CN114728372A - 借助轴锥镜的射束成形对工件进行激光焊接的方法以及光学设备 - Google Patents

Abstract

一种用于工件(14)的激光焊接的方法，其中：‑在激光束源(5)处提供激光束(4)，‑通过准直光学器件(6)使所提供的激光束(4)准直，‑通过整形光学器件(9)对经准直的激光束(8)整形，以及‑通过聚焦单元(11)使经整形的激光束(10)聚焦并引导到待焊接的工件(14)上，其特征在于，整形光学器件(9)具有至少一个部分区域(15)，在该至少一个部分区域中构造至少一个轴锥镜(17；25；31；34；40；42)的至少一部分(33；39)，并且其中，经准直的激光束(8)至少以其射束截面(30)的一部分(18)引导到整形光学器件(9)的所述部分区域(15)上。本发明提出了一种用于激光焊接的方法，该方法能够以很少的支出并成本有利地实现射束整形，尤其为了获得良好的焊缝质量。

Description

借助轴锥镜的射束成形对工件进行激光焊接的方法以及光学 设备

技术领域

本发明涉及一种用于工件进行激光焊接的方法，其中，

-在激光束源处提供激光束，

-通过准直光学器件使提供的激光束准直，

-通过整形光学器件对经准直的激光束整形(umformen)，以及

-通过聚焦单元使经整形的激光束聚焦并引导到待焊接的工件上。

背景技术

例如，这种方法已由DE 102 61 422 A1披露。

焊接是使工件的工件部分能够彼此永久连接的接合方法。如果打算以高焊接速度进行焊接并且焊缝形状窄而细长并且热翘曲(Verzug)低，则通常使用激光焊接。在激光焊接过程中，能量通过激光束供给。

为了获得质量特别高的焊缝，已知的是对激光束使用射束整形。

DE 102 61 422 A1提出通过分束器将经准直的激光束分成两个部分射束并且使这些部分激光束聚焦，所述部分激光束具有相互偏移工作点。

DE 10 2010 003 750 A1提出将激光束耦合到双包层光纤中，以便在双包层光纤的输出处获得的激光束具有根据内光纤芯而被填充的圆形轮廓和根据外光纤芯的环形轮廓。激光束轮廓可以用于激光焊接，其中，可以实现对相应应用的匹配。

提供多包层光纤(例如双包层光纤)以及还有将激光束耦合到多包层光纤中比较复杂并且昂贵。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于激光焊接的方法，该方法能够以很少的开支并成本有利地实现射束整形，尤其为了获得良好的焊缝质量。

根据本发明，此目的通过一种开篇提到的类型的方法来实现，其中，整形光学器件具有至少一个部分区域，在该至少一个部分区域中构造至少一个轴锥镜的至少一部分，并且其中，经准直的激光束至少以其射束截面(Strahlquerschnitt)的一部分被引导到整形光学器件的所述部分区域上。

本发明提出，在激光焊接期间，借助至少一个轴锥镜(或轴锥镜的一部分)对激光束进行射束整形。借助轴锥镜，经准直的激光束可以聚焦到工件上的环面(或环面的一部分)中。所述环面可以用于焊接过程并且对焊接过程具有有利的影响，尤其减少熔池动力学并且减少例如飞溅物形成和/或焊缝的波纹。

轴锥镜是相对成本有利的光学部件，其可以与简单的光纤一起使用。特别地，昂贵的多包层光纤或激光束与多包层光纤的特定部分光纤(或多个部分光纤)的复杂耦合对于将激光束(至少部分地)聚焦到环面中是不必要的。

轴锥镜或其一部分可以构造为折射的或衍射的。折射轴锥镜包括构造为圆锥外壳形状

(锥体外壳形状)的表面；轴锥镜的材料对激光辐射是透明的，但会使光折射。轴锥镜角(这里是圆锥角)决定了环面产生的方向；环面的宽度由入射在轴锥镜上的经准直的激光束的宽度决定。应该说明的是，轴锥镜可以从衬底突出，或者另外可以作为凹进部(Vertiefung)在衬底中向内加工(“反轴锥镜”)。衍射轴锥镜包括同心环形区域，同心环形区域周期性布置并且分别具有沿径向方向上升或下降的圆锥外壳面(圆锥形外壳面)，典型地设置为旋转对称(径向对称)锯齿光栅；轴锥镜的材料继而对激光辐射是透明的，但会使光衍射。光栅周期通过所谓的光栅方程决定了衍射角，光栅的取向定义了衍射光垂直于光栅结构的局部方向；由此总体上得出生成相关的环面的方向。对于小角度近似，在衍射轴锥镜的情况下，其孔径角γ由光栅周期P通过P＝λ/((n-1)*γ)得出，其中n：轴锥镜材料的折射率，以及λ：激光的(平均)波长。还应说明，光栅周期与锯齿光栅的倾斜角和在锯齿梯级处设置的相位跳跃相关。较小的光栅周期产生较大的轴锥镜角，较小的光栅周期产生较大的衍射角。

(完整的)轴锥镜原则上旋转对称地构造，并且占据圆形区域。

本发明的优选变体

在根据本发明的方法的一个优选变体中设置，整形光学器件如此构造，使得经准直的激光束如此被引导到整形光学器件上，使得经聚焦的激光束具有：

-核心焦点(Kernfokus)部分，尤其其中，核心焦点部分由在整形光学器件处未衍射或未折射的激光辐射提供，以及

-至少一个环焦点(Ringfokus)部分，该至少一个环焦点部分在环面的一部分或环面上围绕核心焦点部分，尤其其中，环焦点部分由在整形光学器件的轴锥镜处衍射或折射的激光辐射提供。具有(圆面形状的)核心焦点部分和至少一个(圆环形的)环焦点部分的射束轮廓在激光焊接的许多应用中是有利的，以便获得平静的熔池，具有少的飞溅物形成并且所得到的焊缝的波纹小，尤其其中，激光焊接是在深焊接的状态下实现的(产生蒸汽毛细管)。经聚焦的激光束有利地具有双顶帽轮廓；典型地，激光辐射的强度在核心焦点部分内大致恒定，并且在环焦点部分(或相应环焦点部分)的区域内同样大致恒定。多个环焦点可以通过多个轴锥镜角度和/或轴锥镜的环形区域的区在径向方向上不同的光栅周期来获得。可以最简单地通过使激光束的射束截面的一部分落入给(至少一个)轴锥镜(或轴锥镜的一部分)并且使射束截面的另一部分不落入(至少一个)轴锥镜(或轴锥镜的一部分)来提供核心焦点部分。替代地，轴锥镜也可以仅不完全地对入射激光束进行整形，尤其使其不完全地衍射。

优选该变体的扩展方案，其中核心焦点部分的整合的(integrierte)激光功率是经聚焦的激光束的总激光功率的至少25％。事实证明，这对于尤其在深焊状态下获得许多工件材料的良好焊缝质量是值得的。核心焦点部分的整合的激光功率通常在总激光功率的25％到60％之间，优选地在30％到50％之间。

还优选一种扩展方案，其设置整形光学器件具有在方向R上与部分区域相邻的另一部分区域，并且其中，为了设置核心焦点部分与至少一个环焦点部分之间的激光功率分布，整形光学器件相对于经准直的激光束在方向R上移动。这是在核心焦点部分与(至少一个)环焦点部分之间划分激光辐射的功率分布、尤其也根据应用一次又一次地不同地划分激光辐射的功率分布的结构简单、成本有利且可靠的可能性。

一种具有衍射轴锥镜的实施例

一种变体优选地设置，部分区域具有衍射轴锥镜，尤其其中，经准直的激光束以其整个射束截面照射衍射轴锥镜，并且尤其其中，经准直的激光束围绕轴锥镜中心旋转对称地照射衍射轴锥镜，并且衍射轴锥镜使经准直的激光束经受减小的相位调制。通过减小的相位调制，产生未衍射或未偏转的核心焦点部分(“0级调节”)。在这种情况下，可以在环焦点部分与核心焦点部分之间设置固定的功率分布；无需以确定的方式在整形光学器件中划分(经准直的)激光束的射束截面进行功率分配，这简化了方法和相关的光学设置。

在该变体的一种优选的扩展方案中，为了设置减小的相位调制，衍射轴锥镜具有同心环形区域，这些同心环形区域围绕轴锥镜的中心周期性布置并且分别具有沿径向方向上升或下降的圆锥外壳面，其中，分别在从一个同心环形区域到下一个同心环形区域的梯级(Stufe)处设置小于2π的相位跳跃PHS，尤其其中π/2≤PHS≤3π/2、优选地2.5rad≤PHS≤3rad。在相应梯级处的“不完全”相位跳跃导致(经准直的)激光束不完全衍射进入环焦点部分，并因此导致激光束或激光功率的剩余部分进入核心焦点部分。相位跳跃PHS由梯级的高度H(在射束传播方向)、激光辐射的波长λ以及轴锥镜材料(通常是玻璃)与周围环境(通常是空气)(在激光辐射的波长λ处)之间的折射率差Δn引起，其中PHS＝2π*Δn*H/λ。相位跳跃PHS≤3rad使得核心焦点区域的激光功率相对较大，这在激光焊接过程中通常是优选的，以获得良好的焊缝质量。在没有减小相位调制的情况下，衍射轴锥镜梯级的相位跳跃分别是2π。核心部分的功率部分通过蚀刻深度(高度H)与激光辐射的波长进行比较来确定。以下对于功率部分P₀大致成立，它通过具有梯级高度(光栅深度)H的光栅而不被调制(零阶功率部分，对应于核心部分的功率部分)：

其中最大光栅深度H_max，其中H_max＝λ/(n-1)，此外其中n：轴锥镜材料的折射率，其中P：总激光功率，其中梯级高度H是0到H_max。如果H的值是H_max，则相应梯级处的相位跳跃是2π，并且所有光都被调制，并且P₀＝0。如果H的值是零，则不再存在光栅，并且P₀＝P。在此扩展方案的背景下，梯级高度H在两者之间选择，即0<H<H_max。

具有轴锥镜阵列的实施例

在一个优选的变体中设置，整形光学器件的部分区域具有彼此并排布置的多个轴锥镜，经准直的激光束的部分射束截面全部或部分地照射部分区域的多个轴锥镜，并且经准直的激光束的另一部分射束截面保持不受轴锥镜的影响。通过用射束截面的一部分照射多个轴锥镜，典型地分别大部分是全部，或者部分地用于轴锥镜的不同的相应照射角区段，可以实现环焦点部分或工件上的环面的基本均匀照射。可以用射束截面的另一部分照射核心焦点部分。射束截面在(第一)部分和另外的(第二)部分之间的划分确定了功率分布，必要时通过整形光学器件的调节装置相对于激光束可调节。部分区域中的轴锥镜可以布置成栅格(通常其中所有轴锥镜的大小相同)，特别地布置成笛卡尔栅格或六边形栅格，也可以随机布置(其中轴锥镜可以是相同大小，也可以是不同大小)。通过使用多个轴锥镜(“轴锥镜阵列”)，轴锥镜典型地被施加在共用衬底上。

在该变体的一个优选扩展方案中，彼此并排布置的轴锥镜构造为折射轴锥镜。这在结构上能够特别简单的实现。

具有部分轴锥镜的实施例

在另一个优选的变体中设置，部分区域具有轴锥镜的仅一部分；经准直的激光束的射束截面的一部分全部或部分地照射轴锥镜的一部分；以及射束截面的另一部分保持不受轴锥镜部分的影响。通过全部或部分地照射(仅)轴锥镜的一部分，可以将射束截面的(第一)部分聚焦到环面的相应部分(即进入不完全的环面)；在激光焊接应用中，这可能对于焊缝质量或飞溅物形成有利。可以通过射束截面的另一(第二)部分照射核心焦点。在该变体中，也可以通过整形光学器件和经准直的激光束的相对位置来进行功率分配。

在该变体的一个优选的扩展方案中，轴锥镜的那部分包括轴锥镜的扇形部分，尤其其中，扇形部分包括90°到270°之间的角度范围，特别优选130°到230°之间，非常特别优选地180°。结果，可以照射环面的相应扇形部分或相应的环焦点(“环部段焦点”)；轴锥镜角度部段的大小(轴锥镜角度范围)决定了段焦部点的大小(环面角度范围)。在180°的角度范围内，可以设置半环形的环焦点，在焊接过程中典型地会在供给方向上引导核心焦点，并因此为熔池做准备，使得核焦点可以在已经熔化的工件材料中产生蒸汽毛细管。借助180°的角度范围，即半环形的环焦点部分，通过整形光学器件和激光束的相对位移，还可以特别简单地实现环焦点部分与核心焦点部分之间的功率分布。

具有射束部分的变体，其旋转对称地照射轴锥镜或轴锥镜的一部分

同样有利的是一种变体，该变体设置：部分区域仅包含一个轴锥镜或仅包含轴锥镜的一部分；射束截面的指向部分区域的部分旋转对称地照射轴锥镜或轴锥镜的一部分；射束截面的另一部分保持不受轴锥镜或轴锥镜的所述部分的影响。借助射束截面的(第一)部分旋转对称地照射轴锥镜(或轴锥镜的典型旋转对称和/或环形部分)产生完全(环绕的)照射的环面或完全(umlaufend，环绕的)照射的环焦点。射束截面的另一(第二)部分产生核心焦点。在该变体中，可以实现整形光学器件的特别紧凑的结构；其特别适合比较窄的环焦点。

该变体的一种扩展方案设置，射束截面的另一部分包括在轴锥镜的环形部分的径向内部的区域和/或在轴锥镜或轴锥镜的部分的径向外部的区域。因此，可以以简单的方式将核心焦点部分设置在小的结构空间上。

根据本发明的光学设备

本发明的范畴还包括一种用于工件激光焊接的光学设备，该光学设备具体构造用于执行如前述权利要求中任一项所述的方法，

该光学设备包括

-激光束源，该激光束源用于提供激光束，

-准直光学器件，该准直光学器件用于准直激光束源提供的激光束，

-整形光学器件，该整形光学器件用于对经准直的激光束进行整形，以及

-聚焦光学器件，该聚焦光学器件用于使经整形的激光束聚焦并将经聚焦的激光束引导到待焊接的工件上，

其特征在于，

整形光学器件具有至少一个部分区域，在该至少一个部分区域中构造至少一个轴锥镜的至少一部分。借助至少一个轴锥镜或轴锥镜的一部分，能够通过产生环焦点简单且成本有利地设置射束整形。此外，很容易地能够附加地产生一个核心焦点。借助射束整形，可以实现对具体激光焊接应用的匹配，尤其优化焊缝的质量，例如在机械强度或波纹方面，或者在焊接过程中最小化飞溅物形成。该光学设备尤其可以用于实施根据本发明的上述方法。

根据本发明的光学设备的一个优选实施方式设置，整形光学器件构造为

-在该部分区域中具有衍射轴锥镜，该衍射轴锥镜构造用于经准直的激光束的减小的相位调制，尤其具有环形区域，这些环形区域关于轴锥镜的中心是同心的并且分别具有沿径向方向上升或下降的圆锥外壳面，其中，分别在从一个同心环形区域到下一个同心环形区域的梯级处设置小于2π的相位跳跃PHS，或者

-在该部分区域中，具有彼此并排布置的多个轴锥镜，以及不具有轴锥镜的另一部分区域，或者

-在该部分区域中，具有轴锥镜的仅一部分，以及不具有轴锥镜的另一部分区域，尤其其中，轴锥镜的所述部分是轴锥镜的扇形部分，或者

-在该部分区域中，具有仅一个轴锥镜或轴锥镜的仅一部分，其中，该光学设备如此设置，使得经准直的激光束以其射束截面的一部分旋转对称地照射轴锥镜或轴锥镜的一部分，并且经准直的激光束的射束截面的另一部分保持不受轴锥镜或轴锥镜的所述部分的影响。借助该实施方式能够以简单的方式实现：除了获得环焦点部分之外，还可以在被引导到工件上的、经聚焦的激光束中获得核心焦点部分。

同样优选如下实施方式，该实施方式设置，整形光学器件包括在方向R上与部分区域相邻的、不具有轴锥镜的另一部分区域；设置有调节装置，尤其是电动调节装置，通过该调节装置，整形光学器件至少在方向R上相对于经准直的激光束是可调节的。通过调节装置或者说整形光学器件和经准直的激光束的相应的相对位移，能够设置落到(entfallend)(至少一个)环焦点上与落到核心焦点上的激光束的功率部分，并使这些功率部分匹配特定的加工应用。

此外优选一种实施方式，其中在至少一个轴锥镜内该轴锥镜具有多个轴锥镜角度和/或环形区域轮廓的多个光栅周期。由此能够产生多个环焦点(Ringfoki)，由此激光束的射束轮廓可以更进一步地匹配具体的加工应用。应当说明，多个轴锥镜角或环形区域轮廓的多个光栅周期尤其也可以用在轴锥镜阵列的相应的轴锥镜中，尤其当轴锥镜阵列构造为规则的轴锥镜栅格时。栅格的相应的单位单元然后根据多个轴锥镜角或光栅周期对多个环焦点(或其部分)产生贡献。

本发明的其他优点从描述和附图中得出。同样，根据本发明，以上提及的特征和仍将进一步说明的那些特征可以在各情况下本身单独地使用、或者以任何期望的组合多个地使用。所示出和描述的实施方式不应被理解为穷举，而是具有用于概述本发明的示例性特性。

附图说明

图1a示出了根据本发明的用于执行根据本发明的方法的设备的一种实施方式的示意性纵向截面图；

图1b示出了根据本发明的经聚焦的激光束的示意性截面；

图1c示意性地示出了根据本发明的经聚焦的激光束沿中心截面方向x的示例性强度分布；

图2a示意性地示出了本发明的整形光学器件的衍射轴锥镜的截面轮廓，该衍射轴锥镜具有减小的相位调制；

图2b示意性地示出了激光束穿过根据本发明的具有根据图2a的、减小的相位调制衍射轴锥镜的整形光学器件引起的截面中的相移；

图2c示意性地示出了聚焦后、在图2b的整形后的激光束的截面中的强度分布；

图3a示意性地示出了本发明的激光束穿过整形光学器件引起的截面中的相移，该光学器件在一个部分区域中构造多个衍射轴锥镜，而在另一部分区域中没有构造轴锥镜；

图3b示意性地示出了本发明的激光束穿过整形光学器件引起的截面中的相移，该整形光学器件在笛卡尔栅格上的一个部分区域中构造多个折射轴锥镜，而在另一部分区域中没有构造轴锥镜；

图3c示意性地示出了聚焦后、在图3a或图3b的整形后的激光束的截面中的强度分布；

图3d示意性地示出了本发明的激光束穿过整形光学器件引起的截面中的相移，该整形光学器件在六边形栅格上的一个部分区域中构造多个折射轴锥镜，而在另一部分区域中没有构造轴锥镜；

图3e示意性地示出了本发明的激光束穿过整形光学器件引起的截面中的相移，该整形光学器件在一个部分区域中构造呈统计学布置的多个折射轴锥镜，而在另一部分区域中没有构造轴锥镜；

图4a示意性地示出了本发明的激光束穿过整形光学器件引起的截面中的相移，该整形光学器件在一个部分区域中构造包围180°的衍射轴锥镜的一部分，并且在另一部分区域中没有构造轴锥镜；

图4b示意性地示出了聚焦后、在图4a的整形后的激光束截面中的强度分布；

图4c示意性地示出了本发明的激光束穿过整形光学器件引起的截面中的相移，该整形光学器件在一个部分区域中构造包括180°的衍射轴锥镜，其中，轴锥镜的内部区中的光栅周期大于轴锥镜的外部区中的光栅周期，并且其中，该整形光学器件在另一部分区域中没有构造轴锥镜；

图4d示意性地示出了聚焦后、在图4c的整形后的激光束截面的强度分布；

图4e示意性地示出了本发明的激光束在穿过整形光学器件引起的截面中的相移，该整形光学器件在一个部分区域中构造包围120°的衍射轴锥镜的一部分，并且在另一部分区域中没有构造轴锥镜；

图4f示意性地示出了聚焦后、在图4e的整形后的激光束截面的强度分布；

图5a示出了本发明的整形光学器件的示意性纵向截面，该整形光学器件构造折射轴锥镜的环形部分，并以平面方式构造在环形部分的中心的区域中；

图5b示出了本发明的整形光学器件的示意性纵向截面，该整形光学器件在一个部分区域中构造折射轴锥镜，所述折射轴锥镜被激光束的射束截面的一部分照射，并且其中，径向围绕折射轴锥镜的射束截面的另一部分照射整形光学器件的平坦的、环形的另一部分区域；

图5c示出了本发明的整形光学器件的示意性纵向截面，该整形光学器件构造为具有折射轴锥镜，折射轴锥镜中设置两个不同的轴锥镜角；

图5d示出了本发明的整形光学器件的示意性纵向截面，该整形光学器件构造为具有折射轴锥镜，该折射轴锥镜构造为衬底中的凹进部。

具体实施方式

图1a以示意性纵向截面示出了本发明的尤其用于执行根据本发明的用于激光焊接的方法的光学设备1的一个示例性实施方式；该结构可以相应地应用于所提出的所有其他的实施方式和变体。

激光束4从光缆2的一端3射出。在这方面，光缆2的端部3用作激光束源5。所提供的激光束4借助准直光学器件6(这里是单个准直透镜7)准直，由此获得经准直的激光束8。经准直的激光束8穿过整形光学器件9，该整形光学器件对激光辐射是透明的并且典型地通过光折射或光衍射对经准直的激光束8进行整形，由此获得经整形的激光束10。经整形的激光束10穿过聚焦光学器件11(这里是单个聚焦透镜12)，由此获得经聚焦的激光束13。经聚焦的激光束13被引导到待焊接的工件14上，典型地是待焊接的工件14的两个工件部分的接头。在这种情况下，经聚焦的激光束13的焦点典型地位于工件14的表面上或位于该工件的表面附近。

根据本发明，整形光学器件9具有部分区域15，在该部分区域中构造至少一个轴锥镜或轴锥镜的至少一部分。在所示的实施方式中，在所示的纵向截面中在部分区域15中构造彼此并排放置的三个轴锥镜17。经准直的激光束8至少以其射束截面的一部分18被引导到整形光学器件9的所述部分区域15上。在所示的实施方式中，在纵向截面中通过射束截面的部分18照射三个轴锥镜17中的两个。在此，折射轴锥镜17在整形光学器件9的后侧27上分别具有圆锥形外壳形状的表面，其中，相应的圆锥形外壳形状的表面关于相应的局部圆锥轴16旋转对称地定位；圆锥轴16平行于经准直的激光束8的射束传播方向。整形光学器件9典型地由玻璃制造。

在所示的实施方式中，整形光学器件9还具有另一部分区域19，该部分区域构造为不具有轴锥镜，这里在整形光学器件9的后侧27处具有平坦的表面。经准直的激光束8的射束截面的另一部分20照射整形光学器件9的所述另一部分区域20。另一部分区域19在相对于经准直的激光束8的射束传播方向横向的方向R上与部分区域15相邻。在所示实施方式中，整形光学器件9借助电动调节装置21相对于光学布置1的其余部分在方向R上可调节。

经准直的激光束8的射束截面的落到部分区域15上的部分18在经聚焦的激光束13的射束轮廓中产生环焦点部分，并且如下所述，射束截面的落到部分区域19上的另一部分19在经聚焦的激光束13的射束轮廓中产生核心焦点部分。

图1b示意性地图示出在本发明的上范畴中经聚焦的激光束的典型射束轮廓，该射束轮廓例如可以通过图1a中所示的光学设备1产生并且可以用于工件14表面上的激光焊接。

射束轮廓具有至少一个环焦点部分22，该环焦点部分将激光功率提供到(环形的)环面23或(环形的)环面的一部分中。在所示实施例中，环面23(在360°上)被完全环绕地照射。此外，射束轮廓具有在环面23径向内部放置的核心焦点部分24，所述核心焦点部分将激光功率提供给圆面24a。在所示的变体中，核心焦点部分24径向向内直接与环焦点部分22相邻；替代地，也可以在环焦点部分与核心焦点部分之间设置不被激光辐射照射(或仅被微弱照射)的中间区域(未更详细地示出，但参见例如图4b)。另外应说明的是，替代地，也可以设置多个同心环焦点部分(未更详细地示出，但参见图4d)。

图1c在图中示出：对于图1b的射束轮廓，沿垂直于激光束传播方向的截面方向，局部激光强度I(每面积的激光功率)作为位置x的函数。激光强度具有双“顶帽”轮廓。核心焦点部分24内的激光强度具有基本恒定的第一高值IK；IK的值通常在其平均值周围波动不超过25％。环焦点部分22内的激光强度具有基本恒定的第二较低值IR；IR的值通常在其平均值周围波动不超过25％。

在所示的变体中适用，大约IK＝3.5*IR；通常适用IK≥3*IR、经常有IK≥6*IR。对于在相应聚焦部分的区域上整合的激光功率，这里大约适用LK＝LR；通常大多适用LK≥0.5*(LR+LK)，其中LK：核心焦点部分24中整合的激光功率，以及LR：环焦点部分22(可能所有环焦点部分)中整合的激光功率。

图2a示出了本发明的整形光学器件的衍射轴锥镜25的示意性截面。轴锥镜25在前侧26(激光束的入射侧)上平坦地构造，并且在后侧27(激光束的出射侧)处构造多个环形区域28，这些环形区域相对于中心轴A(其限定轴锥镜25的径向中心Z)是同心的并且分别具有沿径向方向R背离中心轴A下降的圆锥外壳面。由此截面中得到旋转对称的周期性锯齿光栅。截面中的圆锥外壳面或锯齿具有径向宽度B(锯齿光栅的“光栅周期”)，并且在两个相邻环形区域28之间的相应梯级29处，轴锥镜25的轴向厚度改变了高度H。宽度B和高度H与锯齿光栅的倾斜角α相关：H/B＝tan(α)；衍射轴锥镜的倾斜角α也可以称为“轴锥镜角”。

在常规轴锥镜25的情况下，典型地如此选择梯级29处的高度H，使得对于(平均)波长λ的激光辐射，在梯级29得到以下相位跳跃PHS，其中PHS＝2π*Δn*H/λ＝2π，其中Δn：轴锥镜25的材料(通常是玻璃)与周围环境(通常是空气)(在波长λ处)的折射率之间的差。在本发明的范围内，如果整形光学器件除了设置有带有至少一个轴锥镜或其一部分的部分区域之外还设置有不具有轴锥镜的另一部分区域，则典型地设置相位跳跃PHS＝2π。

在此处呈现的变体中，如此安排梯级29的高度H的尺寸，使得在梯级29处出现的相位跳跃PHS小于2π，这里大约有PHS＝2.5rad(“减小的相位调制”)；对此，通常优选适用PHS≤3rad。与常规的衍射轴锥镜相比，轴锥镜25因此具有“不完全”的蚀刻深度。

图2b举例示出了通过的激光辐射的局部相位变化

作为射束截面中的位置(空间坐标x，y)的函数，在整形光学器件9的情况下，所述局部相位变化通过相应于图2a的、具有减小的相位调制的轴锥镜25设置；亮度示出了局部相位变化

在本发明范畴中以示例的方式描绘轴锥镜25处的典型射束截面30的覆盖范围；射束截面在此完全位于轴锥镜25内并居中。在此在相应的梯级处，轴锥镜25的最大相位差大约为2.5rad。

图2c示出了由图2b的射束整形产生的经聚焦的激光束的强度I(以亮度示出)作为射束截面中的位置(空间坐标x，y)的函数。从图2c明显看出，梯级29处的“不完全的”相位跳跃提供了激光束到环焦点部分22中的不完全的衍射；然而，环焦点部分22(在360°上)被完全环绕地照射。激光束的相当大的一部分不衍射并且作为中心的核心焦点部分24保持不偏转。

图3a示出在一种变体中激光束的射束截面30中的通过整形光学器件9设置的局部相位变化

(由亮度示出)，在该变体中，整形光学器件9的部分区域15具有彼此并排布置的多个衍射轴锥镜31，并且在不具有轴锥镜的另一部分区域19中，相位保持恒定。衍射轴锥镜31在它们的梯级处分别具有2π的相位跳跃；相位变化相应地在-3.14rad与+3.14rad之间变化。射束截面30在此以左侧部分(左半部分)照射多个轴锥镜31上的部分区域15，并且所述射束截面以其另一右侧部分(右半部分)照射另一部分区域19。

如在图3c中所产生的经聚焦的激光束的强度图像(射束轮廓)中可以看出，在部分区域15中的照射引起：激光辐射的相关部分衍射到经聚焦的激光束的(全圆周的)环焦点部分22中，并且部分区域19中的照射引起激光辐射的未偏转的部分，所述未偏转的部分在聚焦激光辐射中形成核心焦点部分24。激光强度I在这里再次通过亮度来示出。

通过整形光学器件9在图3a中在方向R上相对于射束截面30的相对移动，可以改变或设置激光功率在环焦点部分22和核心焦点部分24上的分布。

如图3b所示，代替衍射轴锥镜，也可以在整形光学器件9的部分区域15中使用彼此并排布置的折射轴锥镜17；这里示出(以亮度的方式示出)了整形光学器件9在激光束的射束截面30的区域中的局部相位变化；局部相位变化基本上对应于局部轴向高度。在另一部分区域19中同样没有构造轴锥镜。折射轴锥镜17分别具有圆锥形外壳形状的(非梯级状的)表面，其中局部圆锥轴垂直于绘图平面。多个折射轴锥镜17位于部分区域15中(在这方面，也参见图1a)。

这种整形光学器件9同样产生相应于图3c中的图示的强度分布。图3b中部分区域15中的照射引起：激光辐射的相关部分折射到聚焦激光辐射的(全环绕的)环焦点部分22中，并且部分区域19中的照射引起激光辐射的未偏转的部分，该未偏转的部分在聚焦激光辐射中形成核心焦点部分24。

在图3b的变体中，折射轴锥镜17布置在笛卡尔栅格中。应该说明的是，在整形光学器件9的部分区域15中彼此并排布置的轴锥镜17也可以替代地布置在六边形栅格中；参见图3d中射束截面30的区域中的局部相位变化

同样可能的是，在整形光学器件9的部分区域15中彼此并排布置的轴锥镜也可以静态(随机)布置，并且在此也可以选择不同大小(但优选具有相同的轴锥镜角)的轴锥镜17，参见图3e中射束截面的区域中的局部相位变化

在这两种情况下再次得出根据图3c的强度分布。

图4a示出在一种变体中激光束的射束截面30中的通过整形光学器件9设置的局部相位变化

(由亮度示出)，在该变体中，整形光学器件9的部分区域15具有(此处为)衍射轴锥镜34的一部分33，并且在另一部分区域19中相位保持恒定。轴锥镜34的部分33在此由(此处未设置的，完整的)衍射轴锥镜34的180°扇区组成，并且在此衍射轴锥镜34的梯级处的相位跳跃为2π。射束截面30在此以左侧部分(左半部分)照射轴锥镜34的部分33的内部区域上的部分区域15，并且所述射束截面的右侧另一部分(右半部分)照射所述另一部分区域19。

图4b示出了所得到的经聚焦的激光束的截面中的强度I(以亮度示出)。射束截面30的在图4a中落到轴锥镜34的部分33的部分区域15的那部分产生环焦点部分22，该环焦点部分对应于环面35的一部分，即相应于半个循环(Umlauf)(或180°的角度范围)的半个环面。来自图4a的射束截面30的落到另一部分区域19的另一部分得出完全且大致均匀地填充圆面24a的核心焦点部分24。

如果在衍射轴锥镜34的部分33中的整形光学器件9中，环状区域的光栅周期从第一区域36改变到第二区域37，如图4c所示，则在经聚焦的激光束的截面中，这在不同径向位置处得出多个环焦点部分22、38，如图4d中的强度图像所示；环焦点部分22、38分别扫过180°的半圆弧，对应于轴锥镜34的实现的部分33。应该说明的是，在区域36、37中，光栅周期与环形区域的倾斜角(在衍射轴锥镜的情况下为“轴锥镜角”)相关，该环形区域也从区域36切换到区域37。

如果在整形光学器件9中，选择(此处未设置的，完整的)衍射轴锥镜34的通过衍射轴锥镜34的120°扇区的部分33(射束截面30的部分区域15定向到该部分上)，如图4e所示，则所得的激光束的截面中的强度I具有与环面35的对应部分对应的环焦点部分22，在此为与一个循环的三分之一(或120°的角度范围)对应的三分之一个环面，参见图4f。来自图4e的射束截面30的落到另一部分区域19的另一部分产生核心焦点部分24。

图5a以纵向截面示出了本发明的整形光学器件9，在这种情况下，整形光学器件9在环形部分区域15中构造折射轴锥镜40的环形(旋转对称)部分39。在环形部分区域15中，整形光学器件9在后侧27处构造为具有围绕轴(圆锥轴)A的截顶圆锥(Kegelstumpf)41；在此，截顶圆锥41的圆锥角β(在折射轴锥镜的情况下为“轴锥镜角”)确定在经整形的激光束10以及还有在经聚焦的激光束中获得环焦点部分的角度。在围绕轴A位于部分39的径向内部的区域43中，整形光学器件9的后侧27平坦地构造在另一部分区域19中；因此，对于完整的折射轴棱镜40，部分区域19是“缺失的”。

经准直的激光束8相对于轴A同轴地被引导到整形光学器件9的前侧26上，并且这里大部分激光束具体地以旋转对称的方式照射轴锥镜40的部分39。经准直的激光束8以其射束截面的环形部分18入射到轴锥镜40的部分39上，因此射束截面的这个部分18被偏转，并且在经聚焦的激光束中获得环焦点部分；环焦点部分被完全环绕地照射(未示出，但在这方面参见图1b)。经准直的激光束8以其射束截面的另一部分20照射平坦的另一部分区域19，即部分39的径向外部的区域44，并且因此保持不偏转；由此在经聚焦的激光束中得到核心焦点区域(未示出，但在这方面参见图1b)。

图5b示出了本发明的整形光学器件9，其中整形光学器件9在后侧27构造围绕轴A的完整的圆锥外壳，并且相应地在部分区域15中构造完整的折射轴锥镜42。在环形的、外部的、另一部分区域19中，整形光学器件9的后侧27平坦地构造。因此，轴锥镜42在此以圆锥形突起从整形光学器件9的其他平坦的衬底(玻璃衬底)50突出。相对于轴A同轴地入射在整形光学器件9的前侧的经准直的激光束8旋转对称地照射整个轴锥镜42。

经准直的激光束8的射束截面的第一部分18落到部分区域15或轴锥镜42上，由此射束截面的这部分18被偏转并且在经聚焦的激光束中获得环焦点部分；环焦点部分被完全环绕的照射(未示出，在这方面参见图1b)。经准直的激光束8的射束截面的另一环形部分20落到周围的另一部分区域19上，由此射束截面的这部分20保持不偏转，并在经聚焦的激光束中产生核心焦点部分(未示出，但在这方面参见图1b)。

图5c以纵向截面示出了本发明的类似于图5b的设计的整形光学器件9，从而仅阐述本质区别。折射轴锥镜42这里具有第一轴锥镜角区域51，其中轴锥镜角为β1；这里，所述第一轴锥镜角区域51相对于轴A径向向内放置。此外，轴锥镜42具有第二轴锥镜角区域52，其中轴锥镜角为β2；所述第二轴锥镜角52围绕第一轴锥镜角区域51向外放置。在此，这里选择β2>β1。经准直的激光束8以其射束截面的部分18同时照射轴锥镜42的两个轴锥镜角区域51、52，这在经聚焦的激光束中产生两个环焦点部分；部分区域20又导致核心焦点部分(未示出)。

图5d同样以纵向截面图示出本发明的类似于图5b的结构的整形光学器件9，从而同样仅阐述本质区别。这里，折射轴锥镜42在整形光学器件9的后侧27通过衬底(玻璃衬底)50中的圆锥外壳形状的凹进部53构造；轴锥镜42的这种设计也被称为“反轴锥镜”，可以应用在本发明的范畴内。

附图标记列表

1 光学设备

2 光缆

3 光缆的端部

4 所提供的激光束

5 激光束源

6 准直光学器件

7 准直透镜

8 经准直的激光束

9 整形光学器件

10 经整形的激光束

11 聚焦光学器件

12 聚焦透镜

13 经聚焦的激光束

14 工件

15 部分区域

16 折射轴锥镜的局部圆锥轴

17 折射轴锥镜

18 射束截面的一部分

19 另一部分区域

20 射束截面的另一部分

21 调节装置

22 环焦点部分

23 环面

24 核心焦点部分

24a 圆面

25 衍射轴锥镜

26 前侧

27 后侧

28 衍射轴锥镜的环形区域

29 梯级

30 射束截面

31 衍射轴锥镜

33 衍射轴锥镜的一部分

34 衍射轴锥镜

35 环面的一部分

36 衍射轴锥镜的第一区

37 衍射轴锥镜的第二区

38 环焦点部分

39 轴锥镜的(旋转对称的)一部分

40 折射轴锥镜

41 截顶圆锥

42 折射轴锥镜

43 (径向内部)区域

44 (径向外部)区域

50 衬底

51 第一轴锥镜角区域

52 第二轴锥镜角区域

53 凹进部

A 轴

B 衍射轴锥镜的环形区域的宽度/光栅周期

H 梯级的高度

I 强度

R (相对于射束传播方向径向/横向)方向

X 空间坐标

Y 空间坐标

Z 中心

α 衍射轴锥镜中的倾斜角/轴锥镜角

β、β1、β2 折射轴锥镜中的圆锥角/轴锥镜角

通过光学器件整形产生的局部相位变化

Claims (16)

1.一种用于工件(14)的激光焊接的方法，其中，

-在激光束源(5)处提供激光束(4)，

-通过准直光学器件(6)对所提供的激光束(4)进行准直，

-通过整形光学器件(9)对经准直的激光束(8)进行整形，以及

-通过聚焦单元(11)对经整形的激光束(10)进行聚焦并将其引导到待焊接的工件(14)上，

其特征在于，

所述整形光学器件(9)具有至少一个部分区域(15)，在所述至少一个部分区域中构造至少一个轴锥镜(17；25；31；34；40；42)的至少一部分(33；39)，

所述经准直的激光束(8)至少以其射束截面(30)的一部分(18)定向到所述整形光学器件(9)的所述部分区域(15)上。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述整形光学器件(9)如此构造并且所述经准直的激光束(8)如此定向到所述整形光学器件(9)上，使得经聚焦的激光束(13)具有

-核心焦点部分(24)，尤其其中，所述核心焦点部分(24)通过在所述整形光学器件(9)处未衍射或未折射的激光辐射提供，以及

-至少一个环焦点部分(22，38)，所述至少一个环焦点部分在环面(23)上或在环面的一部分(35)上包围所述核心焦点部分(24)，尤其其中，所述环焦点部分(22；38)通过在所述整形光学器件(9)上在轴锥镜(17；25；31；34；40；42)处衍射或折射的激光辐射提供。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述核心焦点部分的整合的激光功率(LK)是所述经聚焦的激光束(13)的总激光功率的至少25％。

4.如权利要求2或3中任一项所述的方法，其特征在于，所述整形光学器件(9)具有另一部分区域(19)，所述另一部分区域在方向R上与所述部分区域(15)邻接，其中，为了设置激光功率在所述核心焦点部分(24)与所述至少一个环焦点部分(22，38)之间的分布，在所述方向R上相对于所述经准直的激光束(8)移动所述整形光学器件(9)。

5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述部分区域(15)具有衍射轴锥镜(25)，

尤其其中，所述经准直的激光束(8)以其整个射束截面(30)照射所述衍射轴锥镜(25)，尤其其中，所述经准直的激光束(8)围绕所述轴锥镜(25)的中心(Z)旋转对称地照射所述衍射轴锥镜(25)，

其中，所述衍射轴锥镜(25)使所述经准直的激光束(8)经受减小的相位调制。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，为了设置所述减小的相位调制，所述衍射轴锥镜(25)具有同心环形区域(28)，所述同心环形区域围绕所述轴锥镜的中心(Z)周期性地布置并且分别具有沿径向方向(R)上升或下降的圆锥外壳面，其中，分别在从一个同心环形区域(28)到下一个同心环形区域(28)的梯级(29)处设置小于2π的相位跳跃PHS，

尤其其中，π/2≤PHS≤3π/2，优选地2.5rad≤PHS≤3rad。

7.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述整形光学器件(9)的所述部分区域(15)具有彼此并排布置的多个轴锥镜(17；31)，

其中，所述经准直的激光束(8)的所述射束截面(30)的部分(18)全部或部分地照射所述部分区域(15)的所述轴锥镜(17；31)中的多个，

其中，所述经准直的激光束(8)的所述射束截面(30)的另一部分(20)保持不受所述轴锥镜(17；31)的影响。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述彼此并排布置的轴锥镜(17；31)构造为折射轴锥镜(17)。

9.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述部分区域(15)具有轴锥镜(34)的仅一部分(33)，

其中，所述经准直的激光束(8)的所述射束截面(30)的部分(18)全部或部分地照射所述轴锥镜(34)的部分(33)，

其中，所述射束截面(30)的另一部分(20)保持不受所述轴锥镜(34)的所述部分(33)的影响。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述轴锥镜(34)的所述部分(33)是所述轴锥镜(34)的扇形部分(33)，优选其中，所述扇形部分(33)包括在90°到270°之间、特别优选在130°到230°之间、非常特别优选180°的角度范围。

11.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述部分区域(15)包括仅一个轴锥镜(42)或轴锥镜(40)的仅一部分(39)，

其中，所述射束截面(30)的被引导到所述部分区域(15)上的一部分(18)旋转对称地照射所述轴锥镜(42)或所述轴锥镜(40)的部分(39)，其中，所述射束截面(30)的另一部分(20)保持不受所述轴锥镜(42)或所述轴锥镜(40)的一部分(39)的影响。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述射束截面(30)的所述另一部分(20)包括径向位于轴锥镜(40)的环形部分(39)内的区域(43)和/或位于所述轴锥镜(42)或所述轴锥镜(40)的部分(39)径向外部的区域(44)。

13.一种用于工件(14)的激光焊接的光学设备(1)，所述光学设备尤其构造用于执行如前述权利要求中任一项所述的方法，

所述光学设备包括

-激光束源(5)，所述激光束源用于提供激光束(4)，

-准直光学器件(6)，所述准直光学器件用于对所述激光束源(5)的提供的激光束(4)进行准直，

-整形光学器件(9)，所述整形光学器件用于对经准直的激光束(8)进行整形，以及

-聚焦光学器件(11)，所述聚焦光学器件用于对经整形的激光束(10)进行聚焦并将经聚焦的激光束(13)引导到待焊接的工件(14)上，

其特征在于，

所述整形光学器件(9)具有至少一个部分区域(15)，在所述至少一个部分区域中构造至少一个轴锥镜(17；25；31；34；40；42)的至少一部分(33；39)。

14.如权利要求13所述的光学设备(1)，其特征在于，所述整形光学器件(9)构造为

-在所述部分区域(15)中具有衍射轴锥镜(25)，所述衍射轴锥镜构造用于所述经准直的激光束(8)的减小的相位调制，所述衍射轴锥镜尤其具有相对于所述轴锥镜(25)的中心(Z)同心的环形区域(28)，所述同心的环形区域分别具有沿径向方向(R)上升或下降的圆锥外壳面，其中，在从一个同心环形区域(28)到下一个同心环形区域(28)的梯级(29)处设置分别小于2π的相位跳跃PHS，或者

-在所述部分区域(15)中具有彼此并排布置的多个轴锥镜(17；31)，所述整形光学器件还具有不具有轴锥镜(17；25；31；34；40；42)的另一部分区域(19)，或者

-在所述部分区域(15)中具有轴锥镜(34)的仅一部分(33)，所述整形光学器件还具有不具有轴锥镜(17；25；31；34；40；42)的另一部分区域(19)，尤其其中，所述轴锥镜(34)的部分(33)是所述轴锥镜(34)的扇形部分(33)，或者

-在所述部分区域(15)中具有仅一个轴锥镜(42)或轴锥镜(40)的仅一部分(39)，其中，所述光学设备(1)如此设置，使得所述经准直的激光束(8)以其射束截面(30)的一部分(18)旋转对称地照射所述轴锥镜(42)或所述轴锥镜(40)的所述部分(39)，并且所述经准直的激光束(8)的射束截面(30)的另一部分(20)保持不受所述轴锥镜(42)或所述轴锥镜(42)的所述部分(39)的影响。

15.如权利要求13或14所述的光学设备(1)，其特征在于，所述整形光学器件(9)包括不具有轴锥镜(17；25；31；34；40；42)的另一部分区域(19)，所述另一部分区域在方向(R)上与所述部分区域(15)邻接，其中，设置调节装置(21)、尤其电动调节装置(21)，借助所述调节装置、尤其所述电动调节装置，所述整形光学器件(9)至少在所述方向R上相对于所述经准直的激光束(8)可调节。

16.如前述权利要求中任一项所述的光学设备(1)，其特征在于，在至少一个轴锥镜(17；25；31；34；40；42)内，所述轴锥镜(17；25；31；34；40；42)具有多个轴锥镜角(α，β)和/或环形区域轮廓的多个光栅周期(B)。

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