CN117715722A - 激光焊接工件用的焊接光学器件，用柱面透镜灵活设定激光光斑的数量和间距，和这种焊接光学器件的应用 - Google Patents

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Abstract

一种用于激光束(25)的、对工件(22)进行激光焊接用的焊接光学器件(1)，其包括：可调节的射束成形装置(2)，借助该射束成形装置能够由入射的激光束(10b)根据调节来产生射束或多个子束(20a；20a'；20a”；20b；20b'；20b”)，并能够对应地产生一个或多个激光光斑(23；23a；23a'；23a”；23b；23b'；23b”)，射束成形装置(2)包括至少一个射束分配组件(3；3'，3”)，其具有：柱面透镜对(12；12'；12”)，包括彼此相继地布置的两个柱面透镜(13；13a；13a'；13a”；13b；13b'；13b”)，这两个柱面透镜具有互为相反数的焦距和彼此平行的光学平面(OE1；OE1'；OE1”；OE2；OE2'；OE2”),这两个柱面透镜针对与光学平面垂直的共同的折射方向(BR；BR'；BR”)朝向至少一个侧面弯曲地延伸并且针对与光学平面平行地延伸的共同的非折射方向(NBR；NBR'；NBR”)保持平移地延伸；和光斑间距调节装置(15；15'；15”)，借助该光斑间距调节装置这两个柱面透镜能够针对折射方向相对彼此移位。借助焊接光学器件(1)能够以简单的方式实现灵活的射束成形，并且尤其能够灵活地设定所产生的激光光斑的数量和间距。

Description

激光焊接工件用的焊接光学器件，用柱面透镜灵活设定激光 光斑的数量和间距，和这种焊接光学器件的应用
技术领域
本发明涉及一种用于激光束的、激光焊接工件用的焊接光学器件，该焊接光学器件包括：
-用于输出激光束的光源；
-准直装置，用于对在准直装置处入射的激光束进行准直；
-聚焦装置，用于朝待焊接的工件的方向对在聚焦装置处入射的激光束进行聚焦；
-和可调节的射束成形装置，借助所述射束成形装置能够使在射束成形装置处入射的激光束成形为经成形的激光束，其中，根据射束成形装置的调节，经成形的激光束能够包括一个射束或多个子束，并且在待焊接的工件上能够对应地产生一个或多个激光光斑，
尤其是，其中射束成形装置在激光束的射束路径上布置在准直装置与聚焦装置之间。
背景技术
从DE 10 2016 124 924 A1已知了这样的焊接光学器件。
焊接是能够借以将两个工件永久彼此相连的接合方法。在大多数情况下，在如下情况下使用激光焊接，即：应以高的焊接速度、狭长且细窄的焊缝形状并且以低的热翘曲来进行焊接。在激光焊接的情况下，经由激光束来进行能量供应。
根据焊接情况(焊接情况尤其由一种或多种待接合的工件材料和工件几何形状确定)，执行不同的激光焊接方法可以有利于最佳的焊接结果。例如在确定的焊接情况下可以有利的是，使激光束成形并将其分成多个子束，从而使得多个激光光斑(例如两个或四个激光光斑)作用于工件表面上；在此通常还存在激光光斑的最佳间距。而在其他焊接情况下可以有利的是，仅使用唯一的激光光斑。
一般来说，激光焊接机、且尤其是激光焊接机中所包含的、借以使激光束指向工件的焊接光学器件被配置用于确定的焊接情况或焊接任务。如果焊接任务发生变化，尤其是应将其他工件(即工件类型)彼此焊接，则对激光焊接机进行改装，其中，对焊接光学器件上的构件或还对焊接光学器件总体进行更换。这耗费设备和时间。
从DE 10 2016 124 924 A1已知一种激光焊接设备，该激光焊接设备可以被用于在电池的壳体主体上焊接密封板，其中，壳体主体和密封板是由铝制成。经准直的激光束被引导经过成形装置，该成形装置包括具有开口的衍射光学元件(DOE)。借助DOE可以将入射的激光束划分成多个子束，例如四个子束，这些子束能够按照正方形的拐角布置。DOE能够相对于激光束移动。根据经准直的激光束与DOE及其开口的重合，一部分经准直的激光束能够藉由DOE被划分成子束，或者保持在通过开口时不发生变形。
借助该激光焊接设备实现使子束的数量发生变化。然而，***成子束或与工件上的所属的激光光斑的间距是由DOE确定的。此外，DOE固定地预先给出：由落到DOE上的激光束形成几个子束。
从DE 10 2010 003 750 A1已知的是，借助于多包层光纤来改变激光束的射束轮廓特征。在此，能够产生具有芯部部分和环部部分的激光束。
发明内容
本发明的任务是，提供一种焊接光学器件，借助该焊接光学器件能够以简单的方式实现灵活的射束成形，并且尤其能够灵活地设定所产生的激光光斑的数量和间距。
根据本发明，该任务通过开篇所述类型的焊接光学器件来实现，该焊接光学器件的特征在于：
射束成形装置包括至少一个射束分配组件，其中，每个射束分配组件均具有：
-柱面透镜对，其包括两个柱面透镜，这两个柱面透镜具有互为相反数的焦距和彼此平行的光学平面，
其中，柱面透镜针对焊接光学器件的光轴彼此相继地布置，
其中，柱面透镜对的这两个柱面透镜针对与光学平面垂直的共同的折射方向朝至少一个侧面弯曲地延伸并且针对与光学平面平行地延伸的共同的非折射方向保持平移地延伸，
其中，折射方向和非折射方向垂直于焊接光学器件的光轴地延伸；
-和光斑间距调节装置，借助该光斑间距调节装置，柱面透镜对的这两个柱面透镜能够针对折射方向相对于彼此移位。
本发明提出，在激光束(所述激光束借助焊接光学器件指向待焊接的工件)的射束路径中布置一个或多个射束分配组件。相应的射束分配组件包括焦距互为相反数的柱面透镜对，该柱面透镜对与激光束的射束截面的一部分相重合、并且与射束截面的另一部分没有重合。柱面透镜的光学平面被定向成与焊接光学器件的光轴平行并且与彼此平行。
在柱面透镜对的柱面透镜的光学平面重叠的基本位置，这两个柱面透镜的相互作用抵消，并且在柱面透镜对处入射的激光束(或其与柱面透镜对相重合的分量)保持没有变化且尤其未经偏转。
然而，如果柱面透镜随着光斑间距调节装置沿共同的折射方向(柱面透镜对的柱面透镜分别沿所述共同的折射方向弯曲地延伸)彼此移位，则柱面透镜的光学平面远离彼此。在这样的偏移位置，在柱面透镜对处入射的激光束(或其与柱面透镜对相重合的分量)横向于焊接光学器件的光轴被柱面透镜对偏转(即，从焊接光学器件的光轴离开地枢转)。由此，激光束的与柱面透镜对相重合的射束分量在聚焦装置之后形成相对于(未经偏转的)激光光斑移位了的激光光斑，该(未经偏转的)激光光斑是由没有与柱面透镜对重合的射束分量引起的。激光光斑的相互的移位与柱面透镜沿共同的折射方向的相互移位成比例。
应注意到，在本发明的范围内借助光斑间距调节装置来调节光斑间距时，激光光斑的形状(尤其是尺寸)没有发生变化，这与在成像比例发生变化时情况不同。对应地，在本发明的范围内还可以灵活地设定激光光斑的重合。
根据本发明，能够借助相应的射束分配组件、根据调节位置由入射的激光束产生射束或两个子束，其中，能够通过柱面透镜的移位宽度来设定子束的相互间距。通过彼此相继地连接多个射束分配组件，可以增多(倍增)可产生的子束的数量；借助两个射束分配组件，例如可以将激光光斑的数量灵活设定为1个、2个或4个，其中，能够成对地设定光斑间距。
对应地，可以借助根据本发明的焊接光学器件或其射束成形装置(所述射束成形装置具有一个或多个射束分配组件)来实现使激光束非常灵活地成形。可以容易地实现使焊接光学器件适配于有待执行的焊接情况。
执行激光焊接方法可以在本发明的范围内最佳地适配于所选择的焊接情况(尤其是工件材料和工件几何形状)，使得可以实现焊接过程或所属激光焊接机的高的焊接品质和效率，尤其是以少的焊接飞溅物和/或少的焊接缺陷(尤其是孔隙)和/或高的过程安全性和/或焊缝的好的介质密封性和/或高的焊接速度。在此，对焊接光学器件的适配可以经由相应的光斑间距调节装置、尤其在不必更换焊接光学器件的构件的情况下特别容易地进行。此外，即使在对要被焊接在一起的工件进行激光焊接加工期间(即，在扫过待焊接的焊接轮廓期间)也可以改变方法的执行(尤其是激光光斑的数量和/或激光光斑的间距)。例如，于是可以在确定的关键范围内沿待焊接的焊接轮廓(例如沿曲线)改变激光光斑的数量或改变光斑间距。
一个或多个射束分配组件优选地布置在准直装置与聚焦装置之间(即，在经准直的激光束中)；替代性地例如还可以布置在准直装置略前处或聚焦装置略后处。光斑间距调节装置能够典型地自动化地马达式地调节，优选地通过调控回路来调节。借助根据本发明的焊接光学器件焊接工件尤其能够以对接接头或以搭接接头来进行。在此，焊接实现为镶焊或通焊。焊接典型地在深层焊接体系中进行。
本发明的优选实施方式
在根据本发明的焊接光学器件的一个优选实施方式中提出，射束成形装置包括两个射束分配组件；
并且这两个射束分配组件的这两个柱面透镜对的折射方向彼此相交地延伸。通过根据本发明在折射方向相交的情况下彼此相继地连接两个射束分配组件，可以灵活地在1个、2个或4个激光光斑之间进行选择以进行工件加工，并且能够成对地以灵活的方式并且彼此独立地设定光斑间距。
在此实施方式的一个优选改进方案中，这两个射束分配组件的折射方向以90°的角度相交。由此能够配置激光光斑的呈矩形、且尤其还呈正方形的布置方式，所述布置方式是实践中通常所期望的。正方形的布置方式具有焊接过程的特别小的方向相关性。
还优选如下实施方式，该实施方式提出，针对相应的柱面透镜对成立的是：这两个柱面透镜被布置成使其能够与激光束的、尤其是经准直的激光束的射束截面的一部分重合，而不能与激光束的、尤其是经准直的激光束的射束截面的另一部分重合。由此实现，激光束的一部分能够借助柱面透镜对(根据调节位置)被偏转，且激光束的一部分不被柱面透镜对(与调节位置无关)偏转。以此方式，原则上实现分成两个子束。将柱面透镜对置于经准直的激光束中实现特别简单且精确的射束成形。
还有利的是如下实施方式，在该实施方式中，在相应的射束分配组件中，光斑间距调节装置至少能够占据以下调节位置：
-基本位置，在该基本位置中，柱面透镜对的柱面透镜的光学平面重叠；以及
-偏移位置，在该偏移位置中，柱面对的柱面透镜的光学平面针对折射方向彼此偏置地布置。在基本位置中，总体上柱面透镜对的柱面透镜没有改变激光束(或落到柱面透镜对上的射束分量)；柱面透镜对是对激光束而言不可见的，或者说对激光束几乎没有光学作用。对应地，可以通过基本位置来选择子束的划分。保持一个射束，因为穿过柱面透镜对和在柱面透镜对旁边经过的射束分量以相同的方式传播。相反，在偏移位置，对落到柱面透镜对上的激光束分量进行偏转，由此可以选择将激光束分成两个子束。穿过柱面透镜对和在柱面透镜对旁边经过的射束分量以不同方式传播。
特别优选的是此实施方式的如下扩展方案，在该扩展方案中，光斑间距调节装置能够占据多个不同的偏移位置，在偏移位置中，柱面透镜的光学平面针对折射方向不一样远地彼此偏置地布置，尤其是，其中能够在调节范围内连续地设定光斑间距调节装置的不同的调节位置。对应地能够设定激光光斑的多个不同的光斑间距。通过连续的调节范围能够连续地设定激光光斑间距。由此能够特别灵活地使用焊接光学器件。
在一个特别优选的实施方式中提出，每个射束分配组件还具有：
-光斑强度调节装置，借助该光斑强度调节装置，柱面透镜对的这两个柱面透镜能够针对非折射方向移位，尤其是能够共同移位。通过使柱面透镜对针对非折射方向移位，可以以简单的方式使激光束的射束截面的与柱面透镜对相重合的部分(相比于射束截面的没有与柱面透镜对相重合的部分)发生变化。由此，可以灵活地选择将(输出)激光束的能量分配给借助于柱面透镜对移位了的射束分量(“移位了的(多个)激光光斑”)以及给借助于柱面透镜对没有被影响的射束分量(“没有移位的(多个)激光光斑”)，这引起激光光斑的对应的强度。光斑强度调节装置能够典型地自动化地马达式调节。
有利的是此实施方式的如下扩展方案，在该扩展方案中，在相应的射束分配组件中，这两个柱面透镜布置在共同的滑块上，其中，共同的滑块能够借助于光斑强度调节装置针对非折射方向在焊接光学器件上移动，其中，柱面透镜之一能够借助于光斑间距调节装置针对折射方向在共同的滑块上移动。共同的滑块实现以简单的方式使两个柱面透镜共同移动。光斑间距和强度分布能够彼此无关地并且以低的耗费来设定。
在根据本发明的焊接光学器件的另一实施方式中提出，输出激光束的光源由导光缆的光纤端部形成；并且存在光纤端部移位设备，借助该光纤端部移位设备能够使光纤端部横向于准直装置(或者说横向于焊接光学器件的光轴)移位。通过光纤端部移位设备可以(替代于或附加于光斑强度调节装置)使激光束的射束截面的与相应的柱面透镜对相重合的部分(相比于射束截面的没有与柱面透镜对相重合的部分)发生变化并且由此使激光光斑的强度变化。光纤端部移位设备可以集成到光纤插接件固持装置中。光纤端部的所配置的位移通常相对小，因而由光纤移位引起的激光光斑的可能的强度变化相对小；然而，能够非常精确地调整激光光斑的强度。
优选的是如下实施方式，在该实施方式中，输出激光束的光源是多股光纤的光纤端部，输出激光束能够作为具有芯部部分和环部部分的、经预先成形的激光束从所述光纤端部出射，
尤其是，其中多股光纤是二合一光纤，输出激光束能够从二合一光纤的光纤端部出射。在许多焊接情况下，具有芯部部分和环部部分的经成形的激光束(其中，通常芯部部分中的平均功率密度明显高于环部部分中的平均功率密度，在大多数情况下高出的系数至少是4)可以有助于获得平静的熔池以及改进焊接品质。应注意到，在工件上所使用的一个或多个激光光斑在此具有对应的芯部部分和环部部分。通过在本发明的范围内使激光光斑移位，激光光斑(且尤其是环部部分)能够被灵活地定位并彼此靠近，并且(如果期望)彼此相接触地或彼此相重合地布置。多股光纤具有芯部光纤和至少一个环部光纤(该至少一个环部光纤呈环形地包围芯部光纤)，在二合一光纤的情况下具有恰好一个环部光纤。由芯部光纤得到芯部部分，并且由该环部光纤或该多个环部光纤总体上得到环部部分。
优选的是如下实施方式，在该实施方式中，准直装置包括至少一个、优选地恰好一个准直透镜。这易于配置且在实践中被证实为有效的。
同样优选的是如下实施方式，在该实施方式中，聚焦装置包括至少一个、优选地恰好一个聚焦透镜。这同样易于配置且在实践中被证实为有效的。
落入本发明的范围内的还有根据本发明的上述焊接光学器件的应用，其特征在于：
将输出激光束馈入到焊接光学器件中，借助焊接光学器件朝工件的方向对经成形的激光束进行聚焦，并且使所述经成形的激光束在工件处扫过焊接轮廓；
并且在扫过焊接轮廓期间，在至少一个射束分配组件中，调节光斑间距调节装置的调节位置。由此可以在扫过焊接轮廓(该焊接轮廓与待制造的焊缝相对应)时在关键部位、例如在须经过窄半径的地方，对方法的执行(即，使激光束成形)进行适配，以优化焊接过程。例如可以在曲线中减小光斑间距(相较于焊接轮廓的直线区段)。还能够是，在扫过焊接轮廓时，以调控回路来调整方法的执行(尤其是设定光斑间距和必要时光斑数量)。
还有利的是根据本发明的上述应用的变体，该变体提出，
每个射束分配组件还具有：
-光斑强度调节装置，借助该光斑强度调节装置，柱面透镜对的这两个柱面透镜能够针对非折射方向移位，尤其是能够共同移位；并且在扫过焊接轮廓期间，在至少一个射束分配组件中，调节光斑强度调节装置的调节位置。由此可以在扫过焊接轮廓时进一步细化并优化方法的执行。例如可以在曲线中减小(相对于局部的进给方向/焊接方向)处于前方的激光光斑的强度并且增大处于后方的激光光斑的强度(相较于焊接轮廓的直线区段)。
在另一个变体中提出的是：输出激光束的光源由导光缆的光纤端部形成；存在光纤端部移位设备，借助该光纤端部移位设备能够使光纤端部横向于准直装置(或者说横向于焊接光学器件的光轴)移位；以及在扫过焊接轮廓期间使光纤端部的位置移位。由此同样可以在扫过焊接轮廓时进一步细化并优化方法的执行。通过使光纤端部横向移位，可以使激光束的射束截面相对于相应的柱面透镜对的这两个柱面透镜移位并且由此可以使激光光斑的强度发生变化。
同样落入本发明的范围内的还有根据本发明的上述焊接光学器件的应用，其特征在于：
借助焊接光学器件彼此先后地焊接不同的工件，其中，相应地将输出激光束馈入到焊接光学器件中，借助焊接光学器件朝工件的方向对经成形的激光束进行聚焦，并且使所述经成形的激光束在工件处扫过焊接轮廓；
并且在焊接不同的工件期间调节光斑间距调节装置的调节位置。通过光斑间距调节装置的调节，可以以低的耗费使方法的执行适配于不同的工件(即，不同的待焊接工件组)，尤其是在焊接时其不同的材料和/或不同的工件几何形状，并且由此优化更换待焊接工件类型时的焊接过程。尤其可以在进行类型更换时改变所使用的激光光斑的数量和/或改变光斑间距。应注意到，如果彼此先后地焊接相同的工件(即，相同的待焊接工件组)，则通常在更换工件时不改变调节位置。
有利的是根据本发明的上述应用的变体，该变体提出，每个射束分配组件还具有：
-光斑强度调节装置，借助该光斑强度调节装置，柱面透镜对的这两个柱面透镜能够针对非折射方向移位，尤其是能够共同移位；并且在焊接不同的工件期间调节光斑强度调节装置的调节位置。由此可以在更换待焊接工件类型时更精细地适配并进一步优化焊接过程。
在另一变体中提出：输出激光束的光源由导光缆的光纤端部形成；存在光纤端部移位设备，借助该光纤端部移位设备能够使光纤端部横向于准直装置(或者说横向于焊接光学器件的光轴)移位；以及在焊接不同的工件期间使光纤端部的位置移位。由此同样可以在更换待焊接工件类型时更精细地适配并进一步优化焊接过程。通过使光纤端部横向移位，可以使激光束的射束截面相对于相应的柱面透镜对的这两个柱面透镜移位并且由此可以使激光光斑的强度发生变化。
本发明的其他优点从说明书和附图得出。同样，上述以及还将进一步阐述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
在附图中示出本发明并且借助实施例对本发明进行详细阐述。
图1以示意性侧视图示出根据本发明的焊接光学器件的示例性实施方式，该焊接光学器件具有射束成形装置，该射束成形装置包括射束分配组件；
图2示出绕光轴旋转90°的来自图1的本发明焊接光学器件；
图3以示意性侧视图示出根据本发明的焊接光学器件的示例性实施方式，该焊接光学器件具有射束成形装置，该射束成形装置包括两个射束分配组件；
图4示出绕光轴旋转90°的来自图3的根据本发明焊接光学器件；
图5示意性地示出借助来自图3的本发明焊接光学器件对激光光斑的功率分布进行的调控；
图6a以截面示出用于本发明的示例性的二合一光纤的示意图，如该二合一光纤可以被用作图1至图4中的焊接光学器件的导光缆以及输出激光束的光源；
图6b以截面示出输出激光束的示意图，如该输出激光束可以由来自图6a的示例性的二合一光纤产生，该输出激光束具有芯部部分和环部部分；
图7a示例性地针对图1和图2的实施方式以在工件表面上的示意性俯视图示出经成形的激光束的两个激光光斑，这些激光光斑分别具有芯部部分和环部部分；
图7b示例性地针对图3和图4的实施方式以工件表面上的示意性俯视图示出经成形的激光束的四个激光光斑，这些激光光斑分别具有芯部部分和环部部分；
图8a示出与图3相似地由根据本发明的焊接光学器件产生的单个的激光光斑的实验图；
图8b示出与图3相似地由根据本发明的焊接光学器件产生的两个激光光斑的实验图；
图8c示出与图3相似地由根据本发明的焊接光学器件产生的两个激光光斑的实验图，所述激光光斑像图8b中那样进一步彼此分隔开；图9a示出由来自图3的本发明焊接光学器件产生的四个激光光斑的实验图，所述激光光斑分别具有芯部部分和环部部分、呈矩形的形式；
图9b示出由来自图3的根据本发明焊接光学器件产生的四个激光光斑的实验图，所述激光光斑分别具有芯部部分和环部部分、呈正方形的形式。
具体实施方式
图1以示意性侧视图示出根据本发明的焊接光学器件1的示例性实施方式，该焊接光学器件具有射束成形装置2，该射束成形装置包括射束分配组件3。坐标系被选择成：x轴向上指向、y轴从图平面向外指向且z轴向右指向。焊接光学器件1的光轴OA沿z轴的方向延伸。
焊接光学器件1包括输出激光束6的光源5，其中光源5在此由导光缆4的光纤端部7形成。在此示出的形式上，作为导光缆4选择多股光纤4a，更确切地选择二合一光纤4b(为此参见图6a)。替代地且在此未示出地，作为导光缆4还可以选择单股光纤。输出激光束6在此作为经预先成形的激光束8从多股光纤4a的光纤端部7出射，其中，经预先成形的激光束8具有芯部部分和环部部分(为此参见图6b)。
光纤端部7处于准直装置9、在此是准直透镜9a的焦点处。在此处未示出的实施方式中，准直装置9还可以包括多个聚焦透镜9a。经预先成形的激光束8作为入射的激光束10a在准直透镜9a处被准直并且作为经准直的激光束11被传递。经准直的激光束11作为入射的激光束10b射至可调节的射束成形装置2。
射束成形装置2在此构造有仅一个射束分配组件3。射束分配组3具有柱面透镜对12，该柱面透镜对包括焦距为±fzyl的两个柱面透镜13。焦距为+fzyl的第一柱面透镜13a在一侧(前侧)具有凸状弯曲的表面14a；另一侧(背侧)在此构造为平坦的。焦距为-fzyl的第二柱面透镜13b在一侧(背侧)具有凹状弯曲的表面14b；另一侧(前侧)在此构造为平坦的。这两个焦距的值相等、但符号相反。即，柱面透镜13a、13b具有互为相反数的焦距。柱面透镜13a、13b的光学平面OE1、OE2(所述光学平面在此垂直于图1的图平面)是彼此平行的。柱面透镜13的共同的折射方向BR在此沿x轴的方向延伸并且因此垂直于光学平面OE1、OE2和光轴OA地延伸。柱面透镜13沿折射方向BR弯曲地延伸。柱面透镜13的共同的非折射方向NBR在此沿y轴的方向延伸并且因此与光学平面OE1、OE2平行且与光轴OA垂直地延伸。柱面透镜13沿非折射方向NBR保持平移地延伸(为此还参见图2)。柱面透镜13针对光轴OA彼此相继地布置。在其他未示出的实施方式中，柱面透镜13a、13b还可以在两侧具有弯曲的表面。
射束分配组件3还具有光斑间距调节装置15并且在此处示出的实施方式中还具有光斑强度调节装置16。这两个透镜13a、13b布置在共同的滑块17上，其中，在示出的实施方式中第一透镜13a位置固定地布置在共同的滑块17上，而第二透镜13b能够借助光斑间距调节装置15沿x方向移动。光斑间距调节装置15为此布置在共同的滑块17上。共同的滑块17(连同透镜13a、13b)又能够藉由光斑强度调节装置16相对于其余部分的焊接光学器件1沿y方向移动(参见图2)。即，藉由光斑间距调节装置15，柱面透镜对12的这两个柱面透镜13能够针对折射方向BR(在此是x方向)相对于彼此移位，并且藉由光斑强度调节装置16，柱面透镜对12的这两个柱面透镜13能够针对非折射方向NBR(在此是y方向)移位。在此处示出的实施方式中，柱面透镜13随着光斑强度调节装置16共同移位。在此处未示出的实施方式中还能够是：柱面透镜13a、13b能够单独地沿y方向移位(其中，尽管如此通常应用在y方向上相等的位移)。
在图1中示出的情况下，光斑间距调节装置15占据偏移位置作为调节位置。第二柱面透镜13b在x方向上从光学平面OE1和OE2重叠的基本位置移位了长度Δx。现在，柱面透镜13a、13b的光学平面OE1、OE2在图1中针对折射方向BR对应地彼此偏置Δx地布置。在此处示出的实施方式中，能够针对x方向在光斑间距调节装置15的调节范围内设定第二透镜13b的不同偏移位置。与光斑间距调节装置15的相应偏移位置相对应地，柱面透镜13a、13b的光学平面OE1、OE2能够针对折射方向BR具有彼此不一样的间距。设定不同的偏移位置可以在此处示出的实施方式中连续地进行。替代地且在此未示出地，设定不同的调节位置还可以以离散的步骤来进行。借助光斑间距调节装置15此外还可以接近基本位置，在该基本位置，柱面透镜13a、13b的光学平面OE1、OE2重叠(在此未展示)。
在此处示出的实施方式中，经准直的激光束11作为入射的激光束10b射到可调节的射束成形装置2上。经准直的激光束11的射束截面19在此在x轴的方向上完全处于柱面透镜13的范围内。在y轴的方向上，柱面透镜13被布置成使其与经准直的激光束11的射束截面19的一部分相重合。柱面透镜13不与经准直的激光束11的射束截面19的另一部分相重合(为此参见图2)。
经准直的激光束11在射束成形装置2处成形。由于柱面透镜13a、13b相对彼此移位，经准直的激光束11的射到柱面透镜对12上的那部分发生偏转。与此偏转相对应的角度偏置量Δβ在此约等于长度Δx与焦距fzyl之商(即，Δβ≈Δx/fzyl)。经准直的激光束11的没有射到柱面透镜对12上的另一部分保持未经偏转。以此方式经成形的激光束20对应地包括两个子束，即，经偏转的子束20b和未经偏转的子束20a。
此外，焊接光学器件1包括聚焦装置21，在此是具有焦距fF的聚焦透镜21a。在此处未示出的实施方式中，聚焦装置21还可以包括多个聚焦透镜9a。经成形的激光束20作为入射的激光束10c射到聚焦透镜21a上并朝待焊接的工件22的方向被聚焦。经聚焦的、经成形的激光束20在此在工件22的表面22a上产生两个激光光斑23a、23b；在示出的实施方式中，未经成形的激光束20被聚焦于工件22的表面。这两个激光光斑23a、23b之间的位置偏置量Δb在此约等于焦距fF与角度偏置量Δβ之积(即，Δb＝fF·Δβ＝fF·Δx/fzyl)。在此处示出的实施方式中，位置偏置量Δb可以通过针对x方向使柱面透镜13b移位来增大或减小。于是，与移位相对应地，这两个激光光斑23之间的位置偏置量Δb增大或减小，并且激光光斑23a、23b更远地远离或更近地靠拢。
在此处示出的实施方式中，射束成形装置2在激光束25的射束路径24中处于准直装置9与聚焦装置21之间。在其他的、在此未示出的实施方式中，替代性地可行的是：射束成形装置3布置在输出激光束6的光源5与准直装置9之间(典型地靠近该准直装置)；或者射束成形装置2布置在聚焦装置21之后(且典型地靠近该聚焦装置)。
图2示出旋转90°的来自图1的焊接光学器件1。在此，坐标系在图2中被定向成：x轴从图平面向外指向，y轴向上指向且z轴向右指向。
在此处示出的实施方式中，经准直的激光束11作为入射的激光束10b射到可调节的射束成形装置2上。经准直的激光束19的射束截面19在此在x轴的方向上完全处于柱面透镜13的范围内(参见图1)。在y轴的方向上，柱面透镜13被布置成使其与经准直的激光束11的射束截面19的一部分19b(在图2中，上部分)相重合，这一部分在此大约对应于经准直的激光束11的射束截面19的一半。柱面透镜13不与经准直的激光束11的射束截面19的另一部分19a(在图2中，下部分)相重合，该另一部分在此大约对应于经准直的激光束11的射束截面19的(其余)一半。从上部分19b产生经偏转的子束(20b，在图1中)，并且从下部分19a产生未经偏转的子束(20a，在图1中)。
应注意到，借助柱面透镜13，在基本位置(其中Δx＝0)，在激光束的上部分19b中可能不进行偏转，而对应地仅产生激光光斑(未详细展示)。
图3以示意性侧视图示出根据本发明的焊接光学器件1的示例性实施方式，该焊接光学器件具有射束成形装置2，所述射束成形装置包括两个射束分配组件3'、3”。坐标系被选择成：x轴向上指向、y轴从图平面向外指向且z轴向右指向。焊接光学器件1的光轴OA沿z轴的方向延伸。
焊接光学器件1包括输出激光束6的光源5，其中，光源5由导光缆4的光纤端部7形成。在此示出的实施方式中，作为导光缆4选择多股光纤4a，更确切地选择二合一光纤4b(为此参见图6a)。替代地且在此未示出地，作为导光缆4还可以选择单股光纤。输出激光束6在此作为经预先成形的激光束8从多股光纤4a的光纤端部7出射，其中，经预先成形的激光束8具有芯部部分和环部部分(为此参见图6b)。
光纤端部7处于准直装置9、在此是准直透镜9a的焦点处。在此处未示出的实施方式中，准直装置9可以包括多个聚焦透镜9a。经预先成形的激光束8作为入射的激光束10a在准直透镜9a处被准直并且作为经准直的激光束11被传递。经准直的激光束11作为入射的激光束10b射到可调节的射束成形装置2上。
射束成形装置2在此构造为有两个射束分配组件3'、3”。在此处示出的实施方式中，射束分配组件3'、3”以90°的角度相交。对射束分配组件3'的详细描述主要借助图3来进行，而对射束分配组件3”的详细描述主要借助图4来进行，其中，图4以绕z轴旋转90°的方式示出图3的焊接光学器件。
第一射束分配组件3'(图3)：
第一射束分配组件3'具有柱面透镜对12'，该柱面透镜对包括焦距为±fzyl'的两个柱面透镜13'。焦距为+fzyl'的第一柱面透镜13a'在一侧(前侧)具有凸状弯曲的表面14a'；另一侧(背侧)在此被形成为平坦的。焦距为-fzyl'的第二柱面透镜13b'在一侧(背侧)具有凹状弯曲的表面14b'；另一侧(前侧)在此被形成为平坦的。这两个焦距的值相等、但符号相反。即，柱面透镜13a'、13b'具有互为相反数的焦距。柱面透镜13a'、13b'的光学平面OE1'、OE2'(光学平面在此垂直于图3的图平面)是彼此平行的。柱面透镜13'的共同的折射方向BR'在此沿x轴的方向延伸并且因此垂直于光学平面OE1'、OE2'和光轴OA地延伸。柱面透镜13'沿折射方向BR'弯曲地延伸。柱面透镜13'的共同的非折射方向NBR'在此沿y轴的方向延伸并且因此平行于光学平面OE1'、OE2'且垂直于光轴OA地延伸。柱面透镜13'沿非折射方向NBR'保持平移地延伸(为此还参见图4)。柱面透镜13'针对光轴OA彼此相继地布置。在其他未示出的实施方式中，柱面透镜13a'、13b'可以在两侧具有弯曲的表面。
第一射束分配组件3'还具有光斑间距调节装置15'并且在此处示出的实施方式中还具有光斑强度调节装置16'。这两个透镜13a'、13b'布置在共同的滑块17'上，其中，在示出的实施方式中第一透镜13a'位置固定地布置在共同的滑块17'上，而第二透镜13b'能够借助光斑间距调节装置15'沿x方向移动。光斑间距调节装置15'为此布置在共同的滑块17'上。共同的滑块17'(连同透镜13a'、13b')由能够藉由光斑强度调节装置16'相对于其余部分的焊接光学器件1沿y方向移动(为此还参见图4)。即，藉由光斑间距调节装置15'，柱面透镜对12'的这两个柱面透镜13'能够针对折射方向BR'(在此是x方向)相对于彼此移位，并且藉由光斑强度调节装置16'，柱面透镜对12'的这两个柱面透镜13'能够针对非折射方向NBR'(在此是y方向)移位。在此处示出的实施方式中，柱面透镜13'随着光斑强度调节装置16'共同移位。在此处未示出的实施方式中还能够是：柱面透镜13a'、13b'能够单独地沿y方向移位(其中，尽管如此通常应用在y方向上相等的位移)。
在此处示出的情况下，光斑间距调节装置15'占据偏移位置作为调节位置。第二柱面透镜13b'在x方向上从光学平面OE1'和OE2'重叠的基本位置移位了长度Δx。现在，柱面透镜13a'、13b'的光学平面OE1'、OE2'在图3中针对于折射方向BR'对应地彼此偏置Δx地布置。在此处示出的实施方式中，能够针对x方向在光斑间距调节装置15'的调节范围内设定第二透镜13b'的不同偏移位置。与光斑间距调节装置15'的相应偏移位置相对应地，柱面透镜13a'、13b'的光学平面OE1'、OE2'能够针对折射方向BR'具有彼此不一样的间距。在此处示出的实施方式中，设定不同的偏移位置可以连续地进行。替代地且在此未示出地，设定不同的调节位置还可以以离散的步骤来进行。借助光斑间距调节装置15'此外还可以接近基本位置，在该基本位置，柱面透镜13a'、13b'的光学平面OE1'、OE2'重叠(在此未展示)。
在此处示出的实施方式中，经准直的激光束11作为入射的激光束10b射到可调节的射束成形装置2上。经准直的激光束11的射束截面19在此在x轴的方向上完全处于柱面透镜13'的范围内。在y轴的方向上，柱面透镜13'被布置成使其与经准直的激光束11的射束截面19的一部分相重合。柱面透镜13'不与经准直的激光束11的射束截面19的另一部分相重合(为此参见图4)。
在x轴的方向上，第二射束分配组件3”的柱面透镜13”被布置成使其与经准直的(且部分地经成形的)激光束11的射束截面19的一部分19b”(在图3中，上部分)相重合，所述一部分在此大约对应于经准直的激光束11的射束截面19的一半。柱面透镜13”不与经准直的激光束11的射束截面19的另一部分19a”(在图3中，下部分)相重合，该另一部分在此大约对应于经准直的激光束11的射束截面19的(其余)一半。从上部分19b”产生经偏转的子束(20b”，在图4中)，并且从下部分19a”产生未经偏转的子束(20a”，在图4中)。
应注意到，借助柱面透镜13”，在基本位置(其中Δy＝0)，在激光束25的上部分19b”没有进行偏转。
经准直的激光束11在射束成形装置2处成形。由于柱面透镜13a'、13b'相对于彼此移位，经准直的激光束11的射到柱面透镜对12'上的那部分发生偏转。与此偏转相对应的角度偏置量Δβx在此约等于长度Δx与焦距fzyl'之商(即，Δβx≈Δx/fzyl')。经准直的激光束11的没有射到柱面透镜对12'上的另一部分保持(对于左侧的柱面透镜对12'的柱面透镜13'而言)未经偏转。以此方式经成形的激光束20对应地(在图3的投影中)包括两个子束，即，经偏转的子束20a'和未经偏转的子束20b'。对于通过右侧的柱面透镜对12”的柱面透镜13”使经成形的激光束20进一步成形，进一步参见下文。
此外，焊接光学器件1包括聚焦装置21，在此是具有焦距fF的聚焦透镜21a。在此处未示出的实施方式中，聚焦装置21还可以包括多个聚焦透镜9a。经成形的激光束20作为入射的激光束10c射至聚焦透镜21a并朝待焊接的工件22的方向被聚焦。于是，经聚焦的、经成形的激光束20产生多个激光光斑；在图3的投影中，在工件22的表面22a上可见两个激光光斑23a'、23b'。在示出的实施方式中，经成形的激光束20被聚焦到工件22的表面上。这两个激光光斑23a'、23b'之间的位置偏置量Δbx在此约等于焦距fF与角度偏置量Δβx之积(即，Δbx＝fF·Δβx＝fF·Δx/fzyl')。在此处示出的实施方式中，位置偏置量Δbx可以通过针对x方向使柱面透镜13b'移位来增大或减小。于是，与移位相对应地，这两个激光光斑23a'、23b'之间的位置偏置量Δbx增大或减小，并且激光光斑23a'、23b'更远地远离或更近地靠拢。
第二射束分配组件3”(图4)：
图4示出旋转90°的来自图3的焊接光学器件1。在此，坐标系在图4中被定向成：y轴向上指向、x轴从图平面向内指向且z轴向右指向。
第二射束分配组件3”具有柱面透镜对12”，该柱面透镜对包括焦距为±fzyl”的两个柱面透镜13”。焦距为+fzyl”的第一柱面透镜13a”在一侧(前侧)具有凸状弯曲的表面14a”；另一侧(背侧)在此被形成为平坦的。焦距为-fzyl”的第二柱面透镜13b”在一侧(背侧)具有凹状弯曲的表面14b”；另一侧(前侧)在此被形成为平坦的。这两个焦距的值相等、但符号相反。即，柱面透镜13a”、13b”具有互为相反数的焦距。应注意到，不同的柱面透镜对12'、12”的焦距可以被选择为相同的或者还可以被选择为不同的。柱面透镜13a”、13b”的光学平面OE1”、OE2”(光学平面在此垂直于图4的图平面)是彼此平行的。柱面透镜13”的共同的折射方向BR”在此沿y轴的方向延伸并且因此垂直于光学平面OE1”、OE2”和光轴OA地延伸。柱面透镜13”沿折射方向BR”弯曲地延伸。柱面透镜对12'、12”的折射方向BR'、BR”彼此呈90°相交地延伸。柱面透镜13”的共同的非折射方向NBR”在此沿x轴的方向延伸并且因此与光学平面OE1”、OE2”平行且垂直于光轴OA地延伸。柱面透镜13”沿非折射方向NBR”保持平移地延伸(为此还参见图3)。柱面透镜13”针对光轴OA彼此相继地布置。在其他未示出的实施方式中，柱面透镜13a”、13b”还可以在两侧具有弯曲的表面。
第二射束分配组件3”还具有光斑间距调节装置15”并且在此处示出的实施方式中还具有光斑强度调节装置16”。这两个透镜13a”、13b”布置在共同的滑块17”上，其中，在示出的实施方式中第一透镜13a”位置固定地布置在共同的滑块17”上，而第二透镜13b”能够借助光斑间距调节装置15”沿y方向移动。光斑间距调节装置15”为此布置在共同的滑块17”上。共同的滑块17”(连同透镜13a”、13b”)又能够藉由光斑强度调节装置16”相对于其余的焊接光学器件1沿x方向移动。即，藉由光斑间距调节装置15”，柱面透镜对12”的这两个柱面透镜13”能够针对折射方向BR”(在此是y方向)相对于彼此移位，并且藉由光斑强度调节装置16”，柱面透镜对12”的这两个柱面透镜13”能够针对非折射方向NBR”(在此是x方向)移位。在此处示出的实施方式中，柱面透镜13”随着光斑强度调节装置16”共同移位。在此处未示出的实施方式中还能够是：柱面透镜13a”、13b”能够单独地沿x方向移位(其中，尽管如此通常应用在x方向上相等的位移)。
在此处示出的实施方式中，光斑间距调节装置15”占据偏移位置作为调节位置。第二柱面透镜13b”在y方向上从光学平面OE1”和OE2”重叠的基本位置移位了长度Δy。现在，柱面透镜13a”、13b”的光学平面OE1”、OE2”在图4中针对折射方向对应地彼此偏置Δy地布置。在此处示出的实施方式中，能够针对y方向在光斑间距调节装置15”的调节范围内设定第二透镜13b”的不同偏移位置。与光斑间距调节装置15”的相应偏移位置相对应地，柱面透镜13a”、13b”的光学平面OE1”、OE2”能够针对折射方向BR”具有彼此不一样的间距。在此处示出的实施方式中，设定不同的偏移位置可以连续地进行。替代地且在此未示出地，设定不同的调节位置还可以以离散的步骤来进行。借助光斑间距调节装置15”此外还可以接近基本位置，在该基本位置，柱面透镜13a”、13b”的光学平面OE1”、OE2”重叠(在此未展示)。
在此处示出的实施方式中，经准直的激光束11作为入射的激光束10b射到可调节的射束成形装置2上。经准直的(并且在到达柱面透镜对12”时已经部分地经成形的)激光束11的射束截面19在此在y轴的方向上完全处于柱面透镜13”的范围内。在x轴的方向上，柱面透镜13”被布置成使其与经准直的激光束11的射束截面19的一部分相重合。柱面透镜13”不与经准直的激光束11的射束截面19的另一部分相重合(为此参见图3)。
在y轴的方向上，第一射束分配组件3'的柱面透镜13'被布置成使其与经准直的激光束11的射束截面19的一部分19b'(在图4中，上部分)相重合，所述一部分在此大约对应于经准直的激光束11的射束截面19的一半。柱面透镜13'不与经准直的激光束11的射束截面19的另一部分19a'(在图4中，下部分)相重合，该另一部分在此大约对应于经准直的激光束11的射束截面19的(其余)一半。从上部分19b'产生经偏转的子束(20b'，在图3中)，并且从下部分19a'产生未经偏转的子束(20a'，在图3中)。
应注意到，借助柱面透镜13'，在基本位置中(其中Δx＝0)，在激光束25的上部分19b'中没有进行偏转。
经准直的激光束11在射束成形装置2处成形。由于柱面透镜13a”、13b”相对于彼此移位，经准直的(且已经部分地经成形的)激光束11的射到柱面透镜对12”上的那部分发生偏转。与此偏转相对应的角度偏置量Δβy在此约等于长度Δy与焦距fzyl”之商(即，Δβy≈Δy/fzyl”)。经准直的激光束11的没有射到柱面透镜对12”上的另一部分保持不(被柱面透镜对12”)偏转。以此方式经成形的激光束20(在图4的投影中)对应地包括两个子束，即，经偏转的子束20a”和未经偏转的子束20b”。应注意到，由于已经实现了在第一柱面透镜对12'处(部分)成形以及在柱面透镜对12”处进一步成形，因此在柱面透镜对12”之后实际上存在四个子束。
如已经描述地，经成形的激光束20作为入射的激光束10c射到聚焦透镜21a上并朝待焊接的工件22的方向被聚焦。于是，经聚焦的、经成形的激光束20产生多个激光光斑，在图4的投影中，在工件22的表面22a上可见其中的两个激光光斑23a”、23b”。这两个激光光斑23a”、23b”之间的位置偏置量Δby在此约等于焦距fF与角度偏置量Δβy之积(即，Δby＝fF·Δβy＝fF·Δy/fzyl”)。在此处示出的实施方式中，位置偏置量Δby可以通过针对y方向使柱面透镜13b”移位来增大或减小。于是，与移位相对应地，这些激光光斑23之间的位置偏置量Δby增大或减小，并且激光光斑23a”、23b”更远地远离或更近地靠拢。
通过在此示出的实施方式，在示出的情况下，由可调节的射束成形装置2产生四个激光光斑23a'、23b'、23a”、23b”。如果在此Δx＝Δy(其中Δx≠0且Δy≠0)且|fzyl'|＝|fzyl”|，则这四个激光光斑具有正方形的布置方式。替代地可以将可调节的射束成形装置2调节成使得仅产生两个激光光斑23(其中Δx＝0且Δy≠0或反之亦然)或者仅产生一个激光光斑(其中Δx＝0且Δy＝0)(相应地在此未示出)。由此，能够非常灵活地使用射束成形装置2。
图5示意性地示出借助来自图3的根据本发明的焊接光学器件对激光光斑的功率分布或强度分布进行的调控。坐标系在图5中被定向成：x轴向右指向，y轴向上指向且z轴从图平面向外指向。
第一射束成形组件的第一柱面透镜对12'在此简化地被展示为具有实线的矩形，第二柱面透镜对12”在此简化地被展示为具有虚线的矩形。第一柱面透镜对12'产生针对x方向的射束偏转，而第二柱面透镜对12”产生针对y方向的射束偏转。
这两个柱面透镜对12'、12”在此与其彼此的局部重合相对应地形成四个区域32a、32b、32c、32d。在区域32a中，入射的激光束10b没有被这些柱面透镜对12'、12”中的任何一个偏转；在区域32b中，入射的激光束10b被柱面透镜对12'偏转；在区域32c中，入射的激光束10b被柱面透镜对12”偏转；以及在区域32d中，入射的激光束10b被两个柱面透镜对12'、12”偏转。对应地，在此由入射的激光束10b产生四个子束或四个激光光斑。入射的激光束10b在图5中示出的情况下相对于柱面透镜对12'、12”被布置成使其在此与这四个区域32a、32b、32c、32d中的每个区域均具有大小相等的重合面。由此，所产生的这四个激光光斑的强度分别是大小相等的。
通过使柱面透镜对12'、12”相对于(在此被假定为位置固定的)入射的激光束10b移位，入射的激光束10b与区域32a、32b、32c、32d的重合可以成对地发生变化并且因此所属的激光光斑的强度可以成对地发生变化。柱面透镜对12'可以随其光斑强度调节装置沿y方向移动，并且柱面透镜对12”可以随其光斑强度调节装置沿x方向移动。
如果例如使柱面透镜对12'沿正的y方向移位，则入射的激光束10b与区域32a和32c所具有的重合面增大，并且由区域32a和32c产生的激光光斑的强度增大。反之，入射的激光束10b与区域32b和32d所具有的重合面减小，并且由区域32b和32d产生的激光光斑的强度减小。
如果此外例如使柱面透镜对12”沿正的x方向移位，则入射的激光束10b与区域32c和32d所具有的重合面增大，并且由区域32c和32d产生的激光光斑的强度增大。反之，入射的激光束10b与区域32a和32b所具有的重合面减小，并且由区域32a和32b产生的激光光斑的强度减小。
图6a中以截面示出了用于本发明的示例性的二合一光纤4b的示意图，如该二合一光纤可以被用作图1至图4中的焊接光学器件的导光缆以及输出激光束的光源。
二合一光纤4b包括具有芯部光纤直径KFD的芯部光纤26以及具有环部光纤直径RFD的环部光纤27。借助二合一光纤可以产生经预先成形的激光束，该激光束具有芯部部分和环部部分(为此参见图6b)并且用作焊接光学器件中的输出激光束。为此，初始激光束(未详细示出)部分地被馈入芯部光纤26中且部分地被馈入环部光纤27中，例如经由被部分地推入初始激光束中的光学楔形件。如果初始激光束仅被导入芯部光纤26中(即，环部光纤27中的功率分量被选择为0％)，则还可以借助二合一光纤4b产生未经预先成形的激光束。
图6b以截面示出输出激光束6的示意图，如该输出激光束可以由来自图6a的示例性的二合一光纤产生。
输出激光束6是经预先成形的激光束8并且具有芯部部分28和环部部分29。环部部分29在此包围芯部部分28。应注意到，芯部部分28中的平均激光强度通常高于环部部分19中的平均激光强度，在大多数情况下所高出的系数至少是四。
图7a示例性地针对图1和图2的实施方式以到工件22的表面22a上的示意性俯视图示出在工件22的表面22a上的、经成形的激光束的两个激光光斑23，所述激光光斑分别具有芯部部分28和环部部分29。
激光光斑23相对于进给方向30在工件22的表面22a上沿焊接轮廓31移动。激光光斑23在此相对于进给方向30彼此相继地布置。
借助激光光斑23的在此示出的布置方式可以以与方向相关的方式进行焊接。在此示出的布置方式例如可以在铝材料的情况下被用于进行型材焊接。
在扫过焊接轮廓31期间，可以调节射束分配组件的光斑间距调节装置的调节位置，从而使得激光光斑23更近地靠拢或更远地远离。此外，藉由光斑强度调节装置，可以在扫过焊接轮廓31期间调节单个的激光光斑23的强度。
替代地或附加地，射束分配组件的光斑间距调节装置和光斑强度调节装置的调节位置还可以在焊接两个构件期间进行调节，尤其是在待焊接的构件的类型发生变化时。
图7b示例性地针对图3和图4的实施方式以到工件22的表面22a的示意性俯视图示出在工件22的表面22a上的、经成形的激光束20的四个激光光斑23，所述激光光斑分别具有芯部部分28和环部部分29。
激光光斑23相对于进给方向30在工件22的表面22a上沿其焊接轮廓31移动。激光光斑23在此呈正方形地布置。在此，针对示出的进给方向30，两个激光光斑23处于前方且两个激光光斑23处于后方。
借助激光光斑23的在此示出的布置方式可以以在很大程度上与方向无关的方式进行焊接；即使(例如沿焊接轮廓的曲线)暂时相对于(局部的)进给方向而言是一个激光光斑处于前方、两个激光光斑布置在中间且一个激光光斑处于后方，焊接行为也仅最小化地发生变化。在此示出的布置方式例如可以在铝材料的情况下被用于进行与方向无关的焊接。
在扫过焊接轮廓31期间，能够调节这两个射束分配组件的光斑间距调节装置的调节位置，从而使得激光光斑23更近地靠拢或更远地远离。此外，藉由光斑强度调节装置，可以在扫过焊接轮廓31期间调节激光光斑23的强度。能够分别成对地设定激光光斑23的间距和强度。
替代地或附加地，这两个射束分配组件的光斑间距调节装置和光斑强度调节装置的调节位置还可以在焊接两个构件期间进行调节，尤其是在待焊接的构件的类型发生变化时。
图8a示出由根据本发明的焊接光学器件产生的单个的激光光斑的实验图。在此示例中使用了焊接光学器件，与图3所述相似的那样。然而，作为输出激光束的光源，使用单股光纤。聚焦透镜的焦距fF为500mm，第一射束分配组件的第一柱面透镜的焦距fzyl'为2000mm，并且第二射束分配组件的第二柱面透镜的焦距fzyl”同样为2000mm。Δx和Δy分别为0mm，即，射束分配组件处于基本位置中。在基本位置中，仅产生单独的激光光斑。
图8b示出由根据本发明的焊接光学器件产生的两个激光光斑的实验图。在此示例中使用了焊接光学器件，与图3所述相似的那样。然而，作为输出激光束的光源，使用单股光纤。聚焦透镜的焦距fF为500mm，第一射束分配组件的第一柱面透镜的焦距fzyl'为2000mm，并且第二射束分配组件的第二柱面透镜的焦距fzyl”同样为2000mm。Δx为2mm且Δy为0mm，即，第一射束分配组件处于偏移位置中，而第二射束分配组件处于基本位置中。产生位置偏置量Δbx为约0.5mm的两个激光光斑。
图8c示出由根据本发明的焊接光学器件产生的两个激光光斑的实验图。在此示例中使用了焊接光学器件，与图3所述相似的那样。然而，作为输出激光束的光源，使用单股光纤。聚焦透镜的焦距fF为500mm，第一射束分配组件的第一柱面透镜的焦距fzyl'为2000mm，并且第二射束分配组件的第二柱面透镜的焦距fzyl”同样为2000mm。Δx为4mm且Δy为0mm，即，第一射束分配组件处于偏移位置中，而第二射束分配组件处于基本位置中。产生位置偏置量Δbx为大约1mm的两个激光光斑。
图9a示出由根据本发明的焊接光学器件产生的激光光斑的实验图。在此示例中使用了焊接光学器件，如图3所述的那样。作为输出激光束的光源，使用二合一光纤。激光光斑相对应地具有芯部部分和环部部分。聚焦透镜的焦距fF为500mm，第一射束分配组件的第一柱面透镜的焦距fzyl'为2000mm，而第二射束分配组件的第二柱面透镜的焦距fzyl”同样为2000mm。Δx为4mm且Δy为2mm，即，两个射束分配组件处于偏移位置。产生位置偏置量Δbx为大约1mm且位置偏置量Δby为大约0.5mm的四个激光光斑。这四个激光光斑呈矩形布置并且激光光斑的环部部分在y方向上重合、但在x方向上没有重合。
图9b示出由根据本发明的焊接光学器件产生的激光光斑的实验图。在此示例中使用了焊接光学器件，如图3所述的那样。作为输出激光束的光源，使用二合一光纤。激光光斑相对应地具有芯部部分和环部部分。聚焦透镜的焦距fF为500mm，第一射束分配组件的第一柱面透镜的焦距fzyl'为2000mm，并且第二射束分配组件的第二柱面透镜的焦距fzyl”同样为2000mm。Δx为4mm且Δy为4mm，即，两个射束分配组件处于偏移位置中。产生位置偏置量Δbx为大约1mm且位置偏置量Δby为大约1mm的四个激光光斑。这四个激光光斑呈正方形布置并且激光光斑的环部部分没有重合。
总而言之，本发明涉及一种用于激光束(25)的、对工件(22)进行激光焊接用的焊接光学器件(1)，该焊接光学器件包括：可调节的射束成形装置(2)，借助该射束成形装置，能够根据调节由入射的激光束(10b)产生射束或多个子束(20a；20a'；20a”；20b；20b'；20b”)，并且能够对应地产生一个或多个激光光斑(23；23a；23a'；23a”；23b；23b'；23b”)，
其特征在于，
射束成形装置(2)包括至少一个射束分配组件(3；3'，3”)，该至少一个射束分配组件具有：
-柱面透镜对(12；12'；12”)，其包括彼此相继地布置的两个柱面透镜(13；13a；13a'；13a”；13b；13b'；13b”)，这两个柱面透镜具有互为相反数的焦距和彼此平行的光学平面(OE1；OE1'；OE1”；OE2；OE2'；OE2”),
其中，这两个柱面透镜针对垂直于光学平面的共同的折射方向(BR；BR'；BR”)朝至少一个侧面弯曲地延伸并且针对平行于光学平面地延伸的共同的非折射方向(NBR；NBR'；NBR”)保持平移地延伸，
-以及光斑间距调节装置(15；15'；15”)，借助该光斑间距调节装置，这两个柱面透镜能够针对折射方向相对于彼此移位。借助该焊接光学器件能够以简单的方式实现灵活的射束成形，并且尤其能够灵活地设定所产生的激光光斑的数量和间距。
附图标记列表
1 焊接光学器件
2 射束成形装置
3 射束分配组件
3' 第一射束分配组件
3” 第二射束分配组件
4 导光缆
4a 多股光纤
4b 二合一光纤
5 光源
6 输出激光束
7 光纤端部
8 经预先成形的激光束
9 准直装置
9a 准直透镜
10a 入射的激光束(在准直装置处)
10b 入射的激光束(在射束成形装置处)
10c 入射的激光束(在聚焦装置处)
11 经准直的激光束
12 柱面透镜对
12' 柱面透镜对(第一射束分配组件)
12” 柱面透镜对(第二射束分配组件)
13 柱面透镜
13' 柱面透镜(第一射束分配组件)
13” 柱面透镜(第二射束分配组件)
13a 第一柱面透镜
13a' 第一柱面透镜(第一射束分配组件)
13a” 第一柱面透镜(第二射束分配组件)
13b 第二柱面透镜
13b' 第二柱面透镜(第一射束分配组件)
13b” 第二柱面透镜(第二射束分配组件)
14a 第一柱面透镜的弯曲的表面
14a' 第一柱面透镜的弯曲的表面(第一射束分配组件)
14a” 第一柱面透镜的弯曲的表面(第二射束分配组件)
14b 第二柱面透镜的弯曲的表面
14b' 第二柱面透镜的弯曲的表面(第一射束分配组件)
14b” 第二柱面透镜的弯曲的表面(第二射束分配组件)
15 光斑间距调节装置
15' 光斑间距调节装置(第一射束分配组件)
15” 光斑间距调节装置(第二射束分配组件)
16 光斑强度调节装置
16' 光斑强度调节装置(第一射束分配组件)
16” 光斑强度调节装置(第二射束分配组件)
17 共同的滑块
17' 共同的滑块(第一射束分配组件)
17” 共同的滑块(第二射束分配组件)
19 射束截面
19a，19b (射束截面的)一部分
19a'，19b' (射束截面的)一部分(第一射束分配组件)
19a”，19b” (射束截面的)一部分(第二射束分配组件)
20 经成形的激光束
20a 未经偏转的子束
20a' 未经偏转的子束(在第一射束分配组件之后)
20a” 未经偏转的子束(在第二射束分配组件之后)
20b 经偏转的子束
20b' 经偏转的子束(在第一射束分配组件之后)
20b” 经偏转的子束(在第二射束分配组件之后)
21 聚焦装置
21a 聚焦透镜
22 工件
22a 表面
23 激光光斑
23a 激光光斑
23a' 激光光斑
23a” 激光光斑
23b 激光光斑
23b' 激光光斑
23b” 激光光斑
24 射束路径
25 激光束
26 芯部光纤
27 环部光纤
28 芯部部分
29 环部部分
30 进给方向
31 焊接轮廓
32a至32d 区域
BR 共同的折射方向
BR' 共同的折射方向(第一射束分配组件)
BR” 共同的折射方向(第二射束分配组件)
KFD 芯部光纤直径
NBR 共同的非折射方向(第一射束分配组件)
NBR' 共同的非折射方向(第二射束分配组件)
OA (焊接光学器件的)光轴
OE1 第一柱面透镜的光学平面
OE1' 第一柱面透镜的光学平面(第一射束分配组件)
OE1” 第一柱面透镜的光学平面(第二射束分配组件)
OE2 第二柱面透镜的光学平面
OE2' 第二柱面透镜的光学平面(第一射束分配组件)
OE2” 第二柱面透镜的光学平面(第二射束分配组件)
RFD 环部光纤直径
Δb 位置偏置量
Δbx 沿x的位置偏置量(第一射束分配组件)
Δby 沿y的位置偏置量(第二射束分配组件)
Δx (柱面透镜沿x移位)的长度
Δy (柱面透镜沿y移位)的长度
Δβ 角度偏置量
Δβx 角度偏置量(第一射束分配组件)
Δβy 角度偏置量(第二射束分配组件)

Claims (15)

1.一种用于激光束(25)的、对工件(22)进行激光焊接的焊接光学器件(1)，所述焊接光学器件包括：
-用于输出激光束(6)的光源(5)；
-准直装置(9)，用于对在所述准直装置(9)处入射的激光束(10a)进行准直；
-聚焦装置(21)，用于朝待焊接的工件(22)的方向对在所述聚焦装置(21a)处入射的激光束(10c)进行聚焦，
-和可调节的射束成形装置(2)，借助所述射束成形装置能够使在所述射束成形装置(2)处入射的激光束(10b)成形为经成形的激光束(20)，其中，根据所述射束成形装置(2)的调节，所述经成形的激光束(20)能够包括一个射束或多个子束(20a；20a'；20a”；20b；20b'；20b”)，并且在所述待焊接的工件(22)上能够对应地产生一个或多个激光光斑(23；23a；23a'；23a”；23b；23b'；23b”)，
尤其是，其中所述射束成形装置(2)在所述激光束(25)的射束路径(24)中布置在所述准直装置(9)与所述聚焦装置(21)之间；
其特征在于，
所述射束成形装置(2)包括至少一个射束分配组件(3；3'，3”)，其中，每个射束分配组件(3；3'，3”)均具有：
-柱面透镜对(12；12'；12”)，其包括两个柱面透镜(13；13a；13a'；13a”；13b；13b'；13b”)，所述两个柱面透镜具有互为相反数的焦距和彼此平行的光学平面(OE1；OE1'；OE1”；OE2；OE2'；OE2”),
其中，所述柱面透镜(13；13a；13a'；13a”；13b；13b'；13b”)针对所述焊接光学器件(1)的光轴(OA)彼此相继地布置，
其中，所述柱面透镜对(12；12'；12”)的所述两个柱面透镜(13；13a；13a'；13a”；13b；13b'；13b”)针对与所述光学平面(OE1；OE1'；OE1”；OE2；OE2'；OE2”)垂直的共同的折射方向(BR；BR'；BR”)朝向至少一个侧面弯曲地延伸并且针对与所述光学平面(OE1；OE1'；OE1”；OE2；OE2'；OE2”)平行地延伸的共同的非折射方向(NBR；NBR'；NBR”)保持平移地延伸，
其中，所述折射方向(BR；BR'；BR”)和所述非折射方向(NBR；NBR'；NBR”)垂直于所述焊接光学器件(1)的所述光轴(OA)地延伸；
-和光斑间距调节装置(15；15'；15”)，借助所述光斑间距调节装置，所述柱面透镜对(12；12'；12”)的所述两个柱面透镜(13；13a；13a'；13a”；13b；13b'；13b”)能够针对所述折射方向(BR；BR'；BR”)相对于彼此移位。
2.根据权利要求1所述的焊接光学器件(1)，其特征在于，射束成形装置(2)包括两个射束分配组件(3'，3”)；
并且所述两个射束分配组件(3'，3”)的所述两个柱面透镜对(12'；12”)的所述折射方向(BR'；BR”)彼此相交地延伸。
3.根据权利要求2所述的焊接光学器件(1)，其特征在于，所述两个射束分配组件(3'，3”)的所述折射方向(BR'；BR”)以90°的角度相交。
4.根据前述权利要求之一所述的焊接光学器件(1)，其特征在于，针对相应的柱面透镜对(12；12'；12”)成立的是：所述两个柱面透镜(13；13a；13a'；13a”；13b；13b'；13b”)被布置成使其能够与所述激光束(25)的、尤其是经准直的激光束(11)的射束截面(19)的一部分(19b；19b'；19b”)重合，而不能够与所述激光束(25)的、尤其是经准直的激光束(11)的射束截面(19)的另一部分(19a；19a'；19a”)重合。
5.根据前述权利要求之一所述的焊接光学器件(1)，其特征在于，在相应的射束分配组件(3；3'，3”)中，所述光斑间距调节装置(15；15'；15”)至少能够占据以下调节位置：
-基本位置，在所述基本位置中，所述柱面透镜对(12；12'；12”)的所述柱面透镜(13；13a；13a'；13a”；13b；13b'；13b”)的所述光学平面(OE1；OE1'；OE1”；OE2；OE2'；OE2”)重叠；以及
-偏移位置，在所述偏移位置中，所述柱面对(12；12'；12”)的所述柱面透镜(13；13a；13a'；13a”；13b；13b'；13b”)的所述光学平面(OE1；OE1'；OE1”；OE2；OE2'；OE2”)针对所述折射方向(BR；BR'；BR”)彼此偏置地布置。
6.根据权利要求5所述的焊接光学器件(1)，其特征在于，所述光斑间距调节装置(15；15'；15”)能够占据多个不同的偏移位置，在所述偏移位置中，所述柱面透镜(13；13a；13a'；13a”；13b；13b'；13b”)的所述光学平面(OE1，OE2)针对于所述折射方向(BR；BR'；BR”)不一样远地彼此偏置地布置，
尤其是，其中能够在调节范围内连续地设定所述光斑间距调节装置(15；15'；15”)的不同的调节位置。
7.根据前述权利要求之一所述的焊接光学器件(1)，其特征在于，每个射束分配组件(3；3'，3”)还具有：
-光斑强度调节装置(16；16'，16”)，借助所述光斑强度调节装置，所述柱面透镜对(12；12'；12”)的所述两个柱面透镜(13；13a；13a'；13a”；13b；13b'；13b”)能够针对所述非折射方向(NBR；NBR'；NBR”)移位，尤其是能够共同移位。
8.根据权利要求7所述的焊接光学器件(1)，其特征在于，在相应的射束分配组件(3；3'，3”)中，所述两个柱面透镜(13；13a；13a'；13a”；13b；13b'；13b”)布置在共同的滑块(17；17'，17”)上，其中，所述共同的滑块(17；17'，17”)能够借助于所述光斑强度调节装置(16；16'，16”)针对所述非折射方向(NBR；NBR'，NBR”)在所述焊接光学器件(1)上移动，其中，所述柱面透镜(13；13a；13a'；13a”；13b；13b'；13b”)之一能够借助于所述光斑间距调节装置(15；15'；15”)针对所述折射方向(BR；BR'；BR”)在所述共同的滑块(17；17'，17”)上移动。
9.根据前述权利要求之一所述的焊接光学器件(1)，其特征在于，所述输出激光束(6)的光源(5)是多股光纤(4a)的光纤端部(7)，所述输出激光束(6)能够作为具有芯部部分(28)和环部部分(29)的、经预先成形的激光束(8)从所述光纤端部出射，
尤其是，其中所述多股光纤(4a)是二合一光纤(4b)，所述输出激光束(6)能够从所述二合一光纤的光纤端部(7)出射。
10.根据前述权利要求之一所述的焊接光学器件(1)，其特征在于，所述准直装置(9)包括至少一个、优选地恰好一个准直透镜(9a)。
11.根据前述权利要求之一所述的焊接光学器件(1)，其特征在于，所述聚焦装置(21)包括至少一个、优选地恰好一个聚焦透镜(21a)。
12.一种根据权利要求1至11之一所述的焊接光学器件(1)的应用，其特征在于，
将输出激光束(6)馈入到所述焊接光学器件(1)中，借助焊接光学器件(1)朝工件(22)的方向对经成形的激光束(20)进行聚焦，并且使所述经成形的激光束(20)在所述工件(22)处扫过焊接轮廓(31)；
并且在扫过所述焊接轮廓(31)期间，在至少一个射束分配组件(3；3'，3”)中，调节光斑间距调节装置(15；15'，15”)的调节位置。
13.根据权利要求12所述的用途，其特征在于，
每个射束分配组件(3；3'，3”)还具有：
-光斑强度调节装置(16；16'，16”)，借助所述光斑强度调节装置，柱面透镜对(12；12'；12”)的两个柱面透镜(13；13a；13a'；13a”；13b；13b'；13b”)能够针对非折射方向(NBR；NBR'；NBR”)移位，尤其是能够共同移位；并且在扫过所述焊接轮廓(31)期间，在至少一个射束分配组件(3；3'，3”)中，调节所述光斑强度调节装置(16；16'，16”)的调节位置。
14.根据权利要求1至11之一所述的焊接光学器件(1)的用途，其特征在于，
借助所述焊接光学器件(1)彼此先后地焊接不同的工件(22)，其中，相应地将输出激光束(6)馈入到所述焊接光学器件(1)中，借助所述焊接光学器件(1)朝工件(22)的方向对经成形的激光束(20)进行聚焦，并且使所述经成形的激光束(20)在所述工件(22)处扫过焊接轮廓(31)；
并且在焊接所述不同的工件(22)期间调节所述光斑间距调节装置(15；15'，15”)的调节位置。
15.根据权利要求14所述的用途，其特征在于，
每个射束分配组件(3；3'，3”)还具有：
-光斑强度调节装置(16；16'，16”)，借助所述光斑强度调节装置，所述柱面透镜对(12；12'，12”)的所述两个柱面透镜(13；13a；13a'；13a”；13b；13b'；13b”)能够针对所述非折射方向(NBR；NBR'；NBR”)移位，尤其是能够共同移位；并且在焊接所述不同的工件(22)期间调节所述光斑强度调节装置(16；16'，16”)的调节位置。
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