專利名稱：利用激光束對工件進行同步外周加工的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用激光束對工件進行外周加工的裝置，正如其依據(jù)分類由US 7，368，681B2所公開的那樣。
背景技術(shù)：
對于外周加工而言借助依據(jù)本發(fā)明的裝置尤其適用于具有呈棱柱形或呈柱體形周面的工件。在此，工件應該被理解為單個構(gòu)件，但也被理解為由兩個彼此交錯接合的構(gòu)件所組成的組件。外周加工可以例如是兩個塑料構(gòu)件的焊接、薄膜軟管縮套到玻璃纖維上或覆層在構(gòu)件上的硬化。依據(jù)分類的裝置在現(xiàn)有技術(shù)中尤其是與焊接方法相結(jié)合。在此，輪廓焊接與同步焊接之間存在區(qū)別。在輪廓焊接時，一個或多個激光束和待焊接工件相對彼此運動， 從而一個或多個激光束沿所希望的焊縫抹過工件周面。在同步焊接時，同時以一個或多個激光束加載整個焊縫。在us 7，368，681B2中公開了這種裝置。該裝置包括大量的激光束源，這些激光束源以彼此相同的間距布置在一條環(huán)線上并徑向地朝環(huán)線的中點分別發(fā)射激光束，在該中點這些激光束疊加并形成恒定能量密度的加工區(qū)。可以是二極管激光器(激光二極管或激光二極管線陣(Laserdiodenbarren))的激光源可分別在波束方向上前置射束成形光學系統(tǒng)，利用該射束成型光學系統(tǒng)影響激光束的發(fā)散度。在此，經(jīng)由在環(huán)線平面中的發(fā)散度，結(jié)合環(huán)線半徑，可以使恒定能量密度的加工區(qū)尺寸匹配于為了加工而裝入到該加工區(qū)中的工件尺寸。垂直于環(huán)線平面的射束擴張決定了焊縫寬度。因為在激光束中的能量分布原則上對應于高斯分布，所以能量分布的均勻性隨著彼此偏移的、疊加的激光束的增加的數(shù)量而得到改善。不利的是，利用非常大量的激光束源才能達到在環(huán)線平面中的近似恒定的能量密度，該環(huán)線平面中的能量密度決定了焊縫長度上的焊縫質(zhì)量。決定焊縫寬度上的焊縫質(zhì)量的、垂直于所述平面的能量分布仍保持高斯分布。此外，這種裝置需要附加措施來保證激光器安全性，也就是說，這些措施確保在裝置工作期間人和機器均不會暴露在被激光束損傷的危險中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務基于，提供一種激光器安全裝置，利用該裝置，在加工區(qū)域中以能量均勻分布的激光束加載裝入到該裝置中的工件周面。提出一種利用激光束對工件進行同步外周加工、具有大量的由二極管激光器和前置的射束成形光學系統(tǒng)組成的激光器-光學系統(tǒng)-模塊的裝置，這些激光器-光學系統(tǒng)-模塊彼此以相同的間距布置在環(huán)線上并徑向朝環(huán)線的中點分別發(fā)射處在共同的波束平面中的激光束，從而使激光束的激光束軸線在中點相交。本發(fā)明的任務通過這種裝置以如下方式得以實現(xiàn)，即，在環(huán)線的內(nèi)部布置專門構(gòu)造的波導。波導具有直柱體的形狀并以如下方式設置，S卩，使該波導的柱體軸線垂直于波束平面直立地穿過環(huán)線的中點延伸。圍繞柱體軸線構(gòu)造用于容納待加工工件的凹座。該凹座可以以如下方式構(gòu)造，即，使該凹座以其形狀和尺寸匹配待容納的工件，從而可以直接將工件插入到凹座中，或者該凹座以如下尺寸構(gòu)造，即，在該凹座中可以裝入不同的適配器，這些適配器以不同的呈柱體形的內(nèi)面圍成與不同工件匹配的自由內(nèi)部區(qū)域，從而使具有不同周面的工件可以間接經(jīng)由適配器裝入到凹座中。波導由下部和上部組成。二者共同圍出一個含有波束平面的內(nèi)腔。該內(nèi)腔居中地通過凹座敞開，從而可以將插入到凹座中的工件至少部分地布置在內(nèi)腔中。波導的下部形成內(nèi)腔的底面并且波導的上部形成頂面。這兩個面對于激光束而言進行反射。在波導的外周上，內(nèi)腔具有如存在的激光器-光學系統(tǒng)-模塊數(shù)量的相同數(shù)量的射束入口。這些射束入口分別與一個激光器-光學系統(tǒng)-模塊對置并且具有如下的尺寸，即，這些射束入口不限制入射的激光束。通過激光入射窗入射的激光束在底面與頂面之間多重來回地反射，由此，使能量分布在射束截面上均勻化。相反的，激光束在波束平面的內(nèi)部保持不受影響。因此，在工件上每個激光器-光學系統(tǒng)-模塊形成一個具有均勻能量分布的射束光斑，該射束光斑在柱體軸線方向上的高度通過底面與頂面之間的間距確定，并且該射束光斑的寬度通過在波束平面中和在激光器-光學系統(tǒng)-模塊與工件表面的間距中激光束的發(fā)散角確定。凹座可以要么僅穿過上部，因此，所裝入的工件平放在下部上并且用激光束加載鄰接于工件的一端的工件外周區(qū)，例如用于形成焊縫。凹座也可以部分延伸到下部中，因此，用激光束加載的工件外周區(qū)，是從距工件一端等于凹座延伸到下部中的深度的距離處開始的。凹座也可以完全穿過下部，從而可以將工件在柱體軸線方向上引導穿過裝置。這一點在如下情況下可能是需要的，即，例如當工件應該在其整個周面上用激光束來加載，以便例如硬化該工件表面，或者工件是如光導纖維那樣的無盡件，且應該將例如塑料外皮縮套到該光導纖維上。有利地可以將對于激光束而言透明的套管裝入到適配器中，該套管界定了自由內(nèi)部區(qū)域，因此，避免了內(nèi)腔的污染。于是，內(nèi)腔通過套管雖然是機械地封閉的，但光學上看， 對激光束的通過是開放的。底面與頂面之間的間距可以要么在整個內(nèi)腔上是恒定的，要么有利地從波導的外周朝凹座去地變小，因此，可以根據(jù)增加數(shù)量的不同反射而改善射束光斑的質(zhì)量。待加工工件的待加工外周越大，激光器-光學系統(tǒng)-模塊的數(shù)量有利的越多。有利的是奇數(shù)，因此，激光器-光學系統(tǒng)-模塊可以不鏡面對稱地對置，并避免激光器-光學系統(tǒng)-模塊的直接對面照射和因此造成的二極管激光器損壞。為了可以利用尤其是在波束平面內(nèi)部分別發(fā)射預先規(guī)定發(fā)散度的激光束的相同數(shù)量的相同激光器-光學系統(tǒng)-模塊來加工帶有不同大小外周的工件，在波束平面中的因此產(chǎn)生的射束光斑寬度必須可以改變。為了達到這一點，必須距柱體軸線不同間距進而距工件不同間距地布置激光器-光學系統(tǒng)-模塊。為此目的，激光器-光學系統(tǒng)-模塊與射束通過口之間可以布置加長模塊。這些加長模塊以如下方式構(gòu)成，即，這些加長模塊分別在激光束軸線方向上加長了內(nèi)腔。有利地通過數(shù)個相同加長模塊，調(diào)整出所希望的間距并根據(jù)工件尺寸優(yōu)化調(diào)整射束光斑寬度。波導的底面可以是一個圓，但有利的是具有與圍繞波導布置的激光器-光學系統(tǒng)-模塊相等邊數(shù)的等邊多角形。多角形在這里最廣泛的意義上也被理解為具有相同邊長的面，其中通過彼此相遇的側(cè)棱形成的角是倒圓的。因為這些角本身不具有功能，而是僅將側(cè)棱放到激光器-光學系統(tǒng)-模塊或加長模塊上，所以可以呈角形地或倒圓地構(gòu)造這些角。有利地將波導、加長模塊和激光器-光學系統(tǒng)-模塊安裝在一個共同的底板上，該底板用于單個構(gòu)件的可能的生產(chǎn)公差和裝配公差的參考基礎。為了實現(xiàn)將該裝置的快速匹配于不同工件的加工，有利的是，在底板中已經(jīng)設置有大量的螺紋孔，通過這些螺紋孔可以有選擇地安裝不同數(shù)量的加長模塊。同樣有利的是，在波導的內(nèi)腔中設置有紅外線傳感器，以便可以測量凹座中的溫度。溫度測量可以僅用于過程監(jiān)測或也可以用于調(diào)節(jié)過程參數(shù)、如二極管激光器的功率或接通持續(xù)時間。


根據(jù)附圖在下文中示例性地對該裝置進行詳細闡釋。其中圖1示出裝置的第一實施例；圖2示出依據(jù)圖1的裝置剖面圖；圖3示出依據(jù)第三實施例可變化地構(gòu)成的裝置。
具體實施例方式圖1中示出了依據(jù)本發(fā)明的裝置的第一實施例。該裝置包括平面的、硬的底板12， 在該底板上在圍繞波導3的環(huán)線2上以彼此相同的間距并朝向環(huán)線2的中點2. 1定向布置三個激光器-光學系統(tǒng)-模塊1，從而由激光器-光學系統(tǒng)-模塊1發(fā)射的激光束的激光束軸線1. 1處在共同的波束平面中并在中點2. 1相交。其中點與環(huán)線的中點2. 1疊合的波導3居中地具有里面可以插入待加工工件的凹座4，從而可以通過激光束加載待加工工件的周面。為了加工具有越來越大的外周的工件，取代三個激光器-光學系統(tǒng)-模塊1，可以以相同方式布置越來越多的激光器-光學系統(tǒng)-模塊1。激光器-光學系統(tǒng)-模塊1分別由常見的二極管激光器和射束成形光學系統(tǒng)組成。二極管激光器包括激光二極管，或優(yōu)選激光二極管線陣和準直光學系統(tǒng) (Kollimationsoptik)，該準直光學系統(tǒng)照準在所謂快軸方向上強發(fā)散的、由二極管激光器發(fā)射的激光束，并使激光束在與該快軸方向垂直的所謂慢軸方向上不受影響，在該慢軸方向中激光束僅略微發(fā)散。二極管激光器布置在激光器-光學系統(tǒng)-模塊1的內(nèi)部，從而在將激光器模塊安裝在底板12上時以如下方式發(fā)射激光束，即，使激光束的慢軸處在傳播平面中。將有利地為平凸-柱面透鏡的射束成形光學系統(tǒng)以如下方式設計，即，使該射束成型光學系統(tǒng)在快軸方向上以如下強度擴散激光束，即，使激光束進入到波導3中之后不久就擊中底面5. 1和頂面6. 1。對于該裝置的預定功能來說重要的是，指向定位在裝置中心的工件的激光束在慢軸方向上保持不受影響并且在快軸方向上首先在大量的反射之后才擊中工件表面。通過在快軸方向上的多重反射，均勻化了形成在工件表面上的射束光斑(Strahfleck)內(nèi)的能量分布，因此通過射束光斑產(chǎn)生到工件中的均勻的熱量輸入。接下來，將在快軸方向上的射束光斑的擴張表示為射束光斑高度并且將在慢軸方向上的擴張表示為射束光斑寬度。通過由二極管激光器數(shù)量的作用實現(xiàn)的多個射束光斑的彼此貼靠串聯(lián)，同時在工件的整個外周上用激光束加載與射束光斑高度相同的外周區(qū)域。射束光斑高度通過裝置的幾何尺寸，尤其是隨后所描述的波導3內(nèi)部的內(nèi)腔7的空間高度確定。波導3具有直柱體的形狀，由下部5和上部6組成，在下部和上部之間構(gòu)造了內(nèi)腔 7，激光束穿過該內(nèi)腔到達工件。在快軸方向上，在內(nèi)腔7的通過上部6所形成的頂面6. 1 與內(nèi)腔7的通過底部5所形成的底面5. 1之間來回反射激光束。在這里，為了具有盡可能小的能量損失，底面5. 1和頂面6. 1以及部分連接頂面6. 1和底面5. 1的側(cè)面16是高鏡面化(hochverspiegelt)的。在圖1中通過虛線舉例示出側(cè)面16的走向。側(cè)面16的走向以如下方式選擇，即，使這些側(cè)面至少在朝工件的直接行程上不影響激光束，也就是說，它們不限制這些激光束。同時這些側(cè)面確保入射到波導3中的激光束不再離開波導3。部分從工件旁經(jīng)過的擊中側(cè)面16的激光束被反射回工件或某個另外的側(cè)面16。側(cè)面16分別在波導3的周面上的射束入口 8處結(jié)束。射束入口 8在圖2中的剖面圖內(nèi)可見。波導3的底面在依據(jù)如圖1和圖2中所示的第一實施例的裝置中，是具有強倒圓角的三角形，這些角彼此圍出平面，并與它們相對地分別設置有一個激光器-光學系統(tǒng)-模塊1。依據(jù)圖1，將這些激光器-光學系統(tǒng)-模塊1與波導3分別經(jīng)由一個覆蓋罩 (Abdeckkappe) 15連接，這一點在這里為兩個激光器-光學系統(tǒng)-模塊1示出。在第三激光器-光學系統(tǒng)-模塊1處放棄顯示覆蓋罩15，以便示出，在其設置有射束入口 8的波導 3的周面與激光器-光學系統(tǒng)-模塊1的射束出射窗之間可以是空隙。正如已經(jīng)闡釋的那樣，激光束應在慢軸方向上保持不受影響。為了在取決于工件的外周尺寸和激光器-光學系統(tǒng)-模塊1數(shù)量的情況下形成具有一定射束光斑寬度的射束光斑(其彼此貼靠串聯(lián)引發(fā)外周上完全的激光束加載)，激光束在慢軸方向上預先規(guī)定的發(fā)散度下，必須以距工件外周的確定間距來布置。通過其周面上可以直接安置激光器-光學系統(tǒng)-模塊1的波導3的幾何尺寸來給定可能的最小間距。如圖1所示，可以擴大該間距，其中，將激光器-光學系統(tǒng)-模塊1以距波導3有空隙的方式定位。激光器-光學系統(tǒng)-模塊1的出射窗與波導3 的射束入射窗之間的這樣的空隙然后要么如圖1所示，通過覆蓋罩15覆蓋，要么如示出了第二實施例的圖3所示，通過一定數(shù)量的加長模塊11連接。覆蓋罩15和加長模塊11可以以如下方式確定幾何尺寸，即，使它們?nèi)绮▽?那樣滿足相同的功能，也就是說，在慢軸方向上由覆蓋罩和加長模塊封閉的空間具有如下的尺寸，即，使激光束不擊中側(cè)面16。相反在快軸方向上，被封閉空間的高度等于波導3的內(nèi)腔7的高度，從而已經(jīng)在這里通過多重反射導入了均勻化過程。圖2示出了依據(jù)第一實施例的裝置的剖面圖。可以識別出，波導3的圍繞柱體軸線3. 1的凹座4僅穿過上部6。由此，插入到凹座4內(nèi)的工件支撐在下部5上，并且周面的被加工區(qū)域鄰近工件的一端。為了將內(nèi)腔7至少在與射束入口 8對置處對于激光束可靠地封閉，在相對于底面5. 1和頂面6. 1在相同方向上偏移的平面中設置有接觸面17，在該接觸面上下部5和上部6彼此緊貼。凹座4在第一實施例中為圓柱體進而適用于至少在應該利用激光束加工的工件區(qū)域中同樣呈柱體形構(gòu)造以便可以將工件插入到凹座4中的工件。工件與凹座4之間僅很小的游隙是有利的，由此清晰地界定了在工件的被加工的外周上的區(qū)域。尤其當加工過程是焊接時，因此產(chǎn)生清楚界定的焊縫。
圖3所示的第二實施例尤其通過波導3的等邊五角形的底面，由五個激光器-光學系統(tǒng)-模塊1在數(shù)量方面的優(yōu)化與第一實施例區(qū)別開。在這里，有利地插入適配器9到凹座4中，在這里設計的凹座4不用于直接容納工件。這樣做的優(yōu)點是，通過應用取決于工件外周尺寸和外周形狀的各個適用的適配器9，可以使裝置匹配不同的工件。該裝置理想地用于加工具有呈圓柱形的周面的工件，但同樣也適用于呈棱柱形的周面。有利地通過對激光束透明的套管(HUlse) 10界定適配器9內(nèi)的自由區(qū)域。因此，可以避免通過產(chǎn)生的廢料污染波導3的內(nèi)腔7。僅為演示依據(jù)本發(fā)明的裝置的變形方案多樣性，在圖3中給激光器-光學系統(tǒng)-模塊1前置了不同數(shù)量的加長模塊11。原則上以如下方式實施該裝置，即，給所有激光器-光學系統(tǒng)-模塊1前置也可以是零的相同數(shù)量的相同加長模塊11，以產(chǎn)生相同的射束光斑。為了使裝置可以以盡可能少的調(diào)整費用匹配另外的工件，在底板12中設置有螺紋孔 13的模板，經(jīng)由該模板可以將不同數(shù)量的加長模塊11和激光器-光學系統(tǒng)-模塊1安裝在不同的預先規(guī)定的位置上。為了快速定位加長模塊11，在底板12上可以固定止擋板條，可以將加長模塊11緊貼到這些止擋板條上。附圖標記列表1激光器-光學系統(tǒng)-模塊1. 1激光束軸線2 環(huán)線2.1環(huán)線的中點3 波導3. 1柱體軸線4 凹座5 下部5.1 底面6 上部6. 1 頂面7 內(nèi)腔8射束入口9適配器10 套管11加長模塊12 底板13螺紋孔15覆蓋罩16 側(cè)面17接觸面
權(quán)利要求
1.利用激光束對工件進行同步外周加工的裝置，具有多個由二極管激光器和前置的射束成形光學系統(tǒng)所組成的激光器-光學系統(tǒng)-模塊(1)，所述激光器-光學系統(tǒng)-模塊彼此以相同的間距布置在環(huán)線⑵上并徑向朝所述環(huán)線⑵的中點(2. 1)分別發(fā)射處在一個共同的波束平面中的激光束，從而使激光束的激光束軸線(1. 1)在所述中點(2. 1)相交，其特征在于，在所述環(huán)線O)的內(nèi)部以如下方式布置有直柱體形狀的波導(3)，S卩，使所述波導的柱體軸線(3. 1)垂直于波束平面直立地穿過所述環(huán)線O)的所述中點(2. 1)延伸，圍繞所述柱體軸線(3. 1)構(gòu)造有用于容納待加工工件的凹座G)，所述波導(3)由下部(5)和上部(6)組成，所述下部和所述上部共同形成圍著波束平面的、通過所述凹座敞開的、 具有反射激光束的底面(5. 1)和反射激光束的頂面(6. 1)的內(nèi)腔(7)，所述內(nèi)腔朝所述激光器-光學系統(tǒng)-模塊(1)去，在所述波導(3)的外周上分別具有射束入口(8)，并且所述激光器-光學系統(tǒng)-模塊(1)以如下方式設計，即，使激光束在所述底面(5. 1)與所述頂面(6. 1)之間多重來回地反射，而激光束在波束平面內(nèi)部在激光束傳播方面不受影響地擊中所容納的工件，因此，每個激光器-光學系統(tǒng)-模塊(1)在工件上形成具有均勻能量分布的射束光斑，在所述柱體軸線(3. 1)方向上射束光斑高度通過所述底面(5. 1)距所述頂面 (6. 1)的間距來確定，并且射束光斑寬度通過在波束平面中和在所述激光器-光學系統(tǒng)-模塊(1)與工件表面的間距中激光束的發(fā)散角來確定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，適配器(9)插入到所述凹座中，所述適配器以自由內(nèi)部區(qū)域匹配工件外周，因此，所述裝置能夠匹配不同的工件尺寸和工件形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述凹座(4)完全穿過所述上部(6)和所述下部(5)，從而能夠?qū)⒐ぜ谒鲋w軸線(3. 1)方向上引導穿過所述裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述適配器(9)包括對于激光束而言透明的套管(10)，所述套管界定了所述自由內(nèi)部區(qū)域，因此，避免了所述內(nèi)腔(7)的污染。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述底面(5.1)與所述頂面(6. 1)的間距在所述內(nèi)腔(7)上從所述波導C3)的外周朝所述凹座(4)去地變小，因此，能夠改善射束光斑的質(zhì)量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，存在奇數(shù)個激光器-光學系統(tǒng)-模塊(1)， 因此，避免了所述激光器-光學系統(tǒng)-模塊(1)的對面照射。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述激光器-光學系統(tǒng)-模塊(1)與所述射束入口(8)之間布置有加長模塊(11)，所述加長模塊以如下方式構(gòu)造，即，所述加長模塊分別在所述激光束軸線(1. 1)方向上加長了所述內(nèi)腔(7)，因此，能夠根據(jù)工件尺寸優(yōu)化調(diào)整射束光斑寬度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述波導的底面為多角形，帶有與圍繞所述波導⑶布置的激光器-光學系統(tǒng)-模塊⑴相等的邊數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述波導(3)、所述加長模塊(11)和所述激光器-光學系統(tǒng)-模塊(1)安裝在一個共同的底板(12)上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，在所述底板(1 中設置有多個螺紋孔 (13)，用于有選擇地安裝不同數(shù)量的加長模塊(11)進而有選擇地安裝所述激光器-光學系統(tǒng)-模塊⑴與所述波導⑶的不同間距。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，在所述內(nèi)腔(7)中設置有紅外線傳感器， 以便測量所述凹座⑷中的溫度。
全文摘要
利用激光束對工件進行同步外周加工的裝置，該裝置由大量圍繞波導(3)布置的激光器-光學系統(tǒng)-模塊(1)組成，激光器-光學系統(tǒng)-模塊分別徑向朝波導(3)的中點發(fā)射激光束，在該中點處工件可以布置在為之設置的凹座(4)中。波導(3)具有直柱體形狀并由共同圍出內(nèi)腔(7)的下部(5)和上部(6)所組成，激光束穿過該內(nèi)腔到達工件。激光器-光學系統(tǒng)-模塊(1)以如下方式設計，即，使射出的激光束通過激光束在內(nèi)腔(7)的底面(5.1)和頂面(6.1)上的反射，在其能量分布上在射束截面上受均勻化，并且激光束在工件周面上形成具有預先規(guī)定的射束光斑高度和射束光斑寬度的射束光斑。
文檔編號B23K26/073GK102441734SQ201110307000
公開日2012年5月9日 申請日期2011年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月8日
發(fā)明者安德烈亞斯·青特爾, 揚·朗格巴赫, 維爾納·沃爾曼, 馬丁·格里貝爾 申請人:詹諾普蒂克自動化技術(shù)有限公司