CN113165110A - 具有摇摆扫描器的激光加工机 - Google Patents

Abstract

一种用于借助激光束(3)来加工工件(2)的激光加工机(1)，所述激光加工机具有：激光束产生器(4)，用于产生激光束(3)；光导纤维(5)，所述激光束(3)被耦合输入到所述光导纤维中；准直光学器件(6)，用于准直从所述光导纤维(5)中发散地射出的激光束(3)；以及镜面扫描器(9)，用于使所述激光束(3)朝工件(2)的方向一维或二维地偏转；以及按照本发明的布置在所述光导纤维(5)的纤维端部(7)与所述准直光学器件(6)之间的偏转单元(10)，所述偏转单元使该发散式激光束(3)的射束轴线(A)以一维或二维振荡地平行偏移的方式偏转，或者偏移单元(20)，所述偏移单元使所述光导纤维(5)的纤维端部(7)相对于所述准直光学器件(6)以一维或二维振荡地平行偏移的方式偏移。

Description

具有摇摆扫描器的激光加工机

技术领域

本发明涉及一种用于借助激光束来加工工件的激光加工机，其具有：激光束产生器，用于产生激光束；光导纤维，激光束被耦合输入到该光导纤维中；准直光学器件，用于准直从光导纤维中发散地射出的激光束；以及镜面扫描器，用于使所述激光束朝工件的方向一维或二维地偏转。

背景技术

例如由DE 10 2013 110 523 B3已知一种具有镜面扫描器的这类激光加工机。

在激光焊接中，横向于进给方向振动的激光焦点在一些应用中被证明是有利的，尤其是在焊接厚板时，必须跨接间隙，或者在重叠焊接时需要更大的整体接头截面。

原则上，激光焦点的这种快速的侧向运动(“摇摆”)可以利用常规的镜面扫描器来解决，但通常使用的扫描***对于要求至少几百赫兹的扫描频率的该过程来说太缓慢。镜面扫描器无法足够快地运动如下镜：通过该镜使得聚焦射束(在后物镜扫描***的情况下)或者准直射束(在具有平场聚焦物镜的扫描光学器件的情况下)转向，以实现所需的几百赫兹或几千赫兹的扫描频率。这是由于与扫描镜的惯性相比，镜面扫描器可实现的扭矩相对较小。

在由开篇所提及的文献DE 10 2013 110 523 B3已知的激光加工机中，高频镜面扫描器布置在低频镜面扫描器前面，该低频镜面扫描器以最大400赫兹的振荡频率使准直激光束朝工件的方向一维或二维地偏转，该高频镜面扫描器以400赫兹与5000赫兹之间的振荡频率使准直激光束或聚焦激光束一维或二维地偏转。

由文献US 2012/0273472 A1还已知一种具有布置在原本的镜面扫描器前面的扫描单元的激光加工机，该扫描单元由两个声光调制器构成用于激光束的二维偏转。

发明内容

相比之下，本发明的任务在于，在开篇所提及类型的激光加工机中说明一种用于产生激光焦点的快速的侧向运动(“摇摆”)的替代方案。

根据本发明，通过布置在光导纤维的纤维端部与准直光学器件之间的偏转单元来解决该任务，该偏转单元使发散式激光束的射束轴线以一维或二维振荡地平行偏移的方式偏转，或者通过偏移单元来解决该任务，该偏移单元使光导纤维的纤维端部相对于准直光学器件以一维或二维振荡地平行偏移的方式偏移。

根据本发明，摇摆运动不是发生在紧接在聚焦光学器件前面的准直激光束中，而是发生在紧接(即几毫米)在纤维端部后面的发散式激光束中，在该纤维端部处，射束直径仍显著小于在聚焦光学器件前面的准直激光束。因此可以使用具有减小的惯性力矩的更小、更轻的部件。然而，与在准直激光束中使用镜面扫描器相比，在光导纤维之后的发散式激光束中不可以简单地借助扫描镜来改变激光束的方向，而是必须平行地偏移射束轴线，以便实现激光束在工作焦点中的侧向偏移。然而，光导纤维之后的发散式激光束的光轴的平行偏移会导致激光束在准直光学器件之后相对于原本的光轴发生平行偏移并因而需要更大的通过孔径；这不是真实的问题，但是在设计准直与聚焦之间的孔径亦或路径时必须加以考虑。

在第一发明变型中，借助偏转单元进行摇摆运动，该偏转单元使发散式激光束的射束轴线相对于原本的射束轴线以一维或二维振荡地平行偏移的方式偏转；或者在第二发明变型中，借助偏移单元进行摇摆运动，该偏移单元使光导纤维的纤维端部相对于准直光学器件以一维或二维振荡地平行偏移的方式偏移。在后一种情况下，在工件上成像的纤维端部被横向偏移。在两个发明变型中，偏转单元或偏移单元的振荡大于布置在后面的镜面扫描器的扫描频率。

在第一发明变型的一种优选的实施方式中，偏转单元为了实现所述一维偏转而具有平面平行板，该平面平行板相对于射束轴线横向地、即倾斜地或成直角地布置在发散式激光束的射束路径中，该平面平行板围绕相对于发散式激光束的射束轴线倾斜地、尤其成直角地延伸的轴线转动。该平面平行板例如可以装配在常规扫描器电机的轴线上。激光束在通过倾斜地位于射束中的平面平行板时经历的侧向偏移使得实现射束轴线的光学平行偏移，该光学平行偏移以布置在后面的光学器件的放大比例传递到工件上。如果将平面平行板置于旋转振动中，那么激光束在激光焦点的区域中经历相应的(一维)横向振动运动。由于必要的平面平行板只要定位在纤维端部附近就可以非常小，因此结合常规的扫描器电机就可以实现非常高的扫描频率。有利地，轴线在方位角方面围绕射束轴线可旋转地支承，从而可以重新调整工件上的扫描频率情况或扫描运动方向，这尤其在非直线的焊缝中是有利的。

在一种扩展方案中，为了实现射束轴线的振荡式二维平行偏移，偏转单元可以具有两个平面平行板，所述两个平面平行板相继地并且分别倾斜地布置在发散式激光束的射束路径中，所述两个平面平行板分别围绕相互成直角的轴线振动或转动，所述轴线分别相对于发散式激光束的射束轴线倾斜地、尤其成直角地延伸。这具有如下优点，摇摆运动以类似于双轴式扫描***的方式在两个轴线上以几乎相同的动态特性进行，并且控制技术也可以直接由双轴式扫描器承担。

在第二发明变型的一种优选的实施方式中，偏移单元具有至少一个在偏移方向上起作用的促动器，光导纤维的纤维端部固定在该促动器上。促动器例如可以是压电促动器。为了实现二维的平行偏移，设置两个分别相互成直角地起作用的促动器，以便引起光导纤维的纤维端部相对于发散式激光束的轴线的二维平行偏移。

附图说明

本发明的其他优点和有利的构型从说明书、权利要求书和附图中得出。同样地，上文所提及的特征和还进一步列举的特征可以各自单独使用或以任何组合以多个形式使用。所示出的和所描述的实施方式不应被理解为穷举，而是更确切地说具有用于本发明的叙述的示例性特性。附图示出：

图1示出按照本发明的激光加工机，其包括布置在发散式激光束中的偏转单元，该偏转单元用于产生发散式激光束的射束轴线的振荡式一维平行偏移；

图2示出在图1中示出的偏转单元的细节视图；

图3a、3b示出在激光束与工件之间没有进给运动的情况下在工件表面上由图2的偏转单元偏转的激光束(图3a)；以及在激光束与工件之间存在进给运动的情况下在工件表面上由该偏转单元偏转的激光束(图3b)；

图4以类似于图2的细节视图示出用于产生发散式激光束的射束轴线的振荡式二维平行偏移的偏转单元；

图5a、5b示出在激光束与工件之间没有进给运动的情况下在工件表面上由图4的偏转单元偏转的激光束(图5a)；以及在激光束与工件之间存在进给运动的情况下在工件表面上由该偏转单元偏转的激光束(图5b)；并且

图6以类似于图2的细节视图示出用于产生发散式激光束的射束轴线的振荡式一维平行偏移的偏移单元。

具体实施方式

在图1中透视地示出的激光加工机1用于借助激光束3来加工工件2，并且该激光加工机包括：激光束产生器4，用于产生激光束3；传输光导纤维5，激光束3被耦合输入到该传输光导纤维中；准直光学器件6，用于准直从光导纤维5中发散地射出的激光束3；聚焦光学器件8，用于朝工件2的方向聚焦激光束3；以及例如双轴式镜面扫描器9，用于使激光束3二维地偏转。

此外，激光加工机1具有布置在光导纤维5的纤维端部7与准直光学器件6之间的偏转单元10，该偏转单元使发散式激光束3的射束轴线A以一维振荡地平行偏移的方式偏转。为此，在图2中放大地示出的偏转单元10具有倾斜地布置在发散式激光束3的射束路径中的平面平行板11，该平面平行板围绕相对于发散式激光束3的射束轴线A倾斜地(在图1中成直角地)延伸的轴线12或者往复振动或者完全转动(双箭头方向13)。平面平行板11应当在对激光束尽可能低的吸收的情况下具有尽可能高的折射率，以便实现尽可能高的射束偏移，该平面平行板可以例如由蓝宝石制成。

经偏移的射束轴线A‘的射束偏移量x根据射束轴线A到振动或转动的平面平行板11上的变化的入射角α由如下等式计算：

x＝d*sin(α)*(1-cos(α)/(SQRT(n²-sin²(α)))，其中

d：板厚度，

n：平面平行板11的折射率。

由于平面平行板11围绕轴线12的旋转振动，激光束3在激光焦点的区域中、例如在工件2的表面上经历相应的线性(一维)横向振动运动。因为平面平行板11由于定位在纤维端部7附近(几毫米)而可以非常小，所以结合常规的扫描器电机就可以实现非常高的旋转振动频率或者说扫描频率。

图3a示出在工件2与激光束3之间没有进给运动(v＝0)的情况下在工件表面上由偏转单元10偏转的激光束3。相应于平面平行板11围绕轴线12的振荡，沿Z方向入射的激光束3被在Y方向上、即与激光束3的入射方向在一维上成直角地振荡地偏转。图3b示出在工件2与激光束3之间存在沿X方向的附加进给运动v(v＞0)的情况下在工件表面上由偏转单元10偏转的激光束3，这例如导致激光束3在工件表面上的之字形轨迹曲线14。

为了实现射束轴线A的振荡式二维平行偏移，如图4所示，偏转单元10具有相继地并且分别倾斜地布置在发散式激光束3的射束路径中的两个平面平行板11a、11b。平面平行板11a、11b分别围绕相互成直角的轴线12a、12b振动，所述轴线分别相对于发散式激光束3的射束轴线A倾斜地、在图3中成直角地延伸。由于平面平行板11a、11b的旋转振动，激光束3在激光焦点的区域中、即在工件2的表面上经历相应的二维横向振动运动。因为平面平行板11a、11b由于定位在纤维端部7附近(几毫米)而可以非常小，所以结合常规的扫描器电机就可以实现非常高的旋转振动频率或者说扫描频率。

图5a示出在工件2与激光束3之间没有进给运动(v＝0)的情况下在工件表面上由图4的偏转单元10偏转的激光束3。相应于平面平行板11a、11b围绕轴线12a、12b的振荡，沿Z方向入射的激光束3被在X和Y方向上、即与激光束3的入射方向在二维上成直角地振荡地偏转。图5b示出在工件2与激光束3之间存在沿X方向的附加进给运动v(v＞0)的情况下在工件表面上由图4的偏转单元10偏转的激光束3，这例如导致激光束3在工件表面上的圈状轨迹曲线。

图6示出偏移单元20，其用于产生发散式激光束3的射束轴线A相对于准直光学器件6的振荡式一维平行偏移。此外，偏移单元20具有与射束轴线A成直角地、在偏移方向22上起作用的促动器21，光导纤维5的纤维端部7固定在该促动器上。例如实现为压电促动器的促动器21在偏移方向22上振动并因此引起纤维端部7相对于准直光学器件6的振荡式一维平行偏移，由此，激光束3在激光焦点的区域中、即在工件2的表面上执行相应的线性(一维)横向振动运动，即与激光束3的入射方向在一维上成直角。

Claims (5)

1.一种用于借助激光束(3)来加工工件(2)的激光加工机(1)，所述激光加工机具有：

激光束产生器(4)，用于产生激光束(3)；

光导纤维(5)，所述激光束(3)被耦合输入到所述光导纤维中；

准直光学器件(6)，用于准直从所述光导纤维(5)中发散地射出的激光束(3)；以及

镜面扫描器(9)，用于使所述激光束(3)朝工件(2)的方向一维或二维地偏转，

其特征在于，设置有布置在所述光导纤维(5)的纤维端部(7)与所述准直光学器件(6)之间的偏转单元(10)，所述偏转单元使该发散式激光束(3)的射束轴线(A)以一维或二维振荡地平行偏移的方式偏转，或者设置有偏移单元(20)，所述偏移单元使所述光导纤维(5)的纤维端部(7)相对于所述准直光学器件(6)以一维或二维振荡地平行偏移的方式偏移。

2.根据权利要求1所述的激光加工机，其特征在于，所述偏转单元(10)具有至少一个平面平行板(11)，所述平面平行板相对于所述射束轴线(A)横向地布置在所述发散式激光束(3)的射束路径中，所述平面平行板围绕相对于所述发散式激光束(3)的射束轴线(A)倾斜地、尤其成直角地延伸的轴线(12)振动或转动。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述平面平行板(11)的轴线(12)在方位角方面围绕射束轴线(A)可旋转地支承。

4.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述偏转单元(10)具有两个平面平行板(11a，11b)，所述两个平面平行板相继地并且分别倾斜地布置在所述发散式激光束(3)的射束路径中，所述两个平面平行板分别围绕相互成直角的轴线(12a，12b)振动或转动，所述轴线分别相对于所述发散式激光束(3)的射束轴线(A)倾斜地、尤其成直角地延伸。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，偏移单元(20)具有至少一个在偏移方向(22)上起作用的促动器(21)、尤其压电促动器，所述光导纤维(5)的纤维端部(7)固定在所述促动器上。

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