用于调节射束剖面的装置,激光加工机及用于制造该装置的方法

摘要

本发明涉及一种用于调节激光射束的射束剖面的装置(20)，激光射束在光缆(2)的设有保护包套(7a、7b)的光导体(1)中被导向，该装置包括：用于在光缆(2)的未被保护包套包围的区段(9)中变形光导体(1)的变形装置(6)，被构造用于至少在未被保护包套包围的区段(9)中包围光导体(1)的外壳(14)，以及两个设置在外壳(14)的相反端部上的、用于分别固定保护包套的一个区段(7a、7b)的端部的接收件(4a、4b)，其中，接收件(4a、4b)分别具有一个用于将光导体(1)导入变形装置(6)的孔(5a、5b)。本发明还涉及一种带有这样的装置(20)的激光加工机以及一种所属的制造方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于调节射束剖面(Strahlprofil)的装置，一种具有这样的装 置的激光加工机以及一种用于制造这样的装置的方法。

背景技术

当光从一个射束源耦入光导体中的一个端部上时，在光导体的另一个端部上 的射束剖面不仅由射束源、而且还由光导体的均匀化特性决定。对于激光加工机 来说所希望的、在光导体的射出侧端部上的近场功率分布例如(在径向上)可形 成尖顶山形(在射束中心处具有明显的强度最大值的圆锥顶)或者平顶山形(圆 柱形，即具有基本上恒定强度的平台，即“顶帽(top-hat)”形)。通过调节射束剖面 使射束中心具有明显的强度最大值，激光焊接过程中的焊入深度可被增大。通过 调节成顶帽形的剖面则可相反地达到宽的焊缝并且因此达到两个待焊接工件之间 的较大的连接宽度。

US 2010/0150201 A1描述了，一个纤维束的激光射束耦入光缆的一个单独纤 维中。为了使该纤维相对于射入其中的射束更好地定向，使用一种模式混合器， 该模式混合器具有用于改变光缆曲率的装置。激光射束的能量密度的均匀化应当 这样来实现，其方式是，将光缆卷绕成环线。

由KR 10-2010-0068694(Kim Jom Sool)公知了一种装置，其中光缆的一个区 段被弯曲，以便实现导入光缆中的激光射束的均匀的亮度分布。为此，光缆被固 定在一个固定板上的两个位置上及一个布置在其之间的运动装置移动该光缆的延 伸在这两个位置之间的区段，以便调节其曲率。

为了保护光导体免受外部影响的损害，光导体一般被保护软管包围并且构成 光缆。保护软管用于承受光缆的拉应力、弯曲应力和横向压应力。特别是当光导 体被用于传送高功率的激光射束时，保护软管也应当确保：不会在光导体上作用 导致光导体拉紧或者变形的力。这样的保护软管例如已由DE 20 2004 004 817 U1 公知。其中描述的保护软管具有高的刚性，从而它只能被弯曲到150mm的最小弯 曲半径，其中对于在那里所使用的光导体直径没有有损害的力作用在光导体上。

发明内容

本发明的任务在于，给出一种用于调节射束剖面的装置，该装置一方面可实 现灵活的射束形成，另一方面充分保护光导体以避免由于外部影响而造成的损害。

该任务根据本发明通过一种用于调节激光射束的射束剖面的装置来解决，所 述激光射束被导入光缆(也可以称为激光光缆，LLK)的设有保护包套的光导体 中，其中，该装置包括：用于在光缆的未被保护包套包围的区段中变形光导体的 变形装置，被构造用于至少在未被保护包套包围的区段中包围光导体的外壳，以 及两个设置在外壳的相反端部上的、用于分别固定保护包套的一个区段的端部的 接收件，其中，所述接收件分别具有一个用于将光导体导入变形装置的孔。

射束剖面的调节在根据本发明的装置中通过力作用于、例如通过弯曲光导体 的未被保护包套包围的区段来实现，由此，可实现比在光导体被保护软管包围的 区段中更小的弯曲半径。同时，通过未被保护包套包围的区段被设置在外壳内确 保了，光导体在这一区域内也被保护以免受外部的影响。设置在变形装置外部的 保护包套防止了，在外壳外部干扰高功率激光射束传输的力可作用在光导体上。 利用根据本发明的装置，光缆的保护包套可被固定在接收件中，而光导体的未被 保护包套包围的区段被导入变形装置并在那里变形。

优选地，变形装置具有一个用于光导体穿过的通道，该通道可相对接收件横 向地运动。用于固定保护包套的接收件在被导入的光导体的纵向上相互间隔开及 变形装置被设置在这两个接收件之间，所述接收件可由多个构件构成，这些构件 在其相对位置上彼此固定。所述接收件优选地沿着一个共同的轴线定向。通道的 运动在这种情况下典型地在一个垂直于该共同的轴线的平面中进行。通过通道相 对于接收件的运动，可实现被导向穿过变形装置的通道的光导体的弯曲，因为接 收件通过外壳刚性地相互连接。变形装置可以被这样构成，即，引起通道相对于 接收件的线性移动并且以这种方式弯曲光导体。作为光导体弯曲的替代，变形装 置还可以被这样构成，即，通过光导体的扭转或者通过在光导体的外表面上施加 压力来改变射束剖面。

一种特别优选的实施方式在于，变形装置可相对于接收件绕着一个旋转轴线 转动，该旋转轴线相对由接收件中的孔构成的导入轴线偏移，也就是说与其间隔 开。尤其是可构造为导入通道的孔确定了导入轴线。旋转轴线和导入轴线典型地 相互平行地延伸。光导体变形或者弯曲的程度在这种情况下可通过变形装置的转 动角度来调节，其中该调节典型地无级地实现并且正好在一个转动角度(起始位 置)时光导体无弯曲地导向穿过变形装置。好的功率均匀化(顶帽形剖面)例如 可通过光导体的U形或者S形弯曲实现。U形弯曲可被理解为这样的弯曲，即其 中光导体例如从左边进入，向下弯曲，又U形地往回延伸并随后继续向右延伸。

在一种扩展构型中，变形装置被构造为空心圆柱体，该空心圆柱体具有作为 通道的偏心孔。通道或者孔相对空心圆柱体的构成旋转轴线的中轴线偏心地延伸， 从而借助空心圆柱体可实现偏心轮的简单形式。该空心圆柱体尤其可具有两个向 着通道逐渐变细的孔区段，以便使光导体穿过通道变得容易。

为了能够实现简单和方便的操作，有利的是，变形装置具有一个操作元件， 该操作元件延伸穿过外壳中的一个孔并且可从外壳的外部来操作。该操作元件优 选与变形装置刚性连接，从而操作元件的运动被直接转化为变形装置的运动。作 为操作元件例如可考虑销，所述销被导向穿过在外壳内的例如在一定角度范围上 延伸的缝隙形式的孔并且可沿着该孔相对于外壳扭转，其中扭转运动例如可在最 大180°的角度范围上实现。为了使孔或者缝隙相对于周围环境密封并且为了实现 对操作元件的附加导向，例如可在外壳的外侧面上设置一个套环形的覆盖件并使 它与操作元件刚性连接。可以理解，在外壳的外侧面和/或在覆盖件上也可设置有 刻度、例如角度刻度，以便显示光导体变形或者弯曲的程度。

在一种优选的实施方式中，变形装置被这样构造，用于将光导体在光缆的未 被包套的区段中弯曲到直至40mm的最小弯曲半径，优选为25mm，特别优选为 10mm的弯曲半径，以便以这种方式实现射束剖面的显著变化。在这里给出的曲率 半径可典型地不通过光缆的弯曲来实现，在该光缆中光导体被保护包套包围，因 为该保护包套恰恰应防止光导体过大的弯曲。对于理想的射束剖面调节所需的(最 小)弯曲半径还与光导体(例如石英纤维)的直径有关。在这里给出的典型的直 径值大于约600μm。对于较小的直径(例如大于约100μm)通常相应地使用较小 的(最小)弯曲半径。

该装置的一种优选的实施方式包括一个光缆，其光导体被导向穿过接收件和 布置在它们之间的变形装置，其中，保护包套包括两个分别包围变形装置以外的 光导体的一个区段的区段，其中每个区段的朝向变形装置的端部被固定在接收件 的各一个中。保护包套的区段(部分软管)保护在变形装置以外的区域内的光导 体免受损害并且固定在接收件中，例如插入在那里，从而防止保护包套从光导体 上滑落。然而，所希望的射束剖面调节可在变形装置内部、与保护包套的特性无 关地进行。必要时可以在接收件的区域内安装一个例如O形环形式的密封件，该 密封件环绕着固定在接收件中的保护包套的外侧面。可以理解的是，保护包套的 各个区段也可以具有多个彼此套在一起的部分软管，例如一个在径向上位于内部 的部分软管，它被一个在径向上位于外部的部分软管包围。

用于将激光射束从激光源传输到激光加工机中的激光加工头上的光缆通常具 有保护包套，该保护包套防止光导体以小于200mm或者小于150mm的弯曲半径 弯曲。所希望质量的射束剖面调节以这样的弯曲半径通常是不可能实现的，从而 光导体以上述方式相对于保护包套的弯曲是必需的。

本发明还涉及一种具有上述装置的激光加工机，其中光缆以典型的方式被应 用于将激光射束从激光源传输到激光加工头。

本发明的另一个方案涉及一种用于制造上述装置的方法，包含以下步骤：使 光缆的光导体穿过变形装置的通道，在外壳的相反端部上为光导体分别配备保护 包套的一个区段，以及将每个区段的一个端部分别固定在接收件的一个中。以这 种方式可提供一种装置，其中，光导体至少在变形装置的区域内不被保护包套包 围。

附图说明

本发明的其它优点从说明和附图中得出。同样上述的及还要继续描述的特征 可以单独地或多个任意组合地使用。所示出的和所说明的实施方式不能被理解为 总结性的逐一列举，而是具有对于本发明的描述示例性的特征。

示出了：

图1具有在第一角度位置中的变形装置的、用于调节射束剖面的装置的截面 图，在该位置中光导体未弯曲地穿过该变形装置的通道；

图2具有在第二角度位置中的变形装置的、用于调节射束剖面的装置的截面 图，在该位置中光导体在通道的区域内具有曲率；

图3图1和图2中的装置的外观图；及

图4具有按照图1至图3的用于调节射束剖面的装置的激光加工机。

具体实施方式

图1和2在一个变形装置6的两个不同的角度位置中示出了一个用于调节(未 示出的)激光射束的射束剖面的装置20，该激光射束被导入光缆2的光导体1中， 该变形装置在本例中被构造用于弯曲光导体1并且具有一个用于光导体1的通道 10。

一个外壳14包围着变形装置6的区域以及两个接收件4a、4b，光导体1可穿 过接收件被导入变形装置6中，其方式是，光导体1在图1中示出的变形装置6 的角度位置上被导入第一接收件4a中。光导体1在这里经过第一接收件4a的第一 孔5a被导入变形装置6的通道10中。光导体1穿过第二接收件4b上的第二孔5b 及在第二接收件4b上被引出外壳14。接收件4a、4b的孔5a、5b和通道10在这 里在图1中所示的变形装置6的角度位置上沿着一条共同的导入轴线11布置，从 而光导体1可毫无问题地穿过孔5a、5b和变形装置6的通道10。变形装置6在本 例中被实施成具有双漏斗形状的偏心孔的圆柱体，该双漏斗的最小直径构成了通 道10。

在本例中，光缆2包括保护包套7a、7b，所述保护包套环形地包围光导体1 并且保护其免受外部影响，尤其免于损害和过度的弯曲。保护包套包括两个区段 7a、7b，它们在光导体1导入变形装置6中以后在光导体1的端部上移动。区段 7a、7b的朝向外壳14的端部被固定在接收件4a、4b中，在本例中被卡紧。为了 对周围环境密封，在各个接收件4a、4b上设有O形环形式的密封件3a、3b。由于 这些区段或者部分软管7a、7b在接收件4a、4b上终止或者至少区段地终止在这些 接收件内，在接收件4a、4b之间的光缆2具有一个无包套的区段9，变形装置6 被设置在该区段中。通过外壳14不仅使光导体1的未包套的区段9而且使从未包 套的区段9到保护包套的区段7a、7b的过渡区都被保护以免受外部影响。

借助于在所示的例子中与变形装置6刚性连接的操作元件12，变形装置6可 绕着旋转轴线13扭转，该旋转轴线构成了圆柱形的变形装置6和外壳14的对称 轴线。变形装置6的扭转还可以其它方式实现，例如借助于螺旋件或者马达。借 助于操作元件12，变形装置6可转动到第二角度位置中，该位置被示出在图2中 并且在该位置时，该变形装置6被扭转到一个相对图1中示出的角度位置转动180° 的角度位置中。由于通道10相对于旋转轴线13偏心地布置，通道10在变形装置 6扭转时沿着垂直于旋转轴线13的圆形轨道运动。在此，通道10虽然平行于导入 轴线11地延伸，但是与其间隔开。其结果是：光导体1的位于变形装置6内部的 区段9被弯曲，如图2中所示。因此，光导体1可通过操作元件12的操作从伸展 位置进入到弯曲或者挠曲位置中，其中，光导体1的曲率随着在导入轴线11与通 道10之间增大的距离而增大。在图2所示的角度位置中时，该距离为最大。外壳 14的尺寸及尤其在导入轴线11与旋转轴线13之间的距离以及通道10的长度在这 里被这样地选择，即在该角度位置中可达到40mm的(最小)弯曲半径，有利地 为25mm，尤其是10mm。

通过光导体1的弯曲，在光导体1的相对于弯曲位于内部的部分上、也就是 光导体1的U形弯曲区段9的在图2中向上指向的部分上形成了压应力，而在该 U形区段的相对于弯曲位于外部的相对的部分上形成拉应力。应力差例如可引起 光导体1内部的折射系数的变化，使得弯曲程度的改变(曲率半径的改变)引起 射束剖面的变化。以此方式，在光导体1中传导的激光射束的射束剖面可以适配 于所希望的应用。弯曲愈强(也就是弯曲半径越小)，射束剖面就可愈接近于顶 帽形剖面。

利用在图1和图2中示出的变形装置6，可使光导体1达到一个形状，该形状 的曲率两次改变符号。然而也存在这样的可能性，即通过相应构造的变形装置引 起多于两次的曲率变化，以便优化射束剖面。对光导体1的弯曲替换地或附加地， 变形装置6也可被这样构成，即扭转光导体1或者在(不弯曲的)光导体1上施 加压力。由此，光导体1在变形区域中的折射系数改变，这可被用于调节射束剖 面。

可以理解，这里描述的装置20也可由这样的光缆使用：所述光缆仅具有唯一 一个保护包套或者具有多于两个彼此套在一起的保护包套。于是，接收件必须具 有相应数量的用于各个保护包套的固定装置。保护包套例如可如DE 20 2004 004 817 U1中说明的那样来实施。它仅用于形成机械的稳定性，然而没有引导射束的 作用。借助保护包套7a、7b可实现的光导体1的最小弯曲半径为大约150mm及 因此明显大于在光导体1的未被保护包套7a、7b包围的区段9上所能产生的弯曲 半径。

图3表示出图1和图2中的射束形成装置20的外观图。操作元件12被以销 的形式构造，所述销与套环15连接，该套环被设置在外壳14的外侧面上，从而 通过在销12和/或套环15上作用力可以实现变形装置6的转动。套环15还被用作 外壳14中的缝隙状孔的盖板(参见图1和图2)，销12通过该孔被导向并且在本 例中在180°的角度范围上延伸。为了可重复性地调节射束剖面，套环15或者外壳 14可设有(角度)刻度并且作为调节轮来起作用。

图4示出一个带有相应于图1至图3的用于射束剖面调节的装置20的激光加 工机17的区段图，其中，激光射束从一个(未示出的)激光射束源借助光缆2被 导入用于自由传播激光射束18的射束导向装置19，该射束导向装置将在装置20 中被设有所希望的射束剖面的激光射束18导入激光加工头21。借助于该装置20， 激光射束18的强度分布形状可根据所要进行的激光加工类型来调节。

总的来说，上述装置20借助光缆2以可基本上与射束源无关地调节的射束剖 面实现了对激光射束的可靠传输。