用于借助激光束加工工件的设备和用于运行该设备的方法与流程

1.本发明涉及一种用于借助激光束加工工件的设备，其中该设备具有以下：
2.a)扫描器，所述扫描器具有用于在所述工件上在第一方向上扫描激光束的第一扫描器镜(scannerspiegel)；
3.b)可移位的成像元件，所述可移位的成像元件布置在所述扫描器的后方，并且用于对所述激光束进行聚束。
4.本发明还涉及一种用于运行这种设备的方法。


背景技术：

5.已知的是，提供一种设备，该设备构造用于借助快速可运动的激光束来加工工件。
6.从us 2011/0127697 a1已知一种具有用于偏转激光束的扫描器的设备。在扫描器的前方连接有用于使光束成形的伸缩单元。
7.us 2006/0245084 a1同样公开了一种具有用于激光束成形的伸缩单元和用于偏转激光束的扫描器的设备。在扫描器的后方连接有聚焦透镜。
8.从de 102007028570 a1已知一种具有扫描器的一般的设备。在扫描器的后方布置有通过马达可移位的、用于聚焦激光束的至少一个光学成像元件。
9.已知的设备的缺点是，用于聚焦激光束的光学成像元件的调节路程较大。


技术实现要素：

10.发明任务
11.本发明的任务是，进一步扩展通用的设备，该设备能够以结构上简单的方式方法实现激光束在工件上的快速聚焦。此外，本发明的任务在于提供一种用于运行这样的设备的方法。
12.根据本发明，该任务通过一种根据本发明的用于借助激光束加工工件的设备和根据本发明的用于运行这种设备的方法来实现。以下给出优选的扩展方案。
13.因此，根据本发明的任务通过开篇所述的设备来实现，其中在扫描器与可移位的成像元件之间布置有对射束进行扩展(strahlaufweitend)的成像元件。
14.因此，根据本发明的设备具有用于偏转激光束的扫描器。在此，扫描器尤其被理解为构造用于受控地偏转激光束的任何设备。该设备具有成像元件，该成像元件使由扫描器偏转的激光束扩展。然后，由可移位的成像元件对经扩展的激光束进行再次准直。由此，即使在可移位的成像元件的位移较小的情况下，也能够大幅地改变激光束在工件上的聚焦位置或直径。
15.对射束进行扩展的成像元件优选构造成凹透镜系统的形式。透镜系统在此被理解为具有至少一个透镜的系统。透镜系统可以是在结构上特别简单地构造的并且同时能够有效地使激光束成形。尤其，对射束进行扩展的成像元件可以构造成单个凹透镜的形式。
16.可移位的成像元件能够构造成凸透镜系统的形式，尤其单个凸透镜的形式。
17.在本发明的一种特别优选的构型中，在扫描器的前方设置有准直器。由此，扫描器可以构造得小而有效并且具有高动态性。准直器能够构造成凸透镜系统的形式，尤其单个凸透镜的形式。
18.进一步优选地，在可移位的成像元件的后方布置有用于将激光束聚焦到工件上的镜头(objektiv)。镜头能够构造成凸透镜系统的形式，尤其单个凸透镜的形式。
19.在镜头的后方可以布置有用于在加工时保护设备以防工件飞溅的保护玻璃。
20.扫描器可以仅具有单个的(第一)扫描器镜。然而，扫描器优选地具有第二扫描器镜，以便能够使激光束在另外的方向上偏转。
21.当激光束通过镜被转向到扫描器中时，该设备可以特别紧凑地构造。
22.扫描器可以紧凑地构造成扫描器头的形式。
23.当激光束通过光导线缆被导入设备中时，该设备例如可以借助于机械臂特别灵活且快速地可运动地构造。
24.在本发明的另一优选的构型中，所述设备具有用于连接传感器系统的分束器。在此，分束器可以具有二向色镜。
25.分束器可以布置在可移位的成像元件的后方。分束器尤其可以被布置在可移位的成像元件与镜头之间。
26.特别优选地，该设备构造成激光焊接设备的形式。根据本发明的优点在此允许扩展激光焊接在灵活的板材制造中的应用范围：
[0027]-跨接缝隙；
[0028]-对激光切割的厚板材进行激光焊接(没有磨边处理)；
[0029]-对至今不能用激光焊接或仅能非常困难地借助激光焊接的金属合金进行激光焊接(例如almgsi)；
[0030]-可以将通用的、但紧凑的焊接光学器件灵活地用于工件上的各种焊接方法(厚板材/薄板材，有缝隙/没有缝隙，导热焊接/深层焊接等)。
[0031]
该设备能够具有焊丝供给部。
[0032]
此外，根据本发明的任务通过一种用于运行在此描述的设备的方法实现，其中，所述工件上的激光束运动的频率在大于0.1mm的幅度的情况下大于2400hz、在大于1mm的幅度的情况下大于1000hz、和/或在大于3mm的幅度的情况下大于500hz。因此，扫描运动的动态性尤其在利用这里所描述的设备进行焊接时特别高。
[0033]
本发明的其他优点从说明书和附图得出。同样，上述的和还将进一步实施的特征可以根据本发明各自单独地或多个任意组合地使用。所示出的和所描述的实施方式不应理解为穷尽的列举，而是更确切地说对于解说本发明而言具有示例性特征。
附图说明
[0034]
图1示出根据本发明的设备的第一实施例的示意图；
[0035]
图2示出根据本发明的设备的第二实施例的示意图；
[0036]
图3示出利用根据本发明的设备实现的摆动动力学特性的图示。
具体实施方式
[0037]
图1示出了用于引导激光束12的设备10。设备10构造用于加工、尤其用于焊接工件14。在当前情况下，第一板材16a与第二板材16b通过构造焊缝18而连接。焊缝18在此跨接板材16a、b之间的缝隙20。这可以通过激光束12在工件14上的非常快速的摆动运动(oszillierende bewegung)来实现。
[0038]
激光束12的摆动运动通过扫描器22实现。扫描器22在此构造成扫描器头的形式。扫描器22具有用于使激光束12在第一方向(在此是x方向)上摆动的第一扫描器镜24，并且可选地具有用于使激光束12在第二方向(在此是y方向)上振荡的第二扫描器镜26。在此，这两个方向优选彼此垂直。
[0039]
激光束12在当前情况下通过光导线缆28入射到设备10中。在扫描器22与光导线缆28之间布置有准直器30。准直器30优选地具有凸透镜系统。进一步优选地，准直器30构造成凸透镜的形式。准直器30特别优选地具有短焦距透镜，该短焦距透镜将激光束12准直成相对小的射束直径，优选小于20mm，尤其小于15mm。扫描器镜24、26由此可以特别小且轻地构造，从而使得扫描器镜可以高动态性运动。镜31将激光束12导向到扫描器22中。
[0040]
在具有小孔径的相应地紧凑地构造的扫描器22上连接有对射束进行扩展的成像元件32。对射束进行扩展的成像元件32可以构造成凹透镜系统的形式。在当前情况下，对射束进行扩展的成像元件32构造成凹透镜的形式。
[0041]
在对射束进行扩展的成像元件32的后方布置有可移位的成像元件34，该成像元件尤其呈凸透镜系统的形式，在此呈凸透镜的形式。通过可移位的成像元件34来对激光束12进行准直。
[0042]
可移位的成像元件34尤其可以马达驱动地(motorisch)优选在激光束12的光轴上直线形地移位。通过可移位的成像元件34的移位来实现激光束12在工件14上的聚焦位置的变化。由于对射束进行扩展的成像元件32的射束扩展(即，发散)，小的位移范围36就足以实现激光束12在工件14上的大的焦点位置位移或大的直径变化。
[0043]
激光束12可以具有(在此虚线示出的)二向色的、用于连接传感器系统40的分束器38。传感器系统可以包括焊缝位置识别装置、摄像头和/或光学相干断层仪(oct)。
[0044]
在从设备10出射之前，激光束12可以穿过镜头42和/或保护玻璃44。镜头42可以具有凸透镜系统。当前，镜头42构造成凸透镜的形式。
[0045]
图2示出了用于引导激光束12的设备10的另一实施方式。设备10具有光导线缆28、准直器30、带有扫描器镜24、26的扫描器22、对射束进行扩展的成像元件32、可移位的成像元件34以及镜头42。镜31将激光束12导向到扫描器22中，以便实现设备10的另一紧凑的结构形式。
[0046]
与图1中的设备10不同，对射束进行扩展的成像元件32具有带两个凹透镜或者说负透镜48a、48b的凹透镜系统。
[0047]
在图2中表明，扫描器镜24、26的转动运动50a、50b为小于5
°
、尤其小于3
°
、优选小于2
°
。
[0048]
此外，在图2中还表明，可移位的成像元件34的位移范围36引起大于两倍大的、尤其是大于三倍大的聚焦范围52。这通过对射束进行扩展的成像元件32和可移位的成像元件34的共同作用来实现。
[0049]
图3示出了在幅度a增大的情况下实验求取的最大频率f。在此，以实线示出在扫描器镜24和/或26(参见图1和图2)的正弦形的马达电流操控(motorstrom-ansteuerung)的情况下的最大频率f，并且以虚线示出在扫描器镜24和/或26的三角形的马达电流操控的情况下的最大频率f。从图3可以看出，所达到的最大频率f明显高于没有根据本发明的光学器件的情况下典型地达到的最大频率。
[0050]
综观所有附图，本发明总的来说涉及一种用于高频地偏转激光束12的设备10。设备10具有对射束进行扩展的成像元件32，该对射束进行扩展的成像元件布置在可移位的成像元件34的前方，使得可移位的成像元件34的较小位移已经实现激光束焦点的较大位移。在用于扫描激光束12的扫描器22的前方能够布置有准直器30，使得扫描器镜24、26可以小而轻并地构造且具有高动态性。
[0051]
附图标记列表
[0052]
10 设备
[0053]
12 激光束
[0054]
14 工件
[0055]
16a，b 板材
[0056]
18 焊缝
[0057]
20 缝隙
[0058]
22 扫描器
[0059]
24 第一扫描器镜
[0060]
26 第二扫描器镜
[0061]
28 光导线缆
[0062]
30 准直器
[0063]
31 镜
[0064]
32 对射束进行扩展的成像元件
[0065]
34 可移位的成像元件
[0066]
36 位移范围
[0067]
38 分束器
[0068]
40 传感器系统
[0069]
42 镜头
[0070]
44 保护玻璃
[0071]
48a，b 凹透镜
[0072]
50a，b 运动
[0073]
52 聚焦范围
[0074]
f 最大频率
[0075]
a 幅度。