario una progresión de fase tipo una rejilla de difracción para difractar una parte de haz del haz láser (31).

Description

DESCRIPCIÓN

Distribución de haz para procesamiento láser

La presente invención se refiere a una instalación de procesamiento láser, en particular para soldar indirectamente y soldar piezas de trabajo, así como a un sistema óptico para la división de haz de un haz láser y a un elemento de conformación de haz óptico difractivo. La invención también se refiere a un procedimiento para proporcionar un haz láser para el procesamiento de materiales.

A partir del estado de la técnica se conocen sistemas de guía de haz que proporcionan una configuración de haz favorable para un procesamiento basado en haz láser de una pieza de trabajo, en particular para procesos de soldadura indirecta, tales como la soldadura indirecta de chapas galvanizadas en caliente. La soldadura indirecta como un proceso propenso a salpicaduras, por ejemplo, puede generar una superficie de costura irregular y transiciones de costura deshilachadas que son indeseables en ciertos lugares como en la zona de capa exterior o en áreas visibles, como, por ejemplo, el portón trasero y el techo de un automóvil.

Tales configuraciones de haz comprenden, por ejemplo, tres haces láser guiados por fibras separadas, que se proyectan uno al lado del otro sobre una chapa a procesar. Además, el documento DE 102009045400 B3 y el documento DE 102013214957 A1 divulgan una óptica de soldadura indirecta o de soldadura con una alimentación de alambre y un eje de pivote. Se proporciona una conformación de haz en la parte pivotante, que puede dividir y desviar el haz, por ejemplo, para la limpieza previa y para la unión.

Además, el uso de divisores de haz en el procesamiento de materiales con radiación láser es conocido por ejemplo, por los documentos DE 102014203525 A1, US 5,922,224, US 2008/0113493 A1, US 2012/0104284 A1, US 2005/0115938 A1. A este respecto la desviación de haz puede tener lugar con diferentes estructuras de rejilla paralelas para los diferentes componentes de haz divididos, no llevándose a cabo ninguna influencia óptica adicional.

Además, el documento US 2014/104686 A1 (base para el preámbulo de las reivindicaciones 1 y 13) divulga un distribuidor de haz difractivo que permite dividir un haz láser en varias direcciones que se desvían de la dirección de propagación del haz láser incidente. Los haces divididos tienen el mismo tamaño e interfieren en una estructura a procesar, formándose un patrón de rejilla que se basa en la geometría de la distribución de haz.

El documento JP S62263862 A divulga un sistema para procesar de forma simultánea (por ejemplo, soldar indirectamente) múltiples puntos de un componente electrónico. Para ello se dirige un haz láser (ensanchado) sobre un holograma que, junto con otros hologramas, está dispuesto en un soporte montado de forma giratoria. El holograma divide el haz láser en varios haces, que se enfocan de forma simultánea en puntos correspondientes.

En el documento CN 103934577 A se divulga un sistema de procesamiento láser sin luz parásita con una anchura de corte ajustable. El sistema de procesamiento láser sin luz parásita incluye, entre otras cosas, un elemento óptico difractivo unidimensional y un diafragma. El elemento óptico genera haces sub-láser primarios y secundarios, de los cuales, los haces sub-láser secundarios están protegidos con el diafragma.

El documento JP 2003311452 A divulga un cabezal de procesamiento para mejorar la resistencia de una zona de procesamiento. El cabezal de procesamiento tiene un dispositivo separador de haz láser, que consta de una lente de colimación, un divisor de haz, espejos de flexión y una lente condensadora. Un haz es divido por el divisor de haz para enfocar haces paralelos con la lente condensadora, por lo que, en el punto focal, después de cruzar, haces láser separados inciden sobre placas de metal a soldar.

Un aspecto de esta divulgación se basa en el objetivo de proporcionar dos o más zonas de intensidad para el procesamiento láser. En particular, esto también debería permitir un cambio en los parámetros de haz láser, en el que en particular se obtienen aproximadamente la disposición relativa de las zonas de intensidad y los tamaños relativos.

Al menos uno de estos objetos se consigue mediante un sistema óptico para la división de haz de un haz láser según la reivindicación 6, un elemento de conformación de haz óptico difractivo según la reivindicación 1, una instalación de procesamiento láser según la reivindicación 12 y mediante un procedimiento para proporcionar zonas de intensidad según la reivindicación 13. Se indican perfeccionamientos en las reivindicaciones secundarias.

En un aspecto, un sistema óptico para la división de haz de un haz láser está diseñado para proporcionar una zona de intensidad primaria y al menos una zona de intensidad secundaria para el procesamiento de piezas de trabajo. Comprende un elemento de conformación de haz que está diseñado para estampar una progresión de fase de conformación de haz en el haz láser, a través de un perfil de intensidad de entrada transversal, formando la progresión de fase un difusor de haz primario que ensancha de manera difusa el haz láser en la dirección de propagación de haz láser y al menos un generador de haz secundario, en particular un difusor de haz secundario, que divide al menos un haz secundario de haz láser (en particular de forma difusa), en particular lo difracta delhaz láser. El sistema óptico comprende además una óptica de campo cercano que está dispuesta para la focalización del haz láser en una zona de focalización, configurándose la zona de intensidad primaria y la al menos una zona de intensidad secundaria aguas abajo del haz del elemento de conformación de haz.

En un aspecto adicional, un elemento de conformación de haz óptico difractivo, que está diseñado en particular para su uso en un sistema óptico como se divulga en este documento, en el que el elemento de conformación de haz óptico difractivo está diseñado para estampar una progresión de fase en un haz láser previsto para un procesamiento láser de una pieza de trabajo, comprende una máscara de fase diseñada en forma plana. La máscara de fase diseñada en forma plana presenta un área de haz primario con una progresión de fase de difusor de haz primario y al menos un área de haz secundario con zonas que se distribuyen por la zona de haz primario que forman una progresión de fase de difusor de haz secundario. La progresión de fase de difusor de haz primario provoca una difusión de haz en dirección de propagación de un haz láser y la progresión de fase de difusor de haz secundario presenta una progresión de fase tipo rejilla de difracción para la difracción de una parte de haz desde el haz láser, que provoca una difusión de haz a lo largo de una dirección de haz secundario correspondiente, a través de la distribución y/o alineación de las zonas.

En un aspecto adicional se divulga una instalación de procesamiento láser para procesar piezas de trabajo con un haz láser, que presenta una fuente de haz láser, un sistema óptico como se describió anteriormente, en particular con un elemento de conformación de haz óptico difractivo como se divulga en este documento. Además, la instalación de procesamiento por láser comprende un soporte para piezas de trabajo, en particular para sujetar componentes a soldar indirectamente.

En un aspecto adicional, un procedimiento para proporcionar zonas de intensidad para el procesamiento de piezas de trabajo basado en láser mediante modificación de la progresión de fase de un haz láser comprende las siguientes etapas: estampación de una progresión de fase primaria a través de un perfil de intensidad transversal de haz láser, siendo la progresión de fase primaria tal, que el haz láser forma un haz primario difuso, que se ensancha en particular a lo largo de un eje óptico del haz láser que está presente en el caso sin modificar la progresión de fase, y estampar una progresión de fase secundaria a través del perfil de intensidad transversal del haz láser, en el que la progresión de fase secundaria se distribuye por el área de la progresión de fase primaria en zonas y que está diseñado de tal manera que una parte secundaria del haz láser se desvía de manera difusa a lo largo de una dirección de difracción.

Los conceptos aquí descritos se refieren en particular al procesamiento de componentes en los que el procesamiento se debe preparar y/o procesar posteriormente de forma óptica, como por ejemplo, para la limpieza previa y la unión en soldadura indirecta basada en láser.

Aquí se divulgan conceptos que permiten mejorar al menos parcialmente aspectos del estado de la técnica. En particular resultan otras características y sus utilidades de la siguiente descripción de formas de realización con referencia a las figuras. De las figuras muestran:

La Fig. 1 una representación espacial esquemática de una instalación de procesamiento láser,

La Fig. 2 una representación esquemática de un sistema óptico basado en elementos ópticos difractivos (DOE) para la distribución de haz de un haz láser,

La Fig. 3 una matriz de celdas de fase adyacentes,

La Fig. 4A una celda de fase a modo de ejemplo de un DOE con una distribución de fase aleatoria para la formación de un haz primario difuso y con secciones de rejilla de fase para la difracción difusa de una porción de haz del haz láser para formar dos haces secundarios,

La Fig. 4B una distribución de amplitud simulada usando una matriz de celdas de fase de la Fig. 4A,

La Fig. 5A otra celda de fase a modo de ejemplo con una distribución de fase similar a una lente de Fresnel para la formación de haz primario y secciones de rejilla de fase para la formación de haz secundario y

La Fig. 5B una distribución de amplitud simulada usando una matriz de celdas de fase de la Fig. 5A.

Los aspectos aquí descritos se basan en parte en el conocimiento de que procesos de procesamiento láser, por ejemplo, aplicaciones de soldadura indirecta, pueden beneficiarse de una formación de puntos mediante elementos ópticos adecuados, en cuyo caso, por ejemplo, se generan varios puntos en una pieza de trabajo/chapa. Esto puede permitir, por ejemplo, configurar el proceso de soldadura indirecta considerablemente más tranquilo. Pudo verse de este modo que a este respecto apenas pueden aparecer ya salpicaduras, debido a lo cual, los bordes de costura y las superficies pueden formarse mucho más lisos.

En general, los aspectos descritos se basan, por tanto, en parte en el conocimiento de que una distribución de un haz láser para el procesamiento cerca de la pieza de trabajo puede permitir un procesamiento previo y/o posterior de una etapa de trabajo primario con un solo haz láser suministrado.

Los sistemas ópticos propuestos permiten instalar un elemento de formación de puntos requerido tras el eje de rotación de una óptica de guía de haz, que, por ejemplo, presenta una unidad de guía de costura (por ejemplo, táctil).Así, la configuración de puntos formada se puede colocar, por ejemplo, de manera estacionaria con respecto al alambre de soldadura indirecta, es decir, la posición del punto o de los puntos con respecto al alambre puede permanecer invariable durante el proceso de procesamiento láser.

Los aspectos descritos aquí también se basan en parte en el conocimiento de que una distribución en componentes de haz difusos puede permitir el uso de un sistema óptico con diferentes fuentes de haz (parámetros de haz). Ha podido verse por tanto, que los sistemas ópticos basados en particular en uno o más elementos ópticos difractivos (DOE) permiten una generación de zonas de intensidad basadas en componentes de haz difractados de forma difusa junto con una generación de un haz primario transmitido de forma difusa.

En general, también pudo verse que puede realizarse mediante elementos ópticos refractivos o difractivos una formación de puntos que adapta para el correspondiente proceso la correspondiente instalación de procesamiento láser. Por ejemplo, este elemento se puede instalar tras un eje giratorio y/o pivotante de un cabezal de procesamiento. Se puede producir un efecto de desviación, por ejemplo, mediante estampado de ángulos sólidos más altos a través de una estructura de rejilla. Además, puede llevarse a cabo el ensanchamiento, por ejemplo, de un punto central, mediante un diseño de lente de Fresnel difractivo, que actúa, por ejemplo, como una matriz de lentes. Dada una simetría, por ejemplo, un punto circular primario que se encuentra sobre el eje óptico, una matriz de lentes de este tipo es eficaz. Para geometrías complejas se puede usar en combinación con, por ejemplo, una cuadrícula estadística, ose puede usar solamente una cuadrícula estadística.

Los aspectos que se describen aquí también se basan en parte en el conocimiento de que a través de una conformación de haz precisa, por ejemplo, con un DOE, la distribución de intensidad puede complementarse con áreas de limpieza que discurren, por ejemplo, por delante de un área de soldadura indirecta, pudiendo configurarse el uso del DOE en particular para el uso en rangos de longitud de onda predeterminados.

Los aspectos que se describen aquí también se basan en parte en el conocimiento de que se pueden proporcionar varios tipos de progresión de fase para un DOE en la progresión de fase de una máscara de fase, que, por ejemplo, están dispuestas en segmentos correspondientes. De este modo, al utilizar un DOE se pueden estampar progresiones de fase adicionales en un haz láser, que facilitan, por ejemplo, la construcción de un sistema óptico subyacente y/o el aislamiento de una parte de haz útil.

A continuación, en relación con la Fig. 1, se describe una instalación de procesamiento láser a modo de ejemplo, en cuyo caso se pueden implementar los conceptos divulgados en este documento para proporcionar varias zonas de intensidad para el procesamiento láser. Después, con referencia a la representación esquemática de las figuras 2 (sistema óptico) y las representaciones a modo de ejemplo de una matriz de celdas de fase, celdas de fase y distribuciones de amplitud en las figuras 3 a 5B, se explican a modo de ejemplo opciones de implementación utilizando elementos óptimos difractivos (DOE).

La Fig. 1 representa una máquina herramienta 1 con una instalación de procesamiento láser 3 como maquina básica para procesar una pieza de trabajo 5. La máquina herramienta 1 se maneja a través de un panel de control 7 con un sistema de control (no representado de forma explícita). Por ejemplo, al crearse y configurarse programas NC en el panel de control 7, se pueden llevar a cabo desarrollos de trabajo específicos que se adaptan a piezas de trabajo y su procesamiento.

Un dispositivo láser de la instalación de procesamiento láser 3, no mostrado explícitamente en la Fig. 1, sirve para generar radiación láser y se puede basar, por ejemplo, en un láser de estado sólido como un láser de disco o láser de fibra o un láser de gas o un láser de CO2. La guía de haz se puede realizar desde el dispositivo láser a la pieza de trabajo a través de cables de luz láser y/o espejos.

Otros componentes de la máquina herramienta 1 comprenden, por ejemplo, una unidad de alimentación de alambre de soldadura indirecta (ver Fig. 2) y una (por ejemplo, táctil) unidad de guía de costura (no mostrada), que proporcionan un alambre de soldadura indirecta en el foco del láser para unir partes de la pieza de trabajo a lo largo de una línea de costura en el área de la salida del haz. La Fig. 1 muestra a modo de ejemplo de forma ampliada dos piezas de trabajo 5A, 5B a soldar indirectamente, entre las cuales se guía y se suelda indirectamente un alambre de soldadura indirecta 8.

Un desarrollo de trabajo controlado por un sistema de control permite procesar la pieza de trabajo 5 de una manera predeterminada con la cooperación de los componentes más diversos de la instalación de procesamiento láser 3. De este modo, por ejemplo, durante un proceso de soldadura indirecta, el alambre de soldadura indirecta 8 suministrado se puede alinear con la ayuda de la unidad de guía de costura de acuerdo con el curso de una línea de soldadura indirecta.

El sistema de control puede calcular y controlar la trayectoria del láser de forma automática o bajo la influencia del operador. Para que, por ejemplo, la calidad de la soldadura indirecta sea correcta, se puede realizar un procesamiento previo y/o posterior en el área y a lo largo de la costura de soldadura indirecta. Para ello, el control puede ajustar los valores adecuados para parámetros de procesamiento como velocidad de soldadura indirecta, potencia del láser, longitud de onda del láser, etc.

La Fig. 1 también muestra esquemáticamente la estructura de la instalación de procesamiento láser 3, la cual se encuentra, por ejemplo, en el espacio interior de una cabina de protección. La instalación de procesamiento láser 3 presenta una unidad de movimiento 9 con componentes funcionalmente relevantes tales como carros X, Y y Z9A, 9B, 9C para el movimiento de componentes de guía de haz y de suministro de medios, en relación con la pieza de trabajo 5.

En general, los componentes de guía de haz pueden comprender cables de luz láser, una pluma en Z, una óptica de colimación y una óptica de procesamiento para guiar y enfocar el haz láser sobre la pieza de trabajo 5. La óptica de procesamiento se proporciona normalmente en parte, en un cabezal de procesamiento 11 con una unidad de alimentación de alambre de soldadura indirecta (vea Fig. 2) y, dado el caso, boquillas de salida de gas. En la forma de realización representada a modo de ejemplo, el cabezal de procesamiento 11 se puede posicionar y alinear esencialmente de manera libre en el espacio, por ejemplo, mediante otros ejes de rotación y pivotamiento. Como añadidura o como alternativa, esto se puede hacer mediante grados de libertad de movimiento de un soporte para la pieza de trabajo. De esta manera, el haz láser emergente se puede dirigir de manera precisa sobre la pieza de trabajo 5, en particular suministrándose el alambre de soldadura indirecta a lo largo de la costura de soldadura indirecta durante un proceso de soldadura indirecta. Otros ejes, en particular redundantes, pueden mejorar un ajuste rápido de la posición y alineación del cabezal de procesamiento 11 con respecto a la pieza de trabajo 5. Si, por ejemplo, el haz láser/el cabezal de procesamiento 11 y la pieza de trabajo 5 se mueven en relación entre sí, se puede producir una soldadura indirecta continua en una trayectoria de procesamiento.

Como se explica a continuación, una zona de borde de la zona de soldadura indirecta de la pieza de trabajo 5 se puede procesar de manera previa o posterior en procesos de soldadura indirecta a modo de ejemplo al soldarse indirectamente con el haz láser. Para ello, el haz láser se divide para proporcionar varias zonas de intensidad en la pieza de trabajo 5. En la Fig.1 se muestra esquemáticamente para la aclaración una gran zona de intensidad primaria para soldar indirectamente en el alambre de soldadura indirecta, que está precedida a izquierda y derecha por dos zonas de intensidad secundaria más pequeñas, por ejemplo, para fines de limpieza.

La pieza de trabajo 5 puede estar alojada con una técnica de sujeción (no mostrada) de manera estacionaria en un dispositivo de alojamiento de pieza de trabajo 13 (representado a modo de ejemplo como una mesa en la Fig. 1). En formas de realización alternativas, la pieza de trabajo 5/el dispositivo de alojamiento de piezas de trabajo 13 o solamente la pieza de trabajo 5/el dispositivo de alojamiento de piezas de trabajo 13 se pueden mover también en el espacio. Los conceptos implementados aquí también se pueden utilizar en tales configuraciones adaptados correspondientemente.

La pieza de trabajo 5 es, por ejemplo, una pieza de construcción conformada en caliente para un vehículo de motor, por ejemplo, un portón trasero o un elemento de techo. Además, la pieza de trabajo puede formarse, por ejemplo, a partir de piezas de placa, es decir, extenderse esencialmente en un plano. También es posible un tubo o una pieza de trabajo en forma de barra. Las piezas de trabajo típicas son de un metal, como, por ejemplo, acero, aluminio o cobre, o de una aleación de metal. También son posibles, no obstante, cerámicas funcionales, plásticos, materiales orgánicos u otros materiales.

Durante la soldadura indirecta, la distancia entre la salida del haz en un área de salida de haz 11A y la pieza de trabajo 5 debe ajustarse con la mayor precisión posible a una distancia de trabajo, para que el foco esté posicionado de manera óptima con respecto a la superficie del material, durante todo el proceso de procesamiento y el alambre de soldadura indirecta se pueda guiar de manera óptima en el espacio de soldadura indirecta. Dado que incluso pequeñas desviaciones en la distancia pueden influir en el resultado, la distancia de trabajo se puede monitorear y reajustar de forma continua mediante un sistema de sensor activo para un seguimiento de costura controlado.

La Fig. 2 muestra esquemáticamente una estructura óptica, que podría ser la base de la instalación de procesamiento láser 3 de la Fig. 1. La luz láser de una fuente de haz láser 15 se suministra a una unidad de acoplamiento de luz láser de una óptica de procesamiento 19 con, por ejemplo, un cable guía de luz 17. La óptica de procesamiento 19 comprende de forma general, por ejemplo, una unidad de guía de haz 21 y el cabezal de procesamiento 11. La unidad de acoplamiento de luz láser es, por ejemplo, una unidad de recepción de cable guía de luz 23, a la cual uno o más cables guía de luz, por ejemplo, el cable guía de luz 17, pueden sujetarse o están sujetos. En el caso de varias fuentes de haz láser/cables guía de luz, se puede suministrar respectivamente luz a una fuente de haz láser correspondiente que tenga parámetros de haz específicos. El cabezal de procesamiento 11 está montado de forma giratoria, por ejemplo, en la unidad de guía de haz 21 con una unidad de rotación 24, de modo que puede producirse una alineación del haz láser que sale (vea el área de salida de haz 11A en la Fig. 1) alrededor de un eje de rotación. La capacidad de rotación se indica a modo de ejemplo mediante una flecha.

Fuentes de haz láser a modo de ejemplo incluyen láseres de disco (con una emisión de, por ejemplo, 1030 nm) o láseres de diodo (con una emisión de, por ejemplo, 938 nm, 968 nm y 989 nm). Con vistas a los conceptos basados en DOE que se explican a continuación, las diferencias de longitud de onda son esencialmente de tamaño insignificante (por ejemplo, en el rango del 5%), de modo que pueden utilizarse máscaras de fase en varias longitudes de onda con esencialmente los mismos efectos.

Además, la estructura óptica de la óptica de procesamiento 19, y en particular un sistema óptico 25 del cabezal de procesamiento 11, está concebida de tal manera que se pueden usar diferentes calidades de haz. La calidad de haz está condicionada, por ejemplo, por el diámetro del cable guía de luz 17 utilizado. Por ejemplo, la estructura óptica, en particular el sistema óptico 25, está diseñada para cables guía de luz con diferentes diámetros. En algunas formas de realización, la óptica de procesamiento 19, y en particular el sistema óptico 25, pueden diseñarse, por ejemplo, para diámetros de cable guía de luz de 600 pm a 100 pm.

A la óptica de procesamiento 19, y en particular al sistema óptico 25, normalmente se le puede asignar un eje óptico (primario) que, por ejemplo, atraviesa puntos de simetría de lentes y a lo largo del cual discurriría un haz láser en caso de que la progresión de fase no fuera modificada.

Con los conceptos de difusor divulgados en este documento, por ejemplo, basados en un DOE, es posible volver a clasificar los componentes de haz con parámetros de haz correspondientemente diferentes. La calidad de haz se deteriora a este respecto con el aumento de los diámetros de los cables guía de luz, funcionando siempre mejor la reclasificación para mejores calidades de haz. En consecuencia, el concepto se puede diseñar, por ejemplo, para un diámetro de cable guía de luz de 600 pm, de modo que se da también una suficiente distribución del haz láser para diámetros de cable guía de luz de 200 pm y/o 100 pm.

Con referencia adicional a la forma de realización a modo de ejemplo de la Fig. 2, la unidad de guía de haz 21 de la óptica de procesamiento 19 comprende una lente de colimación 27 y un espejo de flexión 29. La lente de colimación 27 está dispuesta en particular para la colimación de la luz que emerge del cable guía de luz 17 colocado en la unidad de recepción de cable guía de luz 23. Por ejemplo, después del espejo de flexión 29, se pone a disposición una sección de haz 31 en particular colimada, que se extiende a lo largo del eje giratorio de la unidad de rotación 24 hacia el cabezal de procesamiento 11, y en particular hacia un elemento de conformación de haz 33 del cabezal de procesamiento 11. En la sección de haz 31, el haz láser presenta un perfil de intensidad de entrada transversal 35, por ejemplo, un perfil de intensidad gaussiano, que incide así en el elemento de conformación de haz 33.

Además del elemento de conformación de haz 33, el cabezal de procesamiento 11 comprende un espejo de flexión 37 y una lente de enfoque 39. La lente de enfoque 39 forma, por ejemplo, junto con la lente de colimación 27, una estructura de telescopio que reproduce la salida del cable guía de luz sobre una zona de enfoque 41 en el área de salida del haz 11A.En general, de este modo, componentes de potencia, los cuales, por ejemplo, debido a diseño imperfecto del elemento de conformación de haz 33, pueden pasar sin modular a una longitud de onda láser que acaba de ser acoplada, de éste, ser focalizados por la lente de enfoque 39 en el área central de la zona de enfoque 41, y así, por ejemplo, en el rango de intensidad primaria del punto de soldadura indirecta. La unidad de alimentación de alambre de soldadura indirecta 12, que está dispuesta de forma giratoria con el cabezal de procesamiento 11, proporciona el alambre de soldadura indirecta 8 en la zona de enfoque 41 para un proceso de soldadura indirecta.

De acuerdo con los conceptos de división del haz explicados a continuación a modo de ejemplo, en algunas formas de realización, el elemento de conformación de haz 33 puede estar configurado de tal manera que el perfil de intensidad de entrada 35 también se vea influenciado, de modo que, por ejemplo, esté presente un perfil Top Hat en el foco de los haces primarios y/o secundarios que se explican a continuación, pudiendo configurarse de forma general otros perfiles. Así, por ejemplo, es posible una distribución de potencia homogénea en el punto de soldadura indirecta y/o los puntos de limpieza.

El elemento de conformación de haz 33 está configurado, por ejemplo, como un elemento óptico difractivo (DOE). En particular, está configurado para proporcionar una distribución de potencia en la zona de enfoque 41, que se divide en una parte, por ejemplo, para limpiar/quitar el zinc, y una parte, por ejemplo, para soldar indirectamente.

El elemento de conformación de haz 33 está diseñado de forma general para estampar una progresión de fase de conformación de haz en el haz láser a través de su perfil de intensidad de entrada transversal 35. La progresión de fase forma un difusor de haz primario que ensancha de manera difusa el haz láser en la dirección de ensanchamiento de haz láser, y al menos un difusor de haz secundario, por ejemplo, que difracta de forma difusa al menos un haz secundario del haz primario.

En el caso de un DOE, la estampación de fase se realiza con una máscara de fase de configuración plana que tiene un área de haz primario con una progresión de fase de difusor de haz primario y al menos un área de haz secundario con zonas que se distribuyen sobre el área de haz primario, que forman una progresión de fase del difusor de haz secundario. La progresión de fase del difusor de haz primario provoca una difusión de haz en la dirección de propagación del haz láser, presentándola progresión de fase del difusor de haz secundario una progresión de fase tipo rejilla de difracción para desviar “hacia el exterior” una parte de haz desde el haz láser. La progresión de fase del difusor de haz secundario puede provocar en particular una difusión de haz en dirección de difracción, a través de la distribución de las zonas y ligeras variaciones de la alineación de la progresión de fase tipo rejilla de difracción. Sin difusión de haz en dirección de difracción, la progresión de fase del difusor de haz secundario funciona en consecuencia como generador de haz secundario.

Como se muestra en la Fig. 3, una máscara de fase 43 de un DOE puede formarse, por ejemplo, mediante una matriz de celdas de fase 45 contiguas entre sí con progresiones de fase idénticas o idénticas presentes en grupos. Aquí, el elemento estructural, que da lugar a la estampación de fase y tiene un diseño plano, de un elemento de conformación de haz óptico difractivo, ya sea un SLM ajustable o un DOE inscrito de forma permanente, se denomina máscara de fase. Dependiendo del diseño del DOE, se puede utilizar en transmisión o en reflexión para estampar una progresión de fase en un haz láser. Para los conceptos divulgados en este documento, al menos una pluralidad de celdas de fase 45 presenta un área de haz primario y una o varias zonas de la progresión de fase del difusor de haz secundario distribuidas sobre el área de haz primario. En la Fig. 3 están marcados con P/S. En algunas matrices de fase puede haber configuradas celdas de fase individuales 45 únicamente como área de haz primario o secundario. En la Fig. 3 las celdas de fase de las esquinas están marcadas a modo de ejemplo como celdas de fase primaria puras con P.

La Fig. 4A muestra una celda de fase 47 que, como ejemplo de una progresión de fase de difusor de haz primario en un área de haz primario P, presenta una distribución aleatoria de la fase. Si una progresión de fase de este tipo estuviera presente de manera homogénea en todas las celdas de fase de una máscara de fase, el haz láser conduciría en la zona de enfoque 41 a una zona de intensidad ampliada de forma difusa. Debido a la generación de haz secundario que se explica a continuación, el componente de potencia se reduce en esta zona de intensidad primaria ampliada de forma difusa en el plano de enfoque 4, ya que se emite un componente de potencia correspondiente a la una o más zonas de intensidad secundaria.

Esto se aclara en la Fig. 4B mediante una zona de intensidad primaria 49. A modo de comparación se representa en la Fig. 4B la imagen no ampliada de forma difusa del diámetro de fibra mediante un círculo central a rayas 51 en el centro de la zona de intensidad primaria 49. Debido a las propiedades de difusor de la distribución aleatoria, la zona de intensidad primaria 49 se agranda de forma significativa, por ejemplo, de 600 gm a 3 mm.

La zona de intensidad primaria está rodeada en el plano de enfoque 41 por un entorno 53 esencialmente libre de intensidad.

En la Fig. 4A se pueden ver en la celda de fase 47 una pluralidad de secciones de rejilla de fase S1 y S2, que representan la progresión de fase del difusor de haz secundario en forma de secciones de rejilla de fase lineales, en particular en forma de secciones de rejilla de Blaze. La alineación de las secciones de rejilla de fase se divide de forma esencial en dos grupos. Un primer grupo (secciones de rejilla de fase S1) presenta progresiones de fase lineales que discurren esencialmente de forma ortogonal con respecto a una flecha A1, mientras que un segundo grupo (secciones de rejilla de fase S2) presenta progresiones de fase lineales que discurren esencialmente de forma ortogonal con respecto a una flecha A2. Las estructuras de rejilla de difracción dan lugar a que una parte del haz láser se difracte fuera del haz primario, de forma específica en dos direcciones que están indicadas por las flechas A1 y A2.

En consecuencia, en la Fig. 4B se pueden ver dos zonas de intensidad secundaria 55, 57, que están dispuestas fuera de la zona de intensidad primaria 49. En la zona de enfoque 41 a modo de ejemplo de la Fig. 4B, las zonas de intensidad secundaria 55, 57 están inclinadas tan lejos del centro con respecto a una dirección de traslación T que limpian las áreas de borde de la zona de intensidad primaria 49 (ortogonalmente con respecto a la dirección de traslación T). De manera correspondiente, las dos progresiones de fase de difusor de haz secundario S1, S2 de la Fig. 4A discurren en un ángulo entre sí, que se selecciona, por ejemplo, de tal modo que junto con el desplazamiento de las zonas de intensidad secundaria 55, 57, se irradian las áreas de borde a ambos lados de la zona de intensidad primaria 49. Por ejemplo, el ángulo a es inferior a 90° para garantizar una cierta distancia entre los puntos de limpieza (distancia de retardo en el caso de puntos de procesamiento posterior).

Además, las orientaciones de las progresiones de fase del difusor de haz secundario S1, S2 de la Fig. 4A varían de forma ligera de una sección a otra o dentro de una sección. Esto tiene el efecto de que los haces secundarios también se ensanchan de forma difusa. Por ejemplo, en la Fig. 4B se indica un factor de aproximadamente “2” con respecto al diámetro de la fibra (círculo 51). Con una potencia láser total de 6kW puede resultar, por ejemplo, una densidad de potencia de 0,6 kW/mm2 en el punto central, así como una densidad de potencia de 1,8 kW/mm2 en los dos puntos de limpieza de un proceso de soldadura indirecta.

Las máscaras de fase con celdas de fase 47 según la Fig. 4A pueden presentar una eficacia superior al 90% en el caso de la distribución de haz.

Si se desea aumentar la eficiencia, se puede utilizar, tal como se muestra a modo de ejemplo en la Fig. 5A, una celda de fase 47’ con una progresión de fase de difusor de haz primario en un área de haz primario P’. La celda de fase 47’presenta una progresión de fase difractiva, en particular tipo lente de Fresnel, en área del haz primario P’ en la que influye una redistribución de las intensidades en la zona de intensidad primaria. En la Fig. 5A se pueden ver correspondientemente estructuras anulares.

Con una progresión de fase de este tipo se puede, por ejemplo, conseguir un perfil de intensidad similar a un perfil Top Hat en una zona de intensidad primaria 59 (vea la Fig. 5B) con una eficiencia de, por ejemplo, más del 95%. Esto permite, por ejemplo, proporcionar una iluminación homogénea de la zona de intensidad primaria 59.

Además, se puede integrar un efecto de enfoque que, por ejemplo, reduce el tamaño de la zona de intensidad primaria 59 de la Fig. 5B en comparación con la zona de intensidad primaria 49 de la Fig. 4B.

También se puede ver en la Fig. 5B que el efecto difusor de las secciones de rejilla de fase S1, S2 también se ha reducido para generar zonas de intensidad secundaria 61, 63 más pequeñas.

En otras palabras, la configuración de la progresión de fase en la que se basan las figuras 5A y 5B es una mezcla de una matriz de lentes difractivas (lente de Fresnel) y una rejilla estadística. La matriz de lentes asegura una iluminación homogénea del punto de soldadura indirecta, la rejilla da lugar a la reordenación de componentes de potencia alejándose del eje óptico, hacia las áreas de limpieza. El difusor primario puramente estadístico explicado en relación con las figuras 4A, 4B de manera general puede ser algo más ineficiente (aproximadamente un 5% menos de eficiencia).

Si se varía ahora la calidad de haz del haz láser de entrada, por ejemplo, utilizando un diámetro de fibra más pequeño, el resultado es una mayor iluminación de la máscara de fase, en particular con una fibra NA constante, manteniéndose los efectos de difusor con respecto al área de haz primario y al área de haz secundario determinantes para los tamaños de la zona de intensidad primaria y de la zona de intensidad secundaria. Un núcleo de fibra más pequeño con la misma fibra NA da como resultado una mejor calidad de haz, debido a lo cual puede iluminarse por su parte un área más grande del difusor. Si se iluminan suficientes células del difusor, se asegura su eficacia. Por otro lado, un deterioro en la calidad de haz puede conducir tras la colimación a un haz cada vez más pequeño, por lo que el efecto de difusor puede disminuir cada vez más.

El elemento de conformación de haz 33 puede además estar dispuesto de manera que pueda girar alrededor de un eje de haz del haz láser incidente para, en particular, alinear la posición de la al menos una zona de intensidad secundaria con respecto a la zona de intensidad primaria en el plano de enfoque 41. También se reconoció que al alinear/rotar el DOE dentro del sistema óptico, se puede adaptar el procesamiento láser a trayectorias de procesamiento deseadas.

La forma de realización explicada en relación con la Fig. 2 con la disposición del elemento de conformación de haz 33 siguiendo a la unidad de rotación 24 (detrás del plano de rotación) puede permitir colocar el alambre de soldadura indirecta y las zonas de intensidad en una posición fija entre sí. Además, puede preverse, por ejemplo, el elemento de conformación de haz 33 o todo el cabezal de procesamiento 11 de forma reemplazable, para que sean variables en las distribuciones de zonas de intensidad, por ejemplo, para poder hacer frente a grosores de alambre de soldadura indirecta variables (por ejemplo, en el intervalo de 0,1 mm a 3 mm).

Los conceptos explicados en relación con las figuras 4A y 5A permiten, por ejemplo, que se proporcionen al menos dos porciones principales de entrada para la limpieza, respectivamente en los bordes de la zona de soldadura indirecta más grande. La distribución en un haz primario y dos haces secundarios separados de forma espacial se puede reemplazar alternativamente, por ejemplo, por zonas de intensidad que pasan una a la otra en forma de U o V. En estos casos, los componentes del haz/puntos focales del haz que se desvían de la dirección de propagación normal se deben entender como haces secundarios.

En algunas formas de realización, los elementos de conformación de haz DOE pueden ser reemplazados o complementados total o de forma parcial, por elementos ópticos refractivos, tales como matrices de lentes.

Las formas de realización de las figuras 4A y 5A se pueden implementar con elementos de conformación de haz de transmisión (alternativamente también reflectantes) inscritos de forma permanente. La digitalización puede referirse a este respecto al uso de valores discretos para el desplazamiento de fase y/o la estructura lateral (por ejemplo, estructura de píxeles). El uso alternativo de moduladores de luz espaciales (SLM) es además una de las diferentes posibilidades de implementar la conformación de haz mediante elementos ópticos difractivos (DOE) programables o inscritos de forma permanente.

En general, los SLM permiten cambios de fase muy finos con una resolución lateral más gruesa, en contraste con, por ejemplo, DOE inscritos de forma permanente producidos litográficamente. Los DOE inscritos de forma permanente presentan, por ejemplo, escalones plano-paralelos, cuyo grosor determina la fase. A este respecto, la producción litográfica permite una alta resolución lateral. Las etapas binarias pueden producir perfiles de haz reales y virtuales. Solo un número de más de dos cambios de fase puede producir una diferenciación en el sentido de una dirección preferida. De este modo, cuatro u ocho o más cambios de fase pueden permitir una conformación de haz eficiente del perfil de haz. Sin embargo, la discretización puede provocar órdenes secundarios, los cuales pueden, por ejemplo, filtrarse. Los procesos de fabricación de microestructuras continuas incluyen, por ejemplo, la litografía analógica o la litografía por nano impresión.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Elemento de conformación de haz óptico difractivo (33), en particular para su uso en un sistema óptico (25), estando configurado el elemento de conformación de haz óptico difractivo (33) para estampar una progresión de fase en un haz láser (31) previsto para el procesamiento láser de una pieza de trabajo (5),

con una máscara de fase (43) de configuración plana,

caracterizado por que

la máscara de fase (43) de configuración plana presenta un área de haz primario (P, P’) con una progresión de fase de difusor de haz primario y al menos un área de haz secundario con zonas (S1, S2) que configuran una progresión de fase de generador de haz secundario, distribuidas por el área de haz primario (P, P’), comprendiendo la progresión de fase de difusor de haz primario una distribución aleatoria de la fase y/o una progresión de fase difractiva, debido a lo cual se da lugar a una difusión de haz en dirección de propagación de un haz láser (31), y

presentando la progresión de fase de generador de haz secundario una progresión de fase tipo una rejilla de difracción para difractar una parte de haz del haz láser (31).

2. Elemento de conformación de haz óptico difractivo (33) según la reivindicación 1, comprendiendo la progresión de fase de difusor de haz primario en el área de haz primario (P, P’) una progresión de fase difractiva tipo lente de Fresnel y/o estando configurada para formar un perfil de haz Top Hat.

3. Elemento de conformación de haz óptico difractivo (33) según la reivindicación 1 o 2, dando lugar la progresión de fase de generador de haz secundario a una difusión de haz a lo largo de una dirección de haz secundario correspondiente a través de la distribución y/o alineación de las zonas (S1, S2), y/o

variando la alineación de la progresión de fase de generador de haz secundario dentro de una zona (S1, S2) o entre zonas (S1, S2).

4. Elemento de conformación de haz óptico difractivo (33) según una de las reivindicaciones 1 a 3, presentando la progresión de fase de generador de haz secundario secciones de rejilla de fase lineales, en particular secciones de rejilla de Blaze, y/o

estando previstas al menos dos progresiones de fase de difusor de haz secundario, cuyas direcciones de deflexión se extienden en un ángulo (a), en particular en un ángulo inferior a 90° entre sí.

5. Elemento de conformación de haz óptico difractivo (33) según una de las reivindicaciones 1 a 4, presentando la máscara de fase (43) celdas de fase (45) adyacentes entre sí con progresiones de fase idénticas o idénticas en grupos, y/o

presentando al menos una pluralidad de las celdas de fase (45) de una máscara de fase (43) un área de haz primario (P, P’) y zonas (S1, S2) de la progresión de fase del generador de haz secundario distribuidas sobre el área de haz primario, y/o

estando configurado el elemento de conformación de haz (33) como elemento óptico difractivo programable o inscrito de forma permanente.

6. Sistema óptico (25) para la división del haz de un haz láser (31) para proporcionar una zona de intensidad primaria (49; 59) y al menos una zona de intensidad secundaria (55, 57; 61, 63) para el procesamiento de piezas de trabajo con

un elemento de conformación de haz óptico difractivo (33) según una de las reivindicaciones 1 a 5, que está diseñado para estampar una progresión de fase de conformación de haz en el haz láser (31) a través de un perfil de intensidad de entrada transversal (35), y una óptica de campo cercano (39) que está dispuesta para enfocar el haz láser (31) en una zona de enfoque (41) formándosela zona de intensidad primaria (49; 59) y la al menos una zona de intensidad secundaria (55, 57; 61,63) aguas abajo del haz del elemento de conformación de haz (33).

7. Sistema óptico (25) según la reivindicación 6, además con

una unidad de acoplamiento de luz láser, en particular una unidad de recepción de cable guía de luz (23) y/o una lente de colimación (27) para proporcionar una sección de haz en particular colimada con el perfil de intensidad de entrada transversal (35) que incide en el elemento de conformación de haz (33), estando dispuesta la lente de colimación (27) en particular para la colimación de la luz que emerge de un cable guía de luz (17) colocado en la recepción de cable guía de luz (23).

8. Sistema óptico (25) según la reivindicación 6 o 7, además con

una unidad de alimentación de alambre de soldadura indirecta (12) para proporcionar un alambre de soldadura indirecta (8) en la zona de intensidad primaria (49; 59) y donde la al menos una zona de intensidad secundaria (55, 57; 61, 63) está dispuesta en particular lateralmente de la línea de conexión desde la posición de extremo de alambre de soldadura indirecta hasta la zona de intensidad primaria (49; 59) y en el área o fuera del área del área de borde de la zona de intensidad primaria (49; 59).

9. Sistema óptico (25) según una de las reivindicaciones 6 a 8, estando dispuesto el elemento de conformación de haz (33) de forma giratoria alrededor de un eje de haz del haz láser (31) incidente, en particular para alinear la posición de la al menos una zona de intensidad secundaria (55, 57; 61,63) con respecto a la zona de intensidad primaria (49; 59).

10. Sistema óptico (25) según una de las reivindicaciones 6 a 9, además con

una unidad de cabezal de procesamiento (11) que presenta el elemento de conformación de haz (33), en particular un espejo de flexión (37), la lente de enfoque (39) y en particular, el dispositivo de sujeción de alambre de soldadura indirecta (12), y

una unidad de alimentación de haz (21) que comprende en particular la recepción de cable guía de luz (23) y la lente de colimación (27),

estando dispuesta la unidad de cabezal de procesamiento (11) de manera que puede girar alrededor de un eje de rotación que se extiende esencialmente a lo largo del eje óptico, con respecto a la unidad de alimentación de haz (21).

11. Sistema óptico (25) según una de las reivindicaciones 6 a 10, estando configurado el generador de haz secundario como difusor de haz secundario que da lugar a una difusión de haz en dirección de difracción.

12. Instalación de procesamiento láser (3) para procesar piezas de trabajo con un haz láser (31) con

una fuente de haz láser (15),

un sistema óptico (25) según una de las reivindicaciones 6 a 11 y

un soporte de pieza de trabajo (13), en particular para sujetar componentes a soldar indirectamente (5A, 5B).

13. Procedimiento para proporcionar zonas de intensidad (49, 55, 57; 59, 61, 63) para el procesamiento de piezas de trabajo con láser mediante modificación de la progresión de fase de un haz láser (31), caracterizado por las siguientes etapas:

estampar una progresión de fase primaria a través de un perfil de intensidad transversal (35) del haz láser (31), comprendiendo la progresión de fase primaria una distribución aleatoria de la fase y/o una progresión de fase difractiva, de tal modo que el haz láser (31) forma un haz primario difuso que se propaga en particular a lo largo de un eje óptico del haz láser (31) presente en el caso sin modificar la progresión de fase, y

estampar una progresión de fase secundaria sobre el perfil de intensidad transversal (35) del haz láser (31), estando la progresión de fase secundaria distribuida por el área de la progresión de fase primaria en zonas (S1, S2) y estando diseñado de manera que un componente secundario del haz láser (31) se desvía a lo largo de una dirección de difracción.

14. Procedimiento según la reivindicación 13, desviándose el componente secundario del haz láser (31) de forma difusa a lo largo de una dirección de difracción.

15. Procedimiento según la reivindicación 13 o 14, además con las etapas

enfocar el haz primario y la parte secundaria de haz láser (31) en una zona de enfoque (41) para formar una zona de intensidad primaria (49;59) para el procesamiento láser, y en particular para procesamiento por soldadura indirecta láser, y al menos una zona de intensidad secundaria (55, 57; 61,63) que está dispuesta fuera de la zona de intensidad primaria, y

dar lugar a un movimiento relativo entre las zonas de intensidad (49, 55, 57; 59, 61,63) y la pieza de trabajo (5) a procesar, de tal manera que la al menos una zona de intensidad secundaria (55, 57; 61, 63) está dispuesta desplazada lateralmente con respecto a una dirección de movimiento (T) en el área del área de borde de la zona de intensidad primaria y, en particular da lugar a un procesamiento láser preparatorio o de procesamiento posterior del área de borde de la zona de intensidad primaria (49; 59).