LU93326B1 - Element zur Formung des Fokus eines Lasers - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung und deren Verwendung zur Erzeugung einer gewünschten Form des Fokus eines Laserstrahls. Mittels einer solchen Vorrichtung können im Fokusbereich des Laserstrahls Änderungen der Strahlfleck-Geometrie erreicht werden. Die Erfindung stellt ein Fokusformungselement zur Verfügung, wobei das Fokusformungselement refraktiv oder reflektiv ist, umfassend einen segmentierten Bereich mit einer Anordnung von polygonalen Lenslets zur Erzeugung eines polygonalen Hauptspots sowie zumindest einer Planfläche zur Erzeugung zumindest eines Nebenspots. 93326

Description

Beschreibung

GEBIET DER ERFINDUNG

[0001] Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung und deren Verwendung zur Erzeugung einer gewünschten Form des Fokus eines Laserstrahls. Mittels einer solchen Vorrichtung können im Fokusbereich des Laserstrahls Änderungen der Strahlfleck-Geometrie erreicht werden.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

[0002] Bei der Materialbearbeitung werden zumeist fasergefuhrte Laser verwendet. Der aus einem Lichtleitkabel austretende Laserstrahl wird in einem an dessen Ende angebrachten La-serkopf zuerst mittels Laseroptiken mit entsprechender Linsen kollimiert und anschließend fokussiert.

[0003] Die Kollimation dient dazu aus dem divergenten Laserstrahlkegel ein nahezu parallèles Strahlenbündel zu machen. Die Fokussierung dient dazu den kollimierten Strahl zu einem Laserspot zu formen, der dann zur Materialbearbeitung verwendet wird.

[0004] Der Abstand zwischen Kollimation und Fokussierung hat keinen wesentlichen Einfluss auf die so genannte Abbildungsleistung im Sinne der Größe des Laserspots. Im Bereich des kollimierten, parallelen Strahlenbündels lassen sich daher verschiedene Sensoren und Kameras einspiegeln, ohne Einfluss auf das System. Fokusformungselemente werden aus diesem Grund auch in diesem Bereich angeordnet.

[0005] Für die Herstellung von stoffschlüssigen Verbindungen mittels Hartlöten oder Schweißen mit Zusatzdraht unter Zuhilfenahme von Hochleistungslasem, insbesondere von galvanisch oder Tauch-verzinken Blechen, existieren verschieden technische Lösungen im Stand der Technik. Dabei werden opto-mechanische Système mit Laserkopf genutzt, welche die Laserstrahlung auf das Werkstück projizieren, den Kopf entlang der zu erstellenden Naht fuhren und einen Zusatzwerkstoff, beispielsweise fur einen Fügeprozess, zuführen.

[0006] Bei derartigen bekannten Systemen wird in der Regel beim Hartlöten ein runder Bereich auf dem Werkstück mit einem Durchmesser von einigen Millimetem mit einem fokus-sierten Laserspot bestrahlt. Der Zusatzwerkstoff wird dabei über einen Draht schleppend, also entgegengesetzt zur Vorschubrichtung des Laserkopfs dem Werkstück zugefuhrt.

[0007] Eine besondere Ausführungsform von Laserköpfen erzeugt dabei auf dem Werkstück einen Hauptspot fur den eigentlichen Fügeprozess von zwei Teilen und zwei vorlaufende kleine Bereiche, die ebenfalls mit Laserleistung beaufschlagt werden. Die vorlaufenden kleinen Bereiche sorgen für eine Wärmevorbehandlung der Oberflächen der miteinander zu verbindenden Teile, wodurch das Fließverhalten des Zusatzwerkstoffes im anschließenden Fügeprozess positiv beeinflusst wird.

[0008] Für die Erzeugung eines Hauptspots mit den zwei Zusatzspots bestehen verschiedene Möglichkeiten: So werden die speziellen drei Fokusse auf dem Werkstück durch einen Faser-stecker, in dem drei Glaserfasem an einen Quarzblock gespleißt wurden, erzeugt. Daraus ergibt sich eine Spotgeometrie mit einem großen runden Hauptspot sowie zwei weiteren kleinen runden Nebenspots. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass hierfür drei Laserquellen benötigt werden.

[0009] Eine andere Umsetzung zur Erzeugung mehrerer Spots erzeugt eine spezielle Fokus-form indem die drei Fokusse über ein Fokusformungselement gebildet werden. So besteht die Möglichkeit eine Spotgeometrie mit einem Hauptspot und zwei Nebenspots zu erzeugen, wobei alle drei Spots eine im Wesentlichen rechteckige Form haben. Das hierfür benötigte Fokusformungselement basiert auf einer einfach zu berechnenden und einfach darzustellenden Geometrie. Nachteilig an dieser Ausführungsform ist, dass die Energie im Hauptlaserspot über die Breite der Lötnaht nahezu gleichformig eingebracht wird. Dies führt entweder zu einer Überhitzung oder einer zu langsamen Erstarrung der Löt- oder Wärmeleitschweißnaht im Randbereich oder zu einer zu geringen Energieeinbringung in der Mitte der Naht.

[0010] Eine Strahlformung mittels Linsenarray findet sich im Stand der Technik in den Do-kumenten WO 2006066706 A2, US020060209310A1, DE 112005003207 B4.

[0011] Mit keiner der bekannten Vorrichtungen ist es möglich, aus einer einzelnen Laserquel-le mehrere Fokusse zu formen, ohne dass bei einem Hauptspot die Energie gleichmäßig über die Fläche des Hauptspots quer zur Vorschubrichtung eingebracht wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0012] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Fokusformung zu Verfügung zu stellen, bei welcher ein Hauptspot und Nebenspots gebildet werden. Die Leistungsdichte im Hauptspot ist dabei im Wesentlichen homogen und entspricht im Quer-schnitt einer top-hat-Verteilung. Die Spotgeometrie sorgt dafür, dass der Spot quer zur Vorschubrichtung am Rand scharf begrenzt ist und dabei gleichzeitig in der Mitte der Lôtnaht eine hôhere Einwirkdauer des Lasers erreicht wird. Dadurch ist die Energieeinbringung in der Nahtmitte höher als am Rand.

[0013] Die Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Verfügung, umfassend ein Fokusformungs-element, welches reffaktiv oder reflektiv ist, umfassend einen segmentierten Bereich mit einer Anordnung von polygonalen Lenslets zur Erzeugung eines polygonalen Hauptspots sowie zumindest einer Planflâche (10) zur Erzeugung zumindest eines Nebenspots.

[0014] Es ist vorgesehen, dass das Fokusformungselement gleichartige polygonale Lenslets umfasst, wobei die polygonalen Lenslets drei, vier oder sechs Ecken aufweisen können.

[0015] Weiterhin ist vorgesehen, dass die zumindest eine Planflâche zum segmentierten Bereich gewinkelt sein kann und zudem zumindest zwei Planflächen umfassen kann, wobei die Planflâchen zueinander gewinkelt sein können.

[0016] Das Fokusformungselement kann monolithisch sein.

[0017] Es ist zudem vorgesehen, dass die Oberflâche eines Lenslets stetig differenzierbar ist, wobei die Oberflâche des segmentierten Bereichs stetig, aber nicht stetig differenzierbar sein kann.

[0018] Das Fokusformungselement kann in einer Laseroptik in einem kollimierten Laserstrahl angeordnet sein, wobei das Fokusformungselement zudem verschiebbar quer zur Strahlrich-tung (Lângsachse) des kollimierten Laserstrahls angeordnet sein kann.

[0019] Für das Fokusformungselement ist vorgesehen, dass es aus Zinksulfid, Quarzglas, Aluminium oder Kupfer oder einer Kombination aus Aluminium und Kupfer bestehen kann.

[0020] Das Fokusformungselement kann einen Durchmesser von bis zu 45 mm aufweisen, eine Tiefe der optisch wirksamen Teile von bis zu 6 mmm und bei refraktiven Elementen von bis zu 8 mm.

[0021] Weiterhin kann der Winkel der Planflâchen des Fokusformungselements zum segmentierten Bereich bis zu 2° betragen, wobei der Winkel von zumindest zwei Planflâchen zueinander bis zu 1,5° betragen kann.

[0022] Es ist weiterhin vorgesehen, dass bis zu 60% der Gesamtflâche des Fokusformungselements polygonale Lenslets 5 aufweisen.

[0023] Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Laseroptik, umfassend ein Fokusformungselement, wobei das Fokusformungselement refraktiv oder reflektiv ist, umfassend einen segmentierten Bereich mit einer Anordnung von polygonalen Lenslets zur Erzeugung eines polygpolygonalen Hauptspots sowie zumindest einer Planflâche zur Erzeugung zumindest eines Nebenspots.

[0024] Für die Laseroptik ist weiterhin vorgesehen, dass die polygonalen Lenslets gleichartig sein können, wobei die polygonalen Lenslets drei, vier oder sechs Ecken aufweisen können.

[0025] Die Laseroptik kann weiterhin eine Kollimationseinheit umfassen, wobei Fokusformungselement und Kollimationseinheit zueinander verschiebbar, quer zur Längsachse, angeordnet sein können.

[0026] Die Laseroptik kann eine Brennweite von 123 mm bis 200 mm aufweisen.

[0027] Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines Fokus-formungselements oder einer Laseroptik wie zuvor ausgefuhrt zur Erzeugung eines Hauptspots mit einem Durchmesser von bis zu 4 mm und zumindest eines Nebenspots mit einem Durchmesser von bis zu 2,5 mm.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

[0028] Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher dargestellt, ohne auf die ge-zeigten Ausfuhrungsformen beschränkt zu sein. Es zeigt: [0029] Figur 1: Aufsicht auf Fokusformungselement [0030] Figur 2: Schnitt durch Fokusformungselement, Schnittebene A-A’ [0031] Figur 3: Spotbild erzeugt durch erfindungsgemäßes Fokusformungsele ment mit zwei Planflächen

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG UND DER FIGUREN

[0032] Die vorliegende Erfindung stellt ein Fokusformungselement zur Verfügung, welches ermöglicht einen sechseckigen Hauptspot zu erzeugen, bei welchem mittig quer zur Vorschubrichtung des Spots die Hauptenergie eingebracht wird. Zudem wird durch das erfin-dungsgemäße Fokusformungselement zumindest ein Nebenspot erzeugt. Zum Fügen von zwei Werkstücken ist vorgesehen, dass zwei runde Nebenspots erzeugt werden.

[0033] Der sechseckige Hauptspot mit den beiden in Vorschubrichtung vorlaufenden Nebenspots wird über ein segmentiertes Fokusformungselement erzeugt. Wesentlich im Sinne der Erfindung ist die Verwendung eines monolithischen Elements, welches die Herstellung aus einem Stück und damit eine einfache und kostengünstige Herstellung ermöglicht. Ein Fü-gen von mehreren Elementen ist somit nicht erforderlich.

[0034] Figur 1 zeigt eine Aufsicht auf eine schematische Darstellung eines Fokusformungs-elements 1 gemäß der Erfindung. Im oberen Bereich des Fokusformungselements 1 ist ein Bereich oder Segment zu erkennen, der aus sechseckigen Lensiets 5 gebildet wird. Jedes Lensiet hat eine stetig differenzierbare Oberfläche, d.h. die Oberfläche eines Lensiets 5 weist keine Kanten, Knicke, Höhensprünge oder einen Versatz auf.

[0035] Die sechseckigen Lensiets 5 bilden eine geschlossene Oberfläche im oberen Teil des Fokussierungselements 1 gemäß der Erfindung. Zwischen den sechseckigen Lensiets 5 bilden sich Kanten mit dem in Figur 1 dargestellten sechseckigen oder Wabenmuster.

[0036] lm unteren Teil des Fokusformungselements 1 in Figur 1 sind zwei Planflächen 10 zu sehen. Die Zahl der Planflächen 10 ist variabel.

[0037] In Figur 2 ist stark schematisch vereinfacht ein Schnitt durch die in Figur 1 angegebe-ne Ebene A-A’ zu sehen, die durch eine Planfläche 10 und den segmentierten Bereich mit den sechseckigen Lensiets 5 geht. Die starke konkave Form der Lensiets 5 ist nur beispielhaft gezeigt. Für den zuständigen Fachmann ist ersichtlich, dass Winkel und Krümmung der Lens-lets5 stark übertrieben sind. In einem maßstabsgetreuer Schnitt würde das Element komplett flach ausehen und bestenfalls eine leichte Rauhigkeit im Bereich der Lensiets 5 aufweisen. Der Fachmann erkennt zudem, dass der Schnitt ,wie in Figur 1 dargestellt, die Lensiets 5 un-regelmäßig schneidet. Dargestellt sind diese in Figur 2 aber gleichmäßig.

[0038] Die stetig differenzierbare Form der Oberfläche der einzelnen sechseckigen Lensiets 5 ist in Figur 2 gut zu erkennen. Die geschnittene Planfläche 10 ist in Bezug auf den segmentierten Bereich des Fokusformungselements 1 gewinkelt. Nicht zu erkennen ist, dass die beiden in Figur 1 dargestellten Planflächen 10 zueinander gewinkelt sind. Durch den Winkel der Planflächen zueinander sowie zum segmentierten Bereich lässt sich der Abstand von Hauptspot und Nebenspots zueinander einstellen.

[0039] Figur 3 zeigt Hauptspot 15, erzeugt durch den mit sechseckigen Lenslets 5 segmentierten Bereich des Fokusformungselements 1. Zudem sind die durch die beiden Planflâchen 10 erzeugten Nebenspots 110 zu erkennen.

[0040] Das Sechseck des Hauptspots befindet sich mittig auf der optischen Achse und entspricht damit der Position des Laserfokus ohne Fokusformungselement. Der ungeformte La-serfokus ist größer als der Hauptspot des Fokusformungselements. Der Anted der Laserleis-tung in den einzelnen Laserspots entspricht dem Anted der Laserleistung im Rohstrahl.

[0041] Neben Sechsecken sind auf andere Formen zur Füllung des segmentierten Bereichs des Fokusformungselements denkbar. Es kommen alle Polygone, wie beispielsweise Dreiecke oder Vierecke ebenfalls in Betracht. Es hat sich gezeigt, dass Sechsecke besonders vorteilhaft sind, da dann die Energieverteilung in einem derart geformten Spot mittig quer zur Vorschub-richtung annähemd am größten ist. Grundsätzlich ist die Energieeinbringung am Rand scharf begrenzt und die in der Mitte eines Sechsecks deponierte Energie doppelt so hoch, was vor-liegend als Vorteil angesehen werden kann.

[0042] Die Planflâchen erzeugen die Nebenspots. Es ist grundsötzlich denkbar die Zahl der Nebenspots an die Erfordemisse des jeweiligen Prozesses anzupassen, in dem die Erfindung Verwendung finden soil. Zwei Nebenspots sind beispielsweise besonders vorteilhaft beim Fügen von Dachnähten einer Autokarosserie, wenn beide Werkstücke aus verzinktem Stahl sind.

[0043] Die durch die Planflâchen erzeugten Nebenspots haben Größe und Form des Laserspots ohne Fokusformungselement. Durch die Neigung der Planflâchen entstehen die Nebenspots jedoch leicht versetzt von der optischen Achse.

[0044] Das Fokusformungselement kann im kollimierten Laserstrahl quer zur Strahlrichtung verschoben werden oder die Kollimationseinheit des Laserkopfs und damit das parallèle Strahlenbündel auf dem optischen Strahlenbündel verschieben. Durch Verschieben des Fokusformungselements im kollimierten Laserstrahl lässt sich die Aufteilung der Leistung in den einzelnen Spots einstellen. Dieser erfindungsgemäße Vorteil ist nur durch die Ausfuhrung als segmentiertes Fokusformungselement möglich.

BEZUGSZEICHENLISTE 1 Fokusformungselement 5 polygonale Lensiet 10 Planflâche 15 Hauptspot 110 Nebenspot

Claims (24)

1. Ein Fokusformungselement (1), wobei das Fokusformungselement (1) refraktiv oder reflektiv ist, umfassend einen segmentierten Bereich mit einer Anordnung von polygonalen Lenslets (5) zur Erzeugung eines polygonalen Hauptspots (15) sowie zumindest einer Planflâche (10) zur Erzeugung zumindest eines Nebenspots (110).

2. Das Fokusformungselement (1) nach Anspruch 1, wobei es sich um gleichartige polygonale Lenslets (5 )handelt.

3. Das Fokusformungselement (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die polygonalen Lenslets 5 drei, vier oder sechs Ecken aufweisen.

4. Das Fokusformungselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zumindest eine Planflâche (10) zum segmentierten Bereich gewinkelt ist.

5. Das Fokusformungselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend zumindest zwei Planflâchen (10).

6. Das Fokusformungselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Planflâchen (10) zueinander gewinkelt sind.

7. Das Fokusformungselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Fokusformungselement (1) monolithisch ist.

8. Das Fokusformungselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Oberflä-che eines Lenslets (5) stetig differenzierbar ist.

9. Das Fokusformungselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Oberflä-che des segmentierten Bereichs stetig, aber nicht stetig differenzierbar ist.

10. Das Fokusformungselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Fokusformungselement (1) in einer Laseroptik in einem kollimierten Laserstrahl angeordnet ist.

11. Das Fokusformungselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Fokusformungselement (1) quer zur Strahlrichtung des kollimierten Laserstrahls verschiebbar angeordnet ist.

12. Das Fokusformungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bestehend aus Zinksulfid, Quarzglas, Aluminium oder Kupfer oder einer Kombination aus Aluminium und Kupfer.

13. Das Fokusformungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Durchmesser des Fokusformungselements bis zu 45 mm beträgt.

14. Das Fokusformungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit einer Tiefe der optisch wirksamen Teile von bis zu 6 mmm, bei reffaktiven Elementen von bis zu 8 mm.

15. Das Fokusformungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Winkel der Planflächen zum segmentierten Bereich bis zu 2° beträgt.

16. Das Fokusformungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der Winkel von zumindest zwei Planflächen zueinander bis zu 1,5° beträgt.

17. Das Fokusformungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei bis zu 60% der Gesamtfläche des Fokusformungselements polygonale Lensiets 5 aufweisen.

18. Eine Laseroptik, umfassend ein Fokusformungselement (1) wobei das Fokusformungselement (1) refraktiv oder reflektiv ist, umfassend einen segmentierten Bereich mit einer Anordnung von polygonalen Lensiets (5) zur Erzeugung eines polygpolygo-nalen Hauptspots (15) sowie zumindest einer Planfläche (10) zur Erzeugung zumindest eines Nebenspots (110).

19. Eine Laseroptik nach Anspruch 18, wobei die polygonalen Lensiets (5) gleichartig sind.

20. Eine Laseroptik nach einem der Ansprüche 18 oder 19, wobei die polygonalen Lensiets (5) drei, vier oder sechs Ecken aufweisen.

21. Eine Laseroptik nach einem der Ansprüchl 18 bis 20, weiterhin umfassend eine Kollimationseinheit.

22. Eine Laseroptik nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei Fokusformungselement (1) und Kollimationseinheit zueinander verschiebbar angeordnet sind.

23. Eine Laseroptik nach einem der Ansprüche 18 bis 22, weiterhin eine Brennweite von 123 mm bis 200 mm aufweisen.

24. Die Verwendung eines Fokusformungselements nach einem der Ansprüche 1 bis 17 oder einer Laseroptik nach einem der Ansprüche 18 bis 23 zur Erzeugung eines Hauptspots mit einem Durchmesser von bis zu 4 mm und zumindest eines Nebenspots mit einem Durchmesser von bis zu 2,5 mm.