专利名称：用于激光光斑调整的方法及用于执行该方法的激光装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于借助激光装置对用于エ件的激光处理、优选地为用于待接合エ件的激光塑性焊接的高强度激光光斑进行调整的方法以及用于执行该方法的激光装置。所述激光装置包括发射激光束的激光器和用于会聚激光束的至少ー个聚焦透镜以及用于调整激光束的光束直径的光学操作元件，其中所述光学操作元件被构造为将原始激光束分成指向エ件的一束(bundle)局部激光束的衍射光学元件。
背景技术：
当借助激光器处理工件时，通常借助光学聚焦系统将由激光器发射的并且典型地对准至较小的光束横截面的未聚焦的激光辐射聚焦，并且将已聚焦的激光束引导到待处理的エ件的材料表面上。已聚焦的激光束的射束轴可能相对于エ件的材料不可移动，或者可以沿处理路径被移动。同吋，由于聚焦而得到的并且确定焦平面的已聚焦的激光辐射的减小的直径被保持在エ件的交互表面的至少部分地吸收激光辐射的区域中。用于材料处理的激光辐射可由用一个或多个辐射源产生的ー个或多个光束组成。其中已聚焦的激光辐射进入待处理工件的材料的借助激光器的材料处理方法包括例如钻孔、研磨、切割或焊接。当借助激光辐射处理及接合エ件时，聚焦在エ件上的激光束的尺寸和形式起着重要作用。所产生的激光高強度光斑内的正确调整的功率密度分布具有特殊的重要性。激光源通常具有需要借助适当措施被变换为期望尺寸和所需形式的圆形高斯型光束轮廓(beamprofile) 0在这个背景下，从ー些专利公开中已知衍射光学元件(DOE)被用于对专门用于激光塑性焊接和激光焊接的光束进行成形。关于现有技术，我们參考下述公开文献US2003/098 295 AUUS 7, 009, 138 B2、EP I 449610 AUEP I 524 096 A3,EP O 184 290 Al以及WO 2009/045 320。来自现有技术的引用全部针对借助DOE将由激光器发射的激光束分割为局部光束以便使其独立于彼此地达到不同的处理点，并且在关联的处理点上同时或准同时地作用于エ件。常见的衍射光学元件的功能和布置对于本领域技术人员而言是公知的，因而在这个背景下不需要解释。例如在激光塑性焊接的情况下，可借助光纤耦合ニ极管激光器作为激光源为エ件的激光处理在エ件上产生的高强度激光光斑的直径由纤芯直径和成像系统给定并且在使用普通的光学操作元件的情况下仅可在有限程度内被影响。然而，在许多情况下，需要产生明显宽于激光光斑直径的焊缝。如果要用连续轮廓方法来实现这样更宽的焊缝，则需要或者用横向位移的激光束沿焊接轮廓遍历两次或更多次，或者以使焦平面不与例如为エ件表面的交互表面重合的方式重新调整成像系统。当将扫描器用于激光束到エ件的准同时传输吋，同样借助纤芯直径、准直透镜以及聚焦透镜-典型地为具有一定操作域的平面物镜对激光光斑的尺寸的调整仅可能达到上述程度。如果期望更宽的焊接线，则也必须在不同时刻若干次遍历焊接轮廓的轨迹。通常，如果エ件的交互表面与激光装置的焦平面重合，则到エ件的能量传递是最佳的。这里，激光光斑具有由激光装置确定的最高能量密度的直径。如果焊缝的宽度或焊接轮廓宽于由光学系统确定的激光光斑的直径，则这将始終需要额外的处理时间，这对生产成本具有负面影响，因而是所不期望的。
发明内容
鉴于以上提及的现有技术，本发明致力于解决提出用于将与焦平面关联的最佳激光光斑直径放大至对应于待制作的焊缝的宽度的某一期望宽度的方法的问题。根据本发明，通过具有专利权利要求I的特征的方法和具有相关的专利权利要求10的特征的激光装置来解决这个问题。在相关的专利权利要求中给出了本发明的其他有利的实施例。本发明的核心思想是借助衍射光学元件(DOE)将典型地由准直透镜校准的原始激光束分割为局部激光束，并且重新合成所述局部激光束，得到形成指向エ件并且作用于其的改进的激光束的一束光束。具体地，可以借助DOE来确定所述局部激光束的数量、它们的横向间隔、它们的直径以及所述一束光束的总直径。在根据本发明的用于调整用于エ件的处理、例如用于待接合エ件的激光塑性焊接的高强度激光光斑的方法中，使用的激光装置包括发射激光束的激光器和用于会聚激光束的至少ー个聚焦透镜以及用于调整所述一束光束的直径的光学操作元件。根据本发明，借助衍射光学元件作为光学操作元件，优选地在焦平面上、与其扩展方向垂直地、通过集中由衍射光学元件产生的局部激光束将所述一束光束的直径以及由此直径确定的、エ件上的激光光斑的直径放大至期望尺度。出于这个目的，从原始激光束产生的局部激光束被合成为具有重叠和/或任意期望形式的间隙以形成指向エ件的总激光束，其中该总激光束作用于单个处理点。由衍射光学元件确定激光束的总直径。激光光斑的直径在焦平面上的放大也明显导致不同程度远离焦平面、即在焦平面上方和下方的激光光斑直径的放大。如果在借助高强度激光光斑对エ件的激光处理期间焦平面与交互表面共享共同的平面，则是最佳的。显然，关于エ件，激光装置的成像系统也可以被布置在使激光装置的焦平面与例如为エ件的接触表面的交互表面不重合的距离上。在本发明的一个实施例中，由衍射光学元件产生的局部激光束在它们的边缘处重叠，得到由于横向重叠而被形成的连续光束轮廓。形成合成激光束的一束光束在エ件上产生相对于エ件被移动的、用于处理工件的无间隙的激光光斑。在本发明的另ー实施例中，由衍射光学元件产生的局部激光束在它们的边缘处不重叠，导致离散间隔的光点的ー维或ニ维光束轮廓被形成。在エ件上，合成光束产生也相对于エ件被移动的光点图案。为了借助电磁能量来处理工件，在上文所描述的局部激光束相对于彼此的布置中，由局部激光束形成经由激光光斑作用于单个处理点的总激光束。所述激光光斑可包括局部激光束的重叠或局部激光束之间任意形状的间隙。在任何一种情况下，可以在エ件中按照这种方式产生的温度分布线都不是均匀的。然而，出于导热性的物理原因，温度的均衡在温度分布线的不同温度位置之间发生在エ件上。具体地，由于在エ件的材料中的交互，光束轮廓的光点图案被集合在一起以形成连续的有效轮廓(active profile)。 除了产生针对某一束光束直径的局部激光束之外，衍射光学元件还能够根据DOE的设计在局部激光束之间均匀地或不同地分割原始激光束的能量。根据用于エ件的不同处理目的或用于不同材料的エ件的方法的预计用途，杯状光束轮廓或某些其他特殊形式中的ー种与高原-棚盖(plateau-shed)光束轮廓相比可能更有利于处理,并且可用专门设计的DOE来实现。在根据本发明的方法的优选实施例中，就強度和/或功率而言对由衍射光学元件针对合成光束轮廓而产生的局部激光束加权，使得不同的光束轮廓可针对激光光斑被形成。通过DOE的特定设计来实现局部光束的功率的加权。不同的加权需要全新的DOE设计被开发。 优选地，以使强度或功率在边缘处比在中心处更强的方式执行将在エ件上产生合成激光光斑的针对杯状光束轮廓对局部光束的加权。相对于激光光斑的中心，通过以下函数确定合成激光束的光束轮廓在由坐标(Χ，γ)确定的轮廓点上的強度
_6] =其中b代表半径，P代表总强度并且r代表所涉及的轮廓点距合成激光束的中心的距离。所涉及的轮廓点的距离为r =如2+y2其中r小于b。通常，根据本发明所提出的方法可以结合光纤激光器或ニ极管激光器来使用。光纤激光器是固态激光器的特殊形式并且与ニ极管激光器相比具有明显更好的光束质量。从激光器开孔射出的激光束的特点是具有极小的发散度。光束轮廓的能量密度分布，即能量密度的高斯分布线比同样功率的ニ极管激光器的窄多倍。这使得光纤激光器尤其适合于エ件的激光处理。在本发明中，易于借助不同设计的衍射光学元件来实现一束激光束的不同尺寸。有利地，对于一束光束和合成激光光斑的不同调整，使用不同设计的可互換D0E，这样的DOE被采用而无需相对于原始激光束的精确对齐，特别是与激光束方向垂直的横向对齐。为了使这点成为可能，将数个标准单元(cell)被布置为以相同间隔、以不同间隔或相对于彼此完全没有间隔地彼此相邻以形成衍射光学元件。如果衍射光学元件被布置在激光器下游的准直透镜与激光装置的聚焦透镜之间，则提供优势。最佳地，其被布置在为与聚焦透镜相距对应于这个聚焦透镜的焦距的距离。原则上，也有可能将DOE以小距离布置在焦距透镜后方，只要由这种布置引起的聚焦不足保持在对于特定应用可接受的范围之内。根据本发明的用于エ件的激光处理的激光装置包括发射激光束的至少ー个激光器和用于会聚激光束的至少ー个聚焦透镜以及用于调整激光束的光束直径的光学操作元件，在所述激光装置中，所述光学操作元件由将原始激光束分割为一束局部激光束并且将激光光斑的直径放大的衍射光学元件组成。以使由所产生的局部激光束构成的合成光束轮廓指向焦平面的方式构造所述衍射光学元件。所述衍射光学元件将エ件上的激光光斑的直径-优选地在焦平面上并且与焦平面的扩展方向垂直地-相对于进入该衍射光学元件时的原始激光束的直径放大至期望尺度。根据本发明，局部激光束被合成以形成具有局部激光束的重叠和/或局部激光束之间任意形状的间隙的总激光束。总激光束始終指向单个处理点，专门作用于这个点。优选地，衍射光学元件包括有间隔或无间隔地、以均匀间隔或非均匀间隔并排布置的数个标准単元。由于标准単元的重复，在光束路径上对DOE的调整不再重要。在根据本发明的激光装置的优选实施例中，就強度和/或功率而言以使其强度从中心朝向边缘升高的光束轮廓针对合成激光光斑被产生的方式对由衍射光学元件产生的局部激光束加权。优选地，衍射光学元件被布置在激光器下游的准直透镜与激光装置的聚焦透镜之间。在激光装置中，DOE是可互换的并且可以被重新放置而无需相对于激光束的精确对齐，尤其是横向的精确对齐。可将激光装置布置在激光塑性焊接装置的处理头中或该处理头上，其优选地包括具有至少ー个偏转镜的扫描单元。
下面将參考附图所示的若干实施例来详细解释本发明。结合权利要求和附图在以下对本发明的实施例的说明中给出本发明的附加特征。本发明的独立特征可按其自身独立地实现或与本发明的不同实施例中的若干特征组合来实现。在示意图中，图I示出了不具有扫描单元的、根据本发明的第一激光装置；图2示出了具有扫描单元的、根据本发明的第二激光装置；图3示出了在没有DOE被布置在聚焦透镜前方的情况下的ニ极管激光器的激光光斑(图3a)和通过关联的光束轮廓的横截面(图3b);图4示出了在DOE被布置在聚焦透镜前方并且横向重叠的局部激光束具有均匀强度的情况下的ニ极管激光器的激光光斑(图4a)和通过关联的光束轮廓的横截面(图4b);图5示出了在DOE被布置在聚焦透镜前方并且横向重叠的局部激光束的强度朝向边缘升高的情况下的ニ极管激光器的激光光斑(图5a)和通过关联的光束轮廓的横截面(图 5b);图6示出了在DOE被布置在聚焦透镜前方并且横向不重叠的局部激光束具有均匀強度的情况下的ニ极管激光器的激光光斑(图6a)和通过关联的光束轮廓的横截面(图6b)；图7示出了在DOE被布置在聚焦透镜前方并且横向不重叠的局部激光束的强度朝向边缘升高的情况下的ニ极管激光器的激光光斑(图7a)和通过关联的光束轮廓的横截面(图 7b)。
具体实施例方式图I大体上所示的激光装置I包括激光器(未示出)、在激光器之后的光纤2、准直透镜3和聚焦透镜4以及布置在准直透镜3与聚焦透镜4之间的衍射光学元件5 (DOE)。从光纤2起，原始激光束6射出，经准直透镜3校准，由之后的DOE 5成形并且经聚焦透镜4聚焦，作为合成激光束8指向エ件7。激光束8由局部激光束9 (未示出)构成，其中激光装置I的焦平面10与エ件7的表面11重合。在エ件7的表面11上，合成激光束8产生用于エ件7的激光处理的高强度的激光光斑12。激光光斑12的直径取决于DOE 5的设计。借助不同的D0E5，有可能在エ件7上产生不同直径的激光光斑12。图I用实线圆周线和虚 线圆周线示出了不同尺寸的两个激光光斑12以及关联的激光束8。图2示出了根据本发明的另ー激光装置I，其包括布置在DOE 5与聚焦透镜4之间的扫描单元13而原则上不同于图I所示的激光装置I。借助扫描单元13，合成激光束8可以在DOE 5之后相对于聚焦透镜4的光轴ー维地或ニ维地被偏转。在图2中示出了在相对于エ件7的三个位置上的移动的激光束6。在エ件7的表面11上的可能的工作区域内的任意位置上，其根据图I产生激光光斑12。图3示出了エ件7上的由ニ极管激光器发射的原始激光束6的激光光斑12以及光束轮廓14的关联横截面。在其最简单的形式中，ニ极管激光器由激光二极管组成，可能地具有用于准直和聚焦的光学系统。根据图3b的光束轮廓14示出了对应于图3a所示的激光光斑12的、具有宽钟形曲线的典型的高斯型。在图4a中，图4示出了激光光斑12并且在图4b中示出了由图1、2所示的激光装置1、1'中的一个产生的关联光束轮廓14。从光束轮廓14可以看出DOE产生数个局部激光束9，它们横向重叠并且形成在很大程度上均匀的合成激光束8，该合成激光束8进而产生激光光斑12。通过具有均匀强度分布的高斯型局部激光束轮廓15的叠加形成了激光束轮廓14。局部激光束9可以与每个局部光束轮廓15关联。由于局部光束轮廓15在横向上显著重叠，因此图3b表明局部光束9在横向彼此重叠的同时也扩展(extend)。通过DOE 5均匀地执行局部光束9的強度的加权，使得激 光光斑12具有礼帽型光束轮廓14，其具有平坦的区域和陡峭倾斜的侧面。相加的局部光束轮廓15明显改善了ニ极管激光器的未达到最佳的光束质量。图5a、5b示出了激光光斑12和也是通过横向重叠的局部激光束9形成的关联的光束轮廓14。相对于与图4关联的局部激光束9，这些局部激光束9不具有一致的強度。与靠近中心的局部激光束9相比，靠近边缘的局部激光束9就强度而言具有更高的权重。这样得到杯状的光束轮廓14，其具有中央平坦区域以及与这个中央平坦区域相邻的上升区段，并且在边缘处外侧有陡峭倾斜的侧面。在合成激光束8的中央区域中以及在其边缘区域中，局部光束轮廓15具有不同的高度并且以与在图4中所描述的相同的方式相加，得到连续的光束轮廓14。图6、7各自示出了具有光束轮廓14的激光光斑12，该光束轮廓14具有间隔离散点16的ニ维图案。原始激光束6起始于光纤激光器，该光纤激光器具有明显更佳的光束质量而本质上不同于ニ极管激光器，使得由其产生的局部激光束9具有局部光束轮廓15，该轮廓与在起始于ニ极管激光器的原始激光束6的情况下相比具有更小的宽度。由于激光束6的更好的会聚性，DOE 5产生横向间隔的局部激光束9，所述局部激光束9作为合成激光束8在エ件7上产生具有间隙的激光光斑12，即不连续的光束轮廓14。在局部光束轮廓15相加之后，根据图4、5，包括点网格的光束轮廓14可成礼帽型或杯状。由于在エ件7的材料中的交互，优选通过导热性将光点图案集合在一起以形成连续的有效轮廓，使得在此同样地，エ件7的处理是连续的而不是由分开的点的处理组成。图6示出了分开的局部光束9的叠カロ，其中这些局部光束9具有均匀的权重，并且图7示出了分开的局部光束9的叠加，其中局部光束9的強度朝向外侧升高。
权利要求
1.一种用于借助激光装置(l，r )对用于エ件(7)的激光处理、优选地为用于待接合エ件的激光塑性焊接的高强度激光光斑(12)进行调整的方法，所述激光装置(1，I')包括发射激光束(6)的至少ー个激光器和用于会聚激光束(6)的至少ー个聚焦透镜(4)以及用于调整激光束(6)的光束直径的光学操作元件(5)，其中光学操作元件(5)被构造为将原始激光束(6)分成指向エ件(7)的一束局部激光束(9)的衍射光学元件(5)，其特征在于，借助衍射光学元件(5)，优选地在焦平面(10)上并且与焦平面(10)的扩展方向垂直地将激光光斑(12)的直径相对于进入衍射光学元件(5)时的原始激光束￠)的直径放大至期望尺度，并且从原始激光束(6)产生并且指向エ件(7)的具有重叠和/或任意形状的间隙的局部激光束(9)被集中以形成作用于单个处理点的总激光束(8)，其中由衍射光学元件(5)确定局部激光束(9)的数量和直径以及总激光束(8)的总直径。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在干，由衍射光学元件(5)产生的局部激光束(9)在它们的边缘处重叠，其中由横向重叠形成连续的光束轮廓(14)。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在干，由衍射光学元件(5)产生的局部激光束(9)在它们的边缘处不重叠，其中间隔离散点的ー维或ニ维光束轮廓(14)被形成。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，由于在エ件(7)的材料中的交互，优选地通过导热性将光点图案集合在一起以形成连续的有效轮廓。
5.根据权利要求I至4中任一项所述的方法，其特征在于，对于合成光束轮廓(14)，就强度和/或功率而言对由衍射光学元件(5)产生的局部激光束(9)加权使得针对激光光斑(12)的不同光束轮廓(14)可以被形成。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据以下函数在由坐标(X，y)确定的相对于激光光斑(12)中心的轮廓点处确定合成激光束(8)的光束轮廓(14)，优选地为确定其強度 其中b代表半径，P代表总强度并且!■代表所涉及的轮廓点距合成激光束(8)的中心的距离。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在干，无需相对于从所述激光器射出的激光束出)的精确对齐、特别是横向对齐的不同设计的可互换衍射光学元件被用于激光光斑(12)的不同调整。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，数个标准単元有间隔或无间隔地并排布置以形成衍射光学元件(5)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，衍射光学元件(5)被布置在聚焦透镜(4)与所述激光器下游的准直透镜(3)之间。
10.ー种用于エ件(7)的激光处理、优选地为用于待接合エ件的激光塑性焊接的激光装置(1，Γ )，所述激光装置包括发射至少ー个激光束出)的至少ー个激光器和用于会聚激光束出)的至少ー个聚焦透镜(4)以及用于调整激光束出)的光束直径的光学操作元件(5)，其中聚焦透镜(4)在エ件(7)上产生高強度的激光光斑(12)，操作元件(5)被构造为衍射光学元件(5)，其中集中的、由衍射光学元件(5)产生的局部激光束(9)形成指向焦平面(10)的合成光束轮廓(14)，其特征在于，衍射光学元件(5)优选地在焦平面(10)上并且与焦平面(10)的扩展方向垂直地将エ件(7)上的激光光斑(12)的直径相对于进入衍射光学元件(5)时的原始激光束￠)的直径放大至期望尺度，其中所产生的局部激光束(9)被集中以形成包括重叠和/或任意形状的间隙的并且指向エ件(7)的单个处理点的总激光束⑶。
11.根据权利要求10所述的激光装置，其特征在于，衍射光学元件(5)包括以有间隔或无间隔地并排布置的数个标准単元。
12.根据权利要求10或11所述的激光装置，其特征在于，对于合成光束轮廓(14)，由衍射光学元件(5)产生的局部激光束(9)以就强度和/或功率而言使从中心朝向边缘升高的光束轮廓(14)对于激光光斑(12)被得到的方式被加权。
13.根据前述权利要求中任一项所述的激光装置，其特征在于，衍射光学元件(5)被布置在聚焦透镜(4)与所述激光器下游的准直透镜(3)之间。
14.根据前述权利要求中任一项所述的激光装置，其特征在于，衍射光学元件(5)以可互換的方式被安装在激光装置(i，r )中并且可以被改变而无需相对于由所述激光器发射的激光束出)的精确对齐，尤其是横向的精确对齐。
15.根据前述权利要求10至14中任一项所述的激光装置，其特征在于，激光装置(1，r )被布置在激光塑性焊接装置的处理头中或该处理头上，其优选地包括具有至少ー个偏转镜的扫描单元(13)。
全文摘要
本发明涉及一种用于对用于工件(7)的激光处理的高强度激光光斑(12)进行调整的方法以及用于执行所提出的方法的激光装置(1)。激光装置(1)包括发射激光束(6)的激光器和用于会聚激光束(6)的至少一个聚焦透镜(4)以及用于调整激光束(6)的光束直径的光学操作元件(5)。本发明提出使用将由所述激光器发射的激光束(6)分成局部激光束的衍射光学元件(6)作为操作元件(6)，其中由衍射光学元件(5)产生的局部激光束被集中以形成作用于工件(7)的合成激光束(8)。借助衍射光学元件(5)的适当设计，有可能根据需要调整、特别是放大激光光斑(12)的直径。
文档编号B23K26/073GK102642084SQ20121003106
公开日2012年8月22日 申请日期2012年1月20日 优先权日2011年1月21日
发明者C·拉布, D·福格勒, U·古布勒 申请人:莱丹科技股份公司