用于激光光斑调整的方法及用于执行该方法的激光装置

摘要

本发明涉及一种用于对用于工件(7)的激光处理的高强度激光光斑(12)进行调整的方法以及用于执行所提出的方法的激光装置(1)。激光装置(1)包括发射激光束(6)的激光器和用于会聚激光束(6)的至少一个聚焦透镜(4)以及用于调整激光束(6)的光束直径的光学操作元件(5)。本发明提出使用将由所述激光器发射的激光束(6)分成局部激光束的衍射光学元件(6)作为操作元件(6)，其中由衍射光学元件(5)产生的局部激光束被集中以形成作用于工件(7)的合成激光束(8)。借助衍射光学元件(5)的适当设计，有可能根据需要调整、特别是放大激光光斑(12)的直径。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于借助激光装置对用于工件的激光处理、优选 地为用于待接合工件的激光塑性焊接的高强度激光光斑进行调整的 方法以及用于执行该方法的激光装置。所述激光装置包括发射激光束 的激光器和用于会聚激光束的至少一个聚焦透镜以及用于调整激光 束的光束直径的光学操作元件，其中所述光学操作元件被构造为将原 始激光束分成指向工件的一束(bundle)局部激光束的衍射光学元件。

背景技术

当借助激光器处理工件时，通常借助光学聚焦系统将由激光器发 射的并且典型地对准至较小的光束横截面的未聚焦的激光辐射聚焦， 并且将已聚焦的激光束引导到待处理的工件的材料表面上。已聚焦的 激光束的射束轴可能相对于工件的材料不可移动，或者可以沿处理路 径被移动。同时，由于聚焦而得到的并且确定焦平面的已聚焦的激光 辐射的减小的直径被保持在工件的交互表面的至少部分地吸收激光 辐射的区域中。用于材料处理的激光辐射可由用一个或多个辐射源产 生的一个或多个光束组成。其中已聚焦的激光辐射进入待处理工件的 材料的借助激光器的材料处理方法包括例如钻孔、研磨、切割或焊接。

当借助激光辐射处理及接合工件时，聚焦在工件上的激光束的尺 寸和形式起着重要作用。所产生的激光高强度光斑内的正确调整的功 率密度分布具有特殊的重要性。激光源通常具有需要借助适当措施被 变换为期望尺寸和所需形式的圆形高斯型光束轮廓(beam profile)。在 这个背景下，从一些专利公开中已知衍射光学元件(DOE)被用于对专 门用于激光塑性焊接和激光焊接的光束进行成形。关于现有技术，我 们参考下述公开文献：US 2003/098 295 A1、US 7,009,138 B2、EP 1 449 610 A1、EP 1 524 096 A3、EP 0 184 290 A1以及WO 2009/045 320。 来自现有技术的引用全部针对借助DOE将由激光器发射的激光束分 割为局部光束以便使其独立于彼此地达到不同的处理点，并且在关联 的处理点上同时或准同时地作用于工件。常见的衍射光学元件的功能 和布置对于本领域技术人员而言是公知的，因而在这个背景下不需要 解释。

例如在激光塑性焊接的情况下，可借助光纤耦合二极管激光器作 为激光源为工件的激光处理在工件上产生的高强度激光光斑的直径 由纤芯直径和成像系统给定并且在使用普通的光学操作元件的情况 下仅可在有限程度内被影响。然而，在许多情况下，需要产生明显宽 于激光光斑直径的焊缝。如果要用连续轮廓方法来实现这样更宽的焊 缝，则需要或者用横向位移的激光束沿焊接轮廓遍历两次或更多次， 或者以使焦平面不与例如为工件表面的交互表面重合的方式重新调 整成像系统。当将扫描器用于激光束到工件的准同时传输时，同样借 助纤芯直径、准直透镜以及聚焦透镜-典型地为具有一定操作域的平面 物镜对激光光斑的尺寸的调整仅可能达到上述程度。如果期望更宽的 焊接线，则也必须在不同时刻若干次遍历焊接轮廓的轨迹。

通常，如果工件的交互表面与激光装置的焦平面重合，则到工件 的能量传递是最佳的。这里，激光光斑具有由激光装置确定的最高能 量密度的直径。如果焊缝的宽度或焊接轮廓宽于由光学系统确定的激 光光斑的直径，则这将始终需要额外的处理时间，这对生产成本具有 负面影响，因而是所不期望的。

发明内容

鉴于以上提及的现有技术，本发明致力于解决提出用于将与焦平 面关联的最佳激光光斑直径放大至对应于待制作的焊缝的宽度的某 一期望宽度的方法的问题。

根据本发明，通过具有专利权利要求1的特征的方法和具有相关 的专利权利要求10的特征的激光装置来解决这个问题。在相关的专 利权利要求中给出了本发明的其他有利的实施例。

本发明的核心思想是借助衍射光学元件(DOE)将典型地由准直透 镜校准的原始激光束分割为局部激光束，并且重新合成所述局部激光 束，得到形成指向工件并且作用于其的改进的激光束的一束光束。具 体地，可以借助DOE来确定所述局部激光束的数量、它们的横向间 隔、它们的直径以及所述一束光束的总直径。

在根据本发明的用于调整用于工件的处理、例如用于待接合工件 的激光塑性焊接的高强度激光光斑的方法中，使用的激光装置包括发 射激光束的激光器和用于会聚激光束的至少一个聚焦透镜以及用于 调整所述一束光束的直径的光学操作元件。根据本发明，借助衍射光 学元件作为光学操作元件，优选地在焦平面上、与其扩展方向垂直地、 通过集中由衍射光学元件产生的局部激光束将所述一束光束的直径 以及由此直径确定的、工件上的激光光斑的直径放大至期望尺度。出 于这个目的，从原始激光束产生的局部激光束被合成为具有重叠和/ 或任意期望形式的间隙以形成指向工件的总激光束，其中该总激光束 作用于单个处理点。由衍射光学元件确定激光束的总直径。激光光斑 的直径在焦平面上的放大也明显导致不同程度远离焦平面、即在焦平 面上方和下方的激光光斑直径的放大。如果在借助高强度激光光斑对 工件的激光处理期间焦平面与交互表面共享共同的平面，则是最佳 的。显然，关于工件，激光装置的成像系统也可以被布置在使激光装 置的焦平面与例如为工件的接触表面的交互表面不重合的距离上。

在本发明的一个实施例中，由衍射光学元件产生的局部激光束在 它们的边缘处重叠，得到由于横向重叠而被形成的连续光束轮廓。形 成合成激光束的一束光束在工件上产生相对于工件被移动的、用于处 理工件的无间隙的激光光斑。

在本发明的另一实施例中，由衍射光学元件产生的局部激光束在 它们的边缘处不重叠，导致离散间隔的光点的一维或二维光束轮廓被 形成。在工件上，合成光束产生也相对于工件被移动的光点图案。

为了借助电磁能量来处理工件，在上文所描述的局部激光束相对 于彼此的布置中，由局部激光束形成经由激光光斑作用于单个处理点 的总激光束。所述激光光斑可包括局部激光束的重叠或局部激光束之 间任意形状的间隙。在任何一种情况下，可以在工件中按照这种方式 产生的温度分布线都不是均匀的。然而，出于导热性的物理原因，温 度的均衡在温度分布线的不同温度位置之间发生在工件上。具体地， 由于在工件的材料中的交互，光束轮廓的光点图案被集合在一起以形 成连续的有效轮廓(active profile)。

除了产生针对某一束光束直径的局部激光束之外，衍射光学元件 还能够根据DOE的设计在局部激光束之间均匀地或不同地分割原始 激光束的能量。根据用于工件的不同处理目的或用于不同材料的工件 的方法的预计用途，杯状光束轮廓或某些其他特殊形式中的一种与高 原-棚盖(plateau-shed)光束轮廓相比可能更有利于处理，并且可用专门 设计的DOE来实现。

在根据本发明的方法的优选实施例中，就强度和/或功率而言对由 衍射光学元件针对合成光束轮廓而产生的局部激光束加权，使得不同 的光束轮廓可针对激光光斑被形成。通过DOE的特定设计来实现局 部光束的功率的加权。不同的加权需要全新的DOE设计被开发。

优选地，以使强度或功率在边缘处比在中心处更强的方式执行将 在工件上产生合成激光光斑的针对杯状光束轮廓对局部光束的加权。 相对于激光光斑的中心，通过以下函数确定合成激光束的光束轮廓在 由坐标(X，Y)确定的轮廓点上的强度

$I(x,y)=\frac{P}{2\mathrm{\pi b}}\frac{1}{\sqrt{b^2-r^2}}$

其中b代表半径，P代表总强度并且r代表所涉及的轮廓点距合成激 光束的中心的距离。所涉及的轮廓点的距离为

$r=\sqrt{x^2+y^2}$

其中r小于b。

通常，根据本发明所提出的方法可以结合光纤激光器或二极管激 光器来使用。光纤激光器是固态激光器的特殊形式并且与二极管激光 器相比具有明显更好的光束质量。从激光器开孔射出的激光束的特点 是具有极小的发散度。光束轮廓的能量密度分布，即能量密度的高斯 分布线比同样功率的二极管激光器的窄多倍。这使得光纤激光器尤其 适合于工件的激光处理。

在本发明中，易于借助不同设计的衍射光学元件来实现一束激光 束的不同尺寸。有利地，对于一束光束和合成激光光斑的不同调整， 使用不同设计的可互换DOE，这样的DOE被采用而无需相对于原始 激光束的精确对齐，特别是与激光束方向垂直的横向对齐。为了使这 点成为可能，将数个标准单元(cell)被布置为以相同间隔、以不同间隔 或相对于彼此完全没有间隔地彼此相邻以形成衍射光学元件。如果衍 射光学元件被布置在激光器下游的准直透镜与激光装置的聚焦透镜 之间，则提供优势。最佳地，其被布置在为与聚焦透镜相距对应于这 个聚焦透镜的焦距的距离。原则上，也有可能将DOE以小距离布置 在焦距透镜后方，只要由这种布置引起的聚焦不足保持在对于特定应 用可接受的范围之内。

根据本发明的用于工件的激光处理的激光装置包括发射激光束 的至少一个激光器和用于会聚激光束的至少一个聚焦透镜以及用于 调整激光束的光束直径的光学操作元件，在所述激光装置中，所述光 学操作元件由将原始激光束分割为一束局部激光束并且将激光光斑 的直径放大的衍射光学元件组成。以使由所产生的局部激光束构成的 合成光束轮廓指向焦平面的方式构造所述衍射光学元件。所述衍射光 学元件将工件上的激光光斑的直径-优选地在焦平面上并且与焦平面 的扩展方向垂直地-相对于进入该衍射光学元件时的原始激光束的直 径放大至期望尺度。根据本发明，局部激光束被合成以形成具有局部 激光束的重叠和/或局部激光束之间任意形状的间隙的总激光束。总激 光束始终指向单个处理点，专门作用于这个点。

优选地，衍射光学元件包括有间隔或无间隔地、以均匀间隔或非 均匀间隔并排布置的数个标准单元。由于标准单元的重复，在光束路 径上对DOE的调整不再重要。

在根据本发明的激光装置的优选实施例中，就强度和/或功率而言 以使其强度从中心朝向边缘升高的光束轮廓针对合成激光光斑被产 生的方式对由衍射光学元件产生的局部激光束加权。优选地，衍射光 学元件被布置在激光器下游的准直透镜与激光装置的聚焦透镜之间。 在激光装置中，DOE是可互换的并且可以被重新放置而无需相对于激 光束的精确对齐，尤其是横向的精确对齐。可将激光装置布置在激光 塑性焊接装置的处理头中或该处理头上，其优选地包括具有至少一个 偏转镜的扫描单元。

附图说明

下面将参考附图所示的若干实施例来详细解释本发明。结合权利 要求和附图在以下对本发明的实施例的说明中给出本发明的附加特 征。本发明的独立特征可按其自身独立地实现或与本发明的不同实施 例中的若干特征组合来实现。在示意图中，

图1示出了不具有扫描单元的、根据本发明的第一激光装置；

图2示出了具有扫描单元的、根据本发明的第二激光装置；

图3示出了在没有DOE被布置在聚焦透镜前方的情况下的二极 管激光器的激光光斑(图3a)和通过关联的光束轮廓的横截面(图3b)；

图4示出了在DOE被布置在聚焦透镜前方并且横向重叠的局部 激光束具有均匀强度的情况下的二极管激光器的激光光斑(图4a)和通 过关联的光束轮廓的横截面(图4b)；

图5示出了在DOE被布置在聚焦透镜前方并且横向重叠的局部 激光束的强度朝向边缘升高的情况下的二极管激光器的激光光斑(图 5a)和通过关联的光束轮廓的横截面(图5b)；

图6示出了在DOE被布置在聚焦透镜前方并且横向不重叠的局 部激光束具有均匀强度的情况下的二极管激光器的激光光斑(图6a)和 通过关联的光束轮廓的横截面(图6b)；

图7示出了在DOE被布置在聚焦透镜前方并且横向不重叠的局 部激光束的强度朝向边缘升高的情况下的二极管激光器的激光光斑 (图7a)和通过关联的光束轮廓的横截面(图7b)。

具体实施方式

图1大体上所示的激光装置1包括激光器(未示出)、在激光器之 后的光纤2、准直透镜3和聚焦透镜4以及布置在准直透镜3与聚焦 透镜4之间的衍射光学元件5(DOE)。从光纤2起，原始激光束6射 出，经准直透镜3校准，由之后的DOE 5成形并且经聚焦透镜4聚焦， 作为合成激光束8指向工件7。激光束8由局部激光束9(未示出)构成， 其中激光装置1的焦平面10与工件7的表面11重合。在工件7的表 面11上，合成激光束8产生用于工件7的激光处理的高强度的激光 光斑12。激光光斑12的直径取决于DOE 5的设计。借助不同的DOE 5，有可能在工件7上产生不同直径的激光光斑12。图1用实线圆周 线和虚线圆周线示出了不同尺寸的两个激光光斑12以及关联的激光 束8。

图2示出了根据本发明的另一激光装置1，其包括布置在DOE 5 与聚焦透镜4之间的扫描单元13而原则上不同于图1所示的激光装 置1。借助扫描单元13，合成激光束8可以在DOE 5之后相对于聚焦 透镜4的光轴一维地或二维地被偏转。在图2中示出了在相对于工件 7的三个位置上的移动的激光束6。在工件7的表面11上的可能的工 作区域内的任意位置上，其根据图1产生激光光斑12。

图3示出了工件7上的由二极管激光器发射的原始激光束6的激 光光斑12以及光束轮廓14的关联横截面。在其最简单的形式中，二 极管激光器由激光二极管组成，可能地具有用于准直和聚焦的光学系 统。根据图3b的光束轮廓14示出了对应于图3a所示的激光光斑12 的、具有宽钟形曲线的典型的高斯型。在图4a中，图4示出了激光光 斑12并且在图4b中示出了由图1、2所示的激光装置1、1′中的一个 产生的关联光束轮廓14。从光束轮廓14可以看出DOE产生数个局部 激光束9，它们横向重叠并且形成在很大程度上均匀的合成激光束8， 该合成激光束8进而产生激光光斑12。通过具有均匀强度分布的高斯 型局部激光束轮廓15的叠加形成了激光束轮廓14。局部激光束9可 以与每个局部光束轮廓15关联。由于局部光束轮廓15在横向上显著 重叠，因此图3b表明局部光束9在横向彼此重叠的同时也扩展 (extend)。通过DOE 5均匀地执行局部光束9的强度的加权，使得激 光光斑12具有礼帽型光束轮廓14，其具有平坦的区域和陡峭倾斜的 侧面。相加的局部光束轮廓15明显改善了二极管激光器的未达到最 佳的光束质量。

图5a、5b示出了激光光斑12和也是通过横向重叠的局部激光束 9形成的关联的光束轮廓14。相对于与图4关联的局部激光束9，这 些局部激光束9不具有一致的强度。与靠近中心的局部激光束9相比， 靠近边缘的局部激光束9就强度而言具有更高的权重。这样得到杯状 的光束轮廓14，其具有中央平坦区域以及与这个中央平坦区域相邻的 上升区段，并且在边缘处外侧有陡峭倾斜的侧面。在合成激光束8的 中央区域中以及在其边缘区域中，局部光束轮廓15具有不同的高度 并且以与在图4中所描述的相同的方式相加，得到连续的光束轮廓14。

图6、7各自示出了具有光束轮廓14的激光光斑12，该光束轮廓 14具有间隔离散点16的二维图案。原始激光束6起始于光纤激光器， 该光纤激光器具有明显更佳的光束质量而本质上不同于二极管激光 器，使得由其产生的局部激光束9具有局部光束轮廓15，该轮廓与在 起始于二极管激光器的原始激光束6的情况下相比具有更小的宽度。 由于激光束6的更好的会聚性，DOE 5产生横向间隔的局部激光束9， 所述局部激光束9作为合成激光束8在工件7上产生具有间隙的激光 光斑12，即不连续的光束轮廓14。在局部光束轮廓15相加之后，根 据图4、5，包括点网格的光束轮廓14可成礼帽型或杯状。由于在工 件7的材料中的交互，优选通过导热性将光点图案集合在一起以形成 连续的有效轮廓，使得在此同样地，工件7的处理是连续的而不是由 分开的点的处理组成。图6示出了分开的局部光束9的叠加，其中这 些局部光束9具有均匀的权重，并且图7示出了分开的局部光束9的 叠加，其中局部光束9的强度朝向外侧升高。