用于激光加工的装置和方法

专利名称：用于激光加工的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于激光加工、尤其是用于激光焊接的装置和方法。本发明特别 涉及一种用于co2激光焊接的装置和方法。
背景技术：
在通过激光射线加工工件时主要使用高斯形激光射线。该加工包括焊接、切割、熔 化、加热、去除、标记、热拼接。在激光焊接时、尤其是在co2激光焊接时，通过将由激光射线 定义的能量输入到要被焊接的结构中来产生要被焊接的工件的连接，其中，两个工件在通 过激光射线辐射的区域中熔化并且然后在流到一起后再共同地凝固。在此，通过聚焦的激光射线在激光焊接时产生以金属蒸汽充满的小孔(keyhole)， 通过该小孔(细管)激光射线能够更深地侵入到工件中并且在该小孔(细管)周围产生熔 液。由于这个窄小的小孔，在熔液中可能产生不稳定，这些不稳定导致喷发并由此导致不理 想的焊缝。同样在通过导热焊焊接薄板时不利的是，恰好对于以不同金属涂覆的薄板，所产 生的熔液是不稳定的并且由于喷发而阻碍可靠的焊缝。因此在现有技术中在焊接例如用于 汽车工业的镀锌板时借助间隔物工作，这些间隔物要负责使所产生的蒸汽不会将熔液从焊 缝中吹出。作为示例使用小的微型球，这些微型球在焊接前被引入到要被焊接的薄板之间， 用于实现这个间隔。C02激光器的射线在垂直射到金属表面上时反射接近90%。只有射线几乎划线式 地(入射角>80° )照射时，才实现每次照射到金属表面上的激光射线的经济上有意义的 约40%输入耦合度。

发明内容
因此，本发明的任务是，提供一种用于尤其是通过C02激光加工金属的装置和方 法，通过该装置和方法避免现有技术的缺陷。该任务通过如独立权利要求所述的装置和方法得以实现。在从属权利要求中给出 有利的构型。该任务尤其通过一种用于激光加工的装置实现，该装置包括具有谐振器(11)的 激光器(10)，该谐振器被装备用于产生具有预定的焦散面的激光射线(100)，该装置还包 括光学元件(30)，该光学元件用于将所述激光射线(100)转换成射线(100')，该射线具有 沿着该激光射线(100')的焦散面区域的环形强度分布，其中，该环形强度分布在沿着该 射线(100')传播方向的焦散面最小直径区域中在与该射线(100')的传播方向垂直的 平面中具有按照二阶矩法确定的射线半径(SR)和在径向上在强度为50%最大强度时确定 的环宽度(RB)，其中，环宽度(RB)与射线半径(SR)的商(Q)小于0.6，优选小于0.5、特别 优选小于0. 4。利用激光射线的工件加工优选包括焊接、切割、熔化、加热、去除、标记、热拼接或者其组合。 用于激光加工、例如用于激光焊接的装置或者说激光焊接设备优选由激光器、CNC 控制的多轴运动单元、用于在运动系统内部引导激光射线的光学系统、加工和聚焦光具以 及工件接收装置组成。优选该运动系统或者使激光射线运动到工件上面或者使工件在激光 射线下面运动穿过。也可想到这样的结构形式其中不仅工件而且激光射线都运动。优选 也使用扫描系统，用于使成束的激光射线运动到工件上。扫描系统优选由旋转的多面镜和/ 或可倾翻的偏转镜的组合组成，它们可以将激光射线通过反射镜的可调整的角度反射到不 同的位置。优点主要是非常高速的激光射线定位。 优选使用单模纤维激光器、YAG激光器或者特别优选C02激光器作为激光器。特别 优选使用在相对较高的激光功率下具有非常高的射线质量的激光射线的激光器(例如纤 维激光器、圆盘激光器、co2板式激光器等)。对于根据本发明的装置，尤其在激光焊接时优 选使用C02激光器(波长约10. 6 i! m)。其它的尤其在激光焊接金属时优选使用的射线源是 Nd:YAG激光器(波长约1.06i!m)。也使用二极管激光器，尤其是大功率(几百瓦)范围内 的半导体激光器。在此有利的是与Nd:YAG激光器和C02激光器相比高得多的逆转效率。Nd:YAG激光器和二极管激光器的射线是可透过光纤的，S卩，该射线通过光波导体 或玻璃纤维光缆引导到通常由透镜组组成的激光焊接光具中。而co2射线通过空气引导并 且通过反射镜转向到焊接位置，在那里或者利用透镜、或者更散布地利用聚焦反射镜聚焦。所述激光器通常优选包括谐振器，通过该谐振器产生激光射线。激光射线的射线 特性主要通过激光谐振器的类型确定通过谐振器只能在一个方向上实现激光发射，该方 向通过镜组件和激活介质的几何特征确定。因为激光器由此几乎平行地在一个方向上发出 延伸的射线，通过成束(聚焦)可以达到比传统的光源高许多的功率密度。由此该激光器产生具有预定的射线特性的激光射线，尤其是相应的发散度、预定 的强度分布和预定的焦散面。焦散面说明传播的激光射线在空间中的几何形状且尤其说明 激光射线在垂直于传播方向的平面中的能量分布或强度分布。焦点焦散面说明沿着传播方 向在激光射线聚焦时的焦点区域中的该结构。沿着激光射线的传播方向，激光射线的直径相应于激光射线的发散度而改变，所 达到的激光射线最小值称为射线腰。在激光射线聚焦的情况下在焦点中实现该最小值，这 个焦点通常不与射线腰重合。激光射线的特性经常可以通过高斯射线良好地描述，S卩，激光射线在中心点具有 强度的最大值，该最大值在垂直于激光射线传播方向的径向方向上在其强度上按照高斯分 布减弱。这个模式被称为TEM_00模式。也可以激励具有其它断面的其它横向模式；根据 其节线在水平和垂直方向的数量将它们称为TEM_XY模式。对于这些模式，通过谐振器直到 输出点的光程部分地不同，即，谐振器长度好像是变化的。这一点可能导致纵向模式光谱失 真，其方式是不同横向模式的光谱相叠加。通过光学元件使由谐振器发射的、通常具有高斯形强度分布的激光射线转换成具 有环形强度分布的射线。这样的光学元件可以是一个通过它来改变激光射线的模式的元 件，尤其是改变模数并由此产生垂直于传播方向具有环形强度分布的激光射线。在此它优 选可以是具有旋涡结构的光学元件。优选使激光射线通过光学元件转换成在垂直于传播方向的平面中具有环形强度分布的激光射线。在此，转换后的激光射线优选具有环形强度分布，该强度分布在垂直于传 播方向的平面的中心具有圆形最小值或零强度并且该强度分布处于围绕中心点的、具有内 径di和外径da的圆中。因此在具有直径di的内圆中强度非常小或者说等于零，而在di 与da之间的环中已经形成最大强度。因此，具有环形强度分布的射线优选通过两个参数描述射线直径或作为射线直 径一半的射线半径和环宽度。所述射线直径或射线半径优选通过二阶矩法确定。这个方法在EN IS011146-1 2005中描述。同样能够这样定义射线半径该射线半径是与环形强度分布的中心点的距 离，在该距离上，强度曲线下的积分面积已经达到预定的值，例如总强度的86%。也可想到， 将环形强度分布的最大值与中心点的距离定义为射线半径。优选当最大强度的圆形功率密 度分布以大于0. 8、优选大于0. 87的椭圆度呈现时，也呈现环形强度分布。所述环宽度应通过垂直于传播方向的平面中的强度分布来定义所述环宽度是内 半径与外半径之间的差，其中内半径是通过环形强度分布的强度定义的环半径，在该半径 处，从中心点出发首次达到最大强度的一个预定分数，例如最大强度的10%或50%。类似 地所述外半径是强度圆的一个半径，在该半径处，从中心点出发在经过最大强度后强度下 降到同一分数。据此可以定义10%环宽度或50%环宽度。因此，50%环宽度是在径向上 在强度为最大强度的50%时确定的环宽度，10%环宽度是在径向上在强度为最大强度的 10%时确定的环宽度。沿着射线传播方向的焦散面最小直径区域通常是射线腰。在使用聚焦光具时焦散 面的最小直径区域是焦点区域并因此是焦点焦散面。因此环宽度(RB)与射线半径(SR)的商(Q)是无量纲的数值，该数值根据本发明 在50%环宽度处小于0. 6、优选小于0. 5、特别优选小于0. 4。对于10%环宽度该商优选小 于1、优选小于0. 9、特别优选小于0. 8。所述激光射线的并且尤其是焦点的焦散面优选沿着激光射线的一个区域设置，使 得该环形分布很大程度地在转换后的激光射线的传播方向的至少一个区域中保持。在此可 行的是，环宽度与射线半径的商的值是变化的，但是该值优选尽可能保持恒定。由此，转换 后的激光射线在垂直于传播方向的平面中在传播方向的一个区域上具有所定义的环结构 或环形强度分布。所述环形结构也可以是椭圆，或者是在中心区域具有强度最小值并且在该强度的 周围具有提高的强度分布的近似环形的结构。也可想到具有多个最小值的分布，例如x_y 平面中、即垂直于传播方向的平面中的平放的八字形。这一点例如可以通过两个圆的相邻定位实现。特别优选使激光射线转换成环焦 点，特别优选转换成具有拉盖尔环模式的射线。可以优选通过相位的奇点(SingularitSten)产生环结构。这些奇点也称为光旋 涡。它们是标量光场的一些位置，在这些位置上不定义光相位并且强度消失。与常见的激光加工装置不同，通过这种激光加工装置(该激光加工装置尤其在具 有环形强度分布的激光射线的焦点中产生这样定义的焦散面)可将环形焦点的边缘区域 中的高功率强度引入到工件中，而不在中心直接加热材料。这例如在激光焊接时导致，小孔 中的金属蒸汽不被过度加热。其结果是，小孔和焊缝的不稳定性更低，这导致焊缝的最佳质量。由于在定义的激光射线环区域中激光功率高度集中，与在具有高斯形强度分布的焊接 时不同，可以超过阈值强度并且进行材料加工。在本发明的另一有利实施例中设有用于激光加工的装置，其中径向环宽度(RB) 与射线半径(SR)的商(Q)沿着该射线(100’)传播方向在焦散面最小直径区域的前面和后 面在至少n倍瑞利长度(zR)的区域上在偏差小于10%的情况下还继续保持，其中n等于 5，优选等于10，尤其优选等于50。以此方式在激光射线的传播方向上沿着射线传播方向在焦散面最小直径区域的 前面和后面提供一个区域，在该区域中基本保持该商。这意味着，在焦散面最小直径区域的 前面和后面，在焦深区域内保持所述射线的环形强度分布。优选该商的可能偏差在所定义 的区域中小于30 %、优选小于25 %、优选小于20 %、优选小于15 %、优选小于10 %、优选小 于5%、特别优选小于1%。沿着射线传播方向在焦散面最小直径区域的前面和后面的这个区域优选至少n 倍于瑞利长度zR，其中n等于5、优选等于10、尤其优选等于50。这个区域特别优选至少为 10mm、优选20mm、特别优选100mm。在本发明的另一有利的实施例中设有用于激光加工的装置，在该装置中，沿着传 播方向的焦散面最小直径区域是通过聚焦光具产生的焦点。以此方式提供在焦点中具有焦散面的激光射线，该焦散面优选在预定的焦深区域 上具有通过所述商定义的环结构。由此可以有利地加工工件，而不会出现在焦点中在激光 射线中心点存在最大强度时的问题。在本发明的另一有利的实施例中设有用于激光加工的装置，其中所述光学元件 (30)具有一个商调整装置(35)，用于调整径向环宽度(RB)与射线半径(SR)的商(Q)。通过商调整装置该商可以预定或者在激光加工装置中调整或改变。因此能够产生 具有预定环形强度分布的激光射线并且对于不同的应用情况做出更有针对性的选择。以此 方式可以对于一些应用情况提供在射线直径较大的情况下具有小环宽度的环形分布，这些 应用情况需要这一点，对于其它应用则调整其它的商。这一点也可以优选在激光加工装置 运行期间进行。例如可以通过重复应用通过光学元件转换激光射线来实现径向环宽度(RB)与射 线半径的商(Q)的调整。在使用透射光具时例如可以通过综合屈光检查装置组件通过附加 光具的摆入实现各个光具的叠加。对于一些光具，也能够通过使用相反构成的光具再消除 或减弱所述作用。因此例如当在光学元件上使用旋涡几何特征时，通过旋涡斜度来确定所 述商，而通过旋涡斜度和聚焦光具焦距和透镜照明来确定直径。通过设置具有不同斜度的 不同旋涡几何特征可以使旋涡几何形状叠加(如果光学元件设置有负的旋涡斜度)，这些 光学元件又可以用于(部分地)逆转所述效应。在本发明的另一有利实施例中设置用于激光加工的装置，其中所述光学元件(30) 设置在谐振器(11)外部。以此方式能够不必干预谐振器，而在谐振器外部通过光学元件实现所述结构。由 此不必在谐振器中产生环模式。但是在本发明意义上优选谐振器外部也是设置在谐振器的 输出耦合镜上的结构。在本发明的另一有利的实施例中设置一用于激光加工的装置，其中优选在射线腰或焦点的高度上可以调整射线半径(SR)的值。优选通过商调整装置、尤其通过模变化来进行射线半径或射线直径的调整并由此调整射线焦散面变化。特别优选通过聚焦光具进行射线半径的调整。在本发明的另一有利实施例中设置一用于激光加工的装置，其中所述光学元件 (30)是反射光具并且该反射光具优选也具有用于修正成像误差的几何特征。反射光具尤其是反射镜。特别优选使用一种反射光具，即反射镜或反射面，该反射 光具适合于反射相应的激光射线，尤其是CO2激光射线。该反射光具根据本发明含有一结 构，该结构改变激光射线的焦散面并由此标志沿着传播方向的预定的强度几何形状分布， 即将激光射线转换成具有新的强度分布的新构型。这尤其优选通过改变激光射线模式发 生。所述反射光具优选具有用于修正成像误差的几何特征，尤其用于修正在转换时由 于激光射线由反射光学元件、即尤其是反射镜偏转而产生的成像误差。因此修正了由于倾 翻地使用反射光具、尤其是旋涡镜而产生的图形误差，以便通过反射镜光具实现圆形的环 焦点。优选可以将该修正通过直接在反射镜中用高速刀具金刚石车削来加入。因此可以类 似地修正多点聚焦的对称性。如果相位变化不是通过透射的透镜而且通过反射光具引起，优选在值得一提的倾 翻时考虑这个修正，以便不产生图形误差。对于多点元件(具有η个面的一般屋背棱镜)可以如下计算修正根据点在射线 坐标系中的所期望的取向Phi (其中在χ轴的方向上显示phi = 0)使一个面的小的屋背棱 角δ在z-y平面中偏转90度的情况下变为到δ =6/2*叫汁(1+((08( 1^))2)，其中6是 所期望的、射线相对于射线轴的小发散角并且面取向在投影到偏转镜坐标系上的角度下选 择psi = arctan(tan(phi)*sqrt(2))。其中psi = 0与phi = 0重合。对于其它的偏转角 2 θ能够类似地求得修正。旋涡镜的优点是，即使在倾翻偏转时所述效应也一阶地导致方位角线性上升的相 位螺旋。倾翻的大小同时影响线性相位斜度的大小的变化。此外已经经验地观察到焦点中的非对称性，其原因可能是高阶的图形误 差。在此优选通过使方位斜度适配于非线性斜度来实现像场修正因此在90度偏 转时轮廓不遵循f(z) = h*psi/(2*Pi)，h =阶跃高度，该阶跃高度适配于偏转角 2Θ (h = N*X/(2*C0S(e))，N为整数，λ为所使用的波长)，而是遵循F(Z) = h/ (2*Pi)*arctan(tan (psi)/sqrt (2))。这类似地相当于圆形轮廓椭圆形地适配于倾翻的偏转平面。所有上述修正也可以简单地转用到不同于90度的其它偏转角上。优选地也可以，代替具有唯一分级的旋涡镜而规定，将相位斜度用参数N定义的 旋涡结构分成N个段，这些段分别包含更小的高度级h/N。也可以设置另一整数数量的分 级，使所有分级的总高度相当于所述唯一分级的总高度h。这在加工角度看是有利的。优选 在一个位置上产生分级，该位置通过要产生的射线的持久相位的连接条件给出在角位置 Phi上或者在镜面上的投影psi中(它在所生成的相位的情况下正好相当于2*Pi的整数 倍)可以实现j*2*Pi的高度阶跃(j =整数)，不会由此干扰相位或射线。因此，可能的阶 跃位置 psi_i 对于这些分级在 psi_i = arctan (tan (i*2*Pi/N+phiO) /cos ( θ ))处，其中，i = 0,1,2. . .N-1，任意的偏置 phiO。 以此方式提供了具有很大程度上显环形的焦点焦散面的激光射线。该激光射线优 选可以以高的射线质量一直传播到透镜附近，然后通过光学元件转换成具有可调整到适当 大的焦点直径的环形激光射线，该激光射线具有环形强度分布。通过发散射线的传播可以碰到光学元件的边缘区域，因此存在损失。在此焦点直 径也改变。因此优选将用于将该激光射线转换成具有环形强度分布的激光射线的光具设置 在聚焦光具附近。由此可以使良好质量的射线(例如通过伸缩修正)传播到切割头并且在 那里才发生转换，其方式是，例如通过旋涡几何特征使TEMOn*中的η提高。由此也增加直 径并且降低射线质量。对于纤维激光器，可以将该结构组合在纤维端部上或者后置的聚焦 光具中，例如作为聚焦光具中的(抛光的)板或透镜。在本发明的优选实施例中所述反射光具包括金属镜、尤其是铜镜。 通过金属镜能够使CO2激光射线也偏转或转换。特别优选该镜由铜制成。在本发明的优选实施例中所述光学元件具有旋涡结构。该旋涡结构也可以优选组 合到聚焦光具中。旋涡结构或漩涡透镜沿着传播方向并由此也在焦点中产生螺旋形相位变化曲线。 因此在焦点中心存在零区并由此存在环模式。因此，旋涡透镜可以提供优选< Imm的环直 径。通过漩涡镜产生的射线情况基本上与高斯-拉盖尔模式TEMOn*—样。在此模式TEMOn* 类似于高斯_拉盖尔模式TEMOn地表示，该模式TEMOn与一相同的、但是扭转的TEMOn模式 这样叠加，使得产生在中心具有零位的环。这些模式也在焦点焦散面以外形状不变地传播， 使得沿着传播方向在大的区域上也保持环形强度分布。尽管随着η增加射线质量下降，径 向分布、即(径向)环宽度与环直径的商Q同样减小，该即环“更清晰”。因此通过具有旋涡结构的反射镜可以使激光射线转换成具有旋涡焦散面的射线。 通过旋涡镜优选使激光射线在谐振器外部转换成环结构。由此能够使相对紧凑的射线以小 的发散一直传播到透镜附近，在那里通过漩涡镜反射并且由此转换成具有环结构的激光射 线。在那里，尽管给出了大的透镜照明，还是产生适当大的焦点直径。在本发明的优选实施例中可以调整射线直径，特别优选可以调整到0.6mm到 1. 5mm。完全特别优选调整模式阶TEMOn或在旋涡结构情况下模式阶TEMOn*，其方式是，选 择模式阶n，尤其是η > 1，特别优选11 > 2，特别优选11 > 3。在通过旋涡几何形状产生时， 该模数优选通过旋涡几何形状的η-λ相位斜度产生。对于不同的模式阶η就可以实现不 同的射线直径，例如对于η = 4约0. 6mm至0. 9mm,对于η = 6约0. 8mm至1. 2mm并且对于 η = 8 约 Imm 至 1. 5mm。通过环焦点的可调整性还能够以有利的方式在焊接过程期间有针对性地控制熔 化过程。在此例如可以产生熔池，在熔池中，熔化的熔液具有更低的动能并由此避免熔液喷 溅出来。优选也可以对于不同的激光焊接应用选择不同的直径。特别也优选地规定，激光 射线在焦点中的强度是可以变化的，尤其与所选择的直径无关。由此在不同的焊接应用中 展现这样的可能性所期望的能量通过预定的、由环结构的直径描述的面积施加到工件上。通过约0. 6mm至1. 5mm的焦点例如有利地能够焊接有缝隙的结构。这些结构经常 具有大于3%板厚的缝隙并且具有大于5mm的板厚。通过所述形式的焦点可以使这些工件 在I型接头中熔化，不会使激光射线穿过缝隙传播或者由于略微失调而只在边缘区域熔化工件。 本发明的任务也通过一种用于利用激光射线(100')加工工件(20)的方法得以 实现，包括以下步骤产生沿着激光射线(100')的焦散面区域具有环形强度分布的激光 射线(100')，其中，该环形强度分布在沿着该射线(100')的传播方向的焦散面最小直径 区域中在与该射线(100')的传播方向垂直的平面中具有根据二阶矩法确定的射线半径 (SR)并且具有在径向上在最大强度的50%强度时确定的环宽度(RB)，其中环宽度(RB)与 射线半径(SR)的商(Q)小于0.6，优选小于0.5，特别优选小于0.4。以此方式可以通过选择所述商如上所述地产生具有环形强度分布的激光射线并 且用这个转换后的激光射线加工工件。优选使激光射线(100')聚焦在加工区域上，在此优选环宽度与射线半径的商在 这个焦点区域中保持。然后优选通过具有环形强度分布的激光射线进行工件(20)的加工。特别优选通过选择环模式TEMOn的模式阶进行所述商的调整，其中η > 1，优选η > 2，特别优选11 > 3，特别优选11 > 5。特别优选地通过使用在谐振器外部具有旋涡几何形 状η-λ相位斜度的旋涡几何形状来进行所述商的调整。由此优选在谐振器外部调整模式 阶η，在此根据本发明利用所述商。特别优选将两个工件焊接在一起。两个工件可以搭接或对接地设置。能够产生对 接焊缝、搭接焊缝或角焊缝。在本发明的优选实施例中通过3至8、优选6的模式阶η执行镀锌车身板或铝的搭 接焊接。由此产生的烟 效应能够使在缝隙中产生的锌蒸汽或铝蒸汽逸出而不喷出熔液。 优选通过激光射线加工具有高蒸发率材料的第一工件(20. 1)和/或第二工件(20. 2)，该激 光射线具有小于0. 6、优选小于0. 5、优选小于0. 4、优选小于0. 39、优选小于0. 37、特别优选 小于0. 35的所述商。这相当于于调整到3至8、尤其6的模式阶。高蒸发率材料是一种材料，对于该材料，在加热时可以部分蒸发并由此离开熔液。 这种材料的例子是有色金属，即具有不同合金成份的金属，镀锌板、铝覆层板、铝板、铝合金 板或一般覆层的板或具有用这些成份覆层的表面的材料。以此方式通过优化空间焦点结构提供一种用于在CO2激光焊接具有高蒸发率的材 料(尤其是有色金属如铝合金或镀锌板)时提高工艺效率、工艺稳定性和焊缝质量的方法。 在此特别优选激光射线具有沿着整个焦点焦散面的环形强度分布。对于具有高蒸发率的材料的焊接加工通过使用环形转换的CO2激光射线(其环直 径和其在环中存在的峰值强度优选可以相互独立地调整)改善工艺效率、工艺稳定性和焊 缝质量。通过蒸发毛细管的优选与方向无关的、对称的横截面扩大(尤其也在焦点下面) 能够实现蒸发毛细管的适配于工艺的扩展。这优选借助在保持尽可能大的强度值的条件下 与所使用的聚焦光具的焦距无关地可调节的环直径进行。这可以优选通过使用短焦距的聚 焦光具实现。由此改善输入耦合效率、工艺稳定性以及焊缝质量。在本发明的另一优选实施例中通过3至4的模式阶η以I型对接来焊接拼接板 (Tailored Blanks) 0由此提高输入耦合效率并改善缝隙可跨接性。在本发明的另一优选实施例中，即使在大于2mm的大焊入深度情况下通过4至6 的模式阶η产生宽的焊缝。由此即使在大于2mm的大焊接深度中也能产生宽于Imm的很宽的焊缝，与根据现有技术的简单焦点相比不会显著增加焊入深度。通过现有技术的到目前为止的方法不能实现这一点，因为这些方法只作用于表面上。在此优选将第一工件(20.1) 与第二工件(20. 2)以深焊方法相互焊接并且所述激光射线(100')具有小于0. 6、优选小 于0. 5、优选小于0. 4、优选小于0. 37、优选小于0. 36的商。这一点优选通过相干的相位调制引起并且使激光射线的初始均勻的强度分布转 换成环形强度分布，该强度分布尤其也环形地传播通过焦点焦散面。通过优选可选地、环形地扩大焦点直径，有针对性地控制小孔中的局部能量转移 在环中峰值强度高的同时大的环直径在激光射线侵入深度小的情况下已经导致大部分激 光射线能量在金属熔液中被吸收。由此可以有针对性地控制并预定焊缝的深度_宽度比。以此方式可以在深焊时通过根据本发明的方法确保遵守预定的焊缝比。由从小孔流出的金属蒸汽(它们尤其是在通过CO2激光焊接时是典型的)引起的 屏蔽效应通过环形射线形状被最小化并且引起电离阈值减小。蒸发通道横截面在整个焦点 焦散面上的对称扩大与蒸发通道直径类似地使金属蒸汽的流出速度减小。通过由此引起的 熔池中涡流减小，更少地出现由于随后的气孔夹杂或熔液溅出而封闭蒸发通道。在此，环形聚焦射线的作用在平面中(χ方向/y方向)优选不显示方向相关性并 且其特征尤其是当在射线传播方向上在散焦时具有对称的焊接特性，因为沿着传播方向 在预定的区域上保持环结构。因此，当焊接当激光加工喷嘴在工件上方移动时在传播方向 上具有变化的结构时，在深焊时也能够产生可靠的焊缝，激光加工头无需在传播方向上移 动，因为在传播方向的一个区域上保持该环结构。通过相干的相位调制首次得到的、尽可能短的焦距(环中高峰值强度)与足够大 的环直径(da，di)相结合的可能性，使得通过该方法能够同时一方面实现大的蒸发毛细管 直径，另一方面实现高的工艺效率，因为与聚焦射线的环直径无关地以尽可能高的强度主 要辐射蒸发通道的壁面，由此辐射熔液本身。借助于在输出耦合镜与聚焦元件之间的光程中的任意位置上在光程中进行的相 干的相位调制可以使CO2激光射线的初始的、典型地均勻的强度分布(旋转对称的TEM，高 斯分布)转换成环形强度分布，该环形强度分布具有初始射线直径与转换后可测量的环直 径之间的优选可调整的比例。与到目前为止的用于形成射线的方法相反，在成像期间或之 后仍然保持环形强度分布。即，通过相干相位调制环形地转换的射线的焦点焦散面优选不 仅在焦点前面具有环形分布，而且尤其也在焦点本身中或其后面具有环形分布。在此，聚焦 的射线中的环直径和峰值强度遵循对于旋转对称的TEM已知的规律。优选使用环形转换的CO2激光射线，其环直径和其在环中存在的峰值强度优选可 以相互独立地调整，尤其优选通过简单地更换加工点上的光学元件来调整。由此，对于在遵 守精确预给定的焊缝几何特征(如深焊)方面具有高要求的焊接加工任务，可以实现下面 示例性描述的方法优点在通过CO2激光射线深焊时，有利地通过与方向无关地、对称地扩大蒸发毛细管横 截面(尤其也在焦点下面)能够实现对焊缝几何特征的有针对性的控制。在现有技术中通 过聚焦射线在深焊时断面向下剧烈缩小，而通过根据本发明的方法可以实现具有更宽的侵 透的断面，在下面的区域中也形成熔池并从而形成焊缝。这一点尤其通过适配于工艺地扩 展蒸发毛细管(与所使用的聚焦光具的焦距无关地可调整的环直径)和由此实现的有针对性地控制生成的焊缝形状来实现。由此也能够有针对性地控制激光射线向熔液中的局部能
量传输。通过根据本发明的方法例如可以通过使用优选短焦距的聚焦光具来保持尽可能 大的强度值。由此改善输入耦合效率、工艺稳定性和焊缝质量。由于激光射线焦点后面也具有环结构或圆柱形结构，能够有针对性地或有选择地 仅仅辐射蒸发毛细管壁(=熔液)。由此也使由于流出的金属蒸汽引起的激光射线中心散 射损失最小化(在中心强度等于零)，其方式是，激光功率集中在激光射线的边缘区域(= 环)上。因为现在通过蒸发毛细管从熔池流出的金属蒸汽的加热也最小化，因此提高电离 阈值。这种改善的防止金属蒸汽加热到电离温度在蒸发毛细管内部已经起作用，在那里由 工作气体/保护气体的冷却作用不产生金属蒸汽。由此也使由蒸发毛细管中或工件上面的 完全电离的金属蒸汽完全封 闭蒸发毛细管的危险最小化，由此也提高了电离阈值。通过根据本发明的方法，在深焊时，通过伴随蒸发通道横截面增大而发生的蒸发 毛细管中金属蒸汽流速减小，也减少了熔池中的涡流。因为按照本发明的方法金属蒸汽在从蒸发通道中流出时具有更低的速度或更低 的动能，因此改善了保护气体作用。通过提高电离阈值也有利地降低了工艺成本，由此也可以代替具有最大冷却作用 或电离能量的昂贵的氦气而使用成本更有利的、具有中等冷却作用或电离能量的氩气。因为也节省了其它的聚焦光具，在激光射线到达工件上起作用之前产生更少的功 率损失，由此也改善工艺稳定性，因为通过节省光具也发生光具和夹紧装置或构件定位装 置的更少的脏污率。在本发明的另一优选的实施例中通过η为4至8、特别优选η = 6的模式阶以I型 对接焊接板厚大于5mm且大缝隙大于3%板厚的厚钢板的缝隙跨度。由此提高输入耦合效 率并改善弥隙性能。在造船、重型机械制造、容器制造中、在拼接板(Tailored Blanks)或壳体制造时 通过CO2激光射线对有缝隙的构件进行深焊。在这里除了深焊以外还需要能够跨接缝隙， 这些缝隙在这些使用情况下出现，尤其是由于这些工件被并排地放置或者拼接并且此时仍 出现缝隙。这些缝隙可以具有大于3%板厚的尺寸。通过焦点直径的优选可选择的、环形的扩大，有针对性地控制小孔中的局部能量 转移大的环直径同时环中高的峰值强度在激光射线侵入深度小的情况下已经导致大部分 激光射线能量被吸收到金属熔液中。由此可以实现有针对性地熔化构件棱边，以产生足够 大的熔池容积。优选通过相干的相位调制给出了将尽可能短的焦距(环中高的峰值强度)与足够 大的环直径相结合的可能性，这种可能性使得通过这种方法能够同时一方面实现大的蒸发 毛细管直径，另一方面实现高的工艺效率，因为与聚焦射线的环直径无关地总是以尽可能 高的强度只辐射蒸发通道的壁面，由此辐射熔液本身。除了已经在深焊中描述的优点以外，在通过CO2激光射线深焊有缝隙的构件时还 可实现缝隙跨接的有针对性的优化。通过有针对性地辐射拼接缝隙边缘上的构件表面产生足够大的熔池容积。通过根 据本发明的方法，尤其也在焦点的下面可以实现聚焦激光射线的与方向无关的、对称的横截面扩大。通过适配环结构的直径来适配于工艺地扩展激光射线，由此能够有针对性地使 辐射的表面积适配于拼接缝隙的宽度。特别优选能够与所使用的聚焦光具的焦距无关地调 整环直径。在本发明的另一优选实施例中，径向环宽度(RB)与射线半径(SR)的商(Q)在沿 着该射线(100')传播方向的焦散面最小直径区域的前面和后面在至少η倍于射线半径 (SR)的区域上在偏差小于10%的情况下还继续保持，其中η等于2，优选等于5，尤其优选 等于50。通过沿着射线传播方向的焦散面最小直径区域中的这种“焦深”可以对于各种焊 接应用实现所述的效果。利用激光射线(100)加工工件(20)优选包括焊接、切割、熔化、加热、去除、标记、 热拼接或者其组合。在这里描述的优点能够转用到各种不同的加工方法上，因为通过根据本发明的方 法或装置提供了一种用于以激光射线加工的可能性，该激光射线在环中可能具有所确定的 强度分布。通过激光射线中心中的突出的强度最小和环边缘区域中的集中可以在切割或焊 接时和在其它应用中实现在熔液动态形成方面的优点。 优选在根据本发明的方法中使用氩气、N2, CO2或其组合作为保护气体。特别优选通过反射光具传导激光射线，即，例如通过金属镜或铜镜。由此优选在 谐振器外部产生激光射线，该激光射线具有沿着激光射线的焦点焦散面区域的环形强度分 布，即，在激光射线传播方向的一个区域上在焦点中具有环形焦点。由此，通过相干的相位 调制使激光射线的初始均勻的强度分布优选转换成环形强度分布，该环形强度分布尤其也 环形地传播通过焦点焦散面。在此优选产生具有拉盖尔环模式的激光射线。特别优选在反 射光具上将射线转换成在传播方向上的旋涡结构，由此使激光射线沿着传播方向在宽的焦 点区域上具有环结构，并且由此激光射线在传播方向上具有围绕传播方向的圆柱形强度分 布。通过使用旋涡镜可以几乎任意长地实现这个区域。特别优选具有环形焦点的激光射线的直径是可调整的。尤其优选射线直径以及环 宽度可以调整。这种根据本发明的方法优选也用于在通过CO2激光射线拼接小厚度的板时优化焊 缝几何特征和工艺效率。通过作为沿着整个焦点焦散面的环形强度分布来优化空间焦点结 构而能够焊接薄板，激光射线不会穿透薄板或者由于熔液中的动能而导致溅出和焊缝表面 焊道中的不均勻性。通过焦点直径的可选的、环形的扩大，有针对性地控制激光射线到所产生的金属 熔液中的局部能量转移在环中峰值强度高的同时大的环直径在激光射线侵入深度小的情 况下已经导致大部分激光射线能量被吸收到金属熔液中，由此可以有针对性地控制焊缝的 深度-宽度比。由此也可以对于薄板实现宽焊缝，这些焊缝不会穿过薄板导致穿通。通过相干相位调制给出的将尽可能短的焦距(环中高的峰值强度)与足够大的环 直径相结合的可能性，使得通过这种方法能够同时一方面实现达到几毫米宽的金属熔化， 另一方面实现高的工艺效率，因为与聚焦射线的环直径无关地通过以尽可能高的强度辐射 工件来产生环形的蒸发通道，在该蒸发通道中最大部分的激光射线通过多次反射被吸收。 本方法尤其也能够以最大的工艺效率产生焊缝几何特征，这些焊缝几何特征通过到目前为止的射线成形方法只能在效率损失显著的情况下实现，因为在到目前为止的现有技术中在导热焊接时以非常散焦的射线工作。为了通过CO2激光射线拼接小厚度的板，根据本发明可以使用环形转换的CO2激光 射线，该CO2激光射线的环直径和在环中存在的峰值强度优选相互独立地并且通过简单地 更换加工点上的光学元件来调整。以此方式能够在通过CO2激光射线拼接小厚度的板时有 针对性地控制焊缝几何特征，因为蒸发毛细管的与方向无关的、对称的横截面扩大尤其也 在焦点下面起作用。由此，尤其通过与所使用的聚焦光具的焦距无关地可调整的环直径，在 保持尽可能大的强度值的条件下，尤其优选通过使用短焦距的聚焦光具，可以实现适配于 工艺地并由此适配于几何特征地加宽熔化，并且由此实现优化的输入耦合效率、工艺稳定 性以及焊缝质量。通过有针对性地、有选择地仅辐射环形的蒸发毛细管可以使能量在宽的范围中引 入到工件中。由此能够有针对性地控制激光射线向熔液中的局部能量传输。通过有针对性 地将激光功率集中到激光射线的边缘区域上、即到环形几何形状上使熔液或激光射线的中 心的透射损失最小化。通过使熔池在射线中心只最小程度地被加热，可以提高电离阈值。以 此方式，通过射线中心的熔液的低温和高粘滞度，防止熔液流动或滴下来。因为只需激光射线的最小侵入深度来实现连续的焊缝，因此减少了熔池中的涡 流。这一点通过熔液的大宽度和随之而来的、进入基材中的最小导热损失得到支持。


在附图中示出其它的有利构型。附图示出图Ia根据本发明的用于激光焊接的装置的实施例的示意图，图Ib根据图IA的根据本发明用于激光焊接的装置带有聚焦光具的的实施例示意 图，图2a_b根据本发明实施例的转换后的激光射线的三维视图以及用于解释环宽度 的确定的曲线图，图3在根据本发明的用于深焊方法的实施例中焊接过程的视图，图4在根据本发明的用于有缝隙的深焊方法的实施例中焊接过程的视图，图5在根据本发明的用于搭接焊接方法的实施例中焊接过程的视图。
具体实施例方式在图Ia中示出根据本发明的用于激光加工的装置的实施例示意图。激光器10具 有发射高斯形断面的激光射线100。该激光射线100通过旋涡镜30传导并通过该旋涡镜 转换成激光射线100'。转换后的激光射线100'具有符合旋涡结构的强度分布，即，改型 后的激光射线100'在垂直于传播方向的平面中在传播方向的整个区域上具有环形强度分 布。改型后的激光射线100'在虚线ST的高度上具有沿着改型后的激光射线(100')的 传播方向的最小射线直径，即所谓射线腰。在这个区域中适用根据本发明的、环宽度与射线 直径或射线半径之间的比例。根据图Ia的布置还不包括聚焦光具。在图Ib中示出增补了聚焦光具60的图Ia所示示意图。该改型后的激光射线 100'现在通过聚焦光具60传导到工件20上。这个聚焦的、改型后的激光射线100'通过激光加工喷嘴50对准或聚焦到工件20上。在工件20内部在改型后的激光射线100'的焦 点中，该改型后的激光射线100'同样具有环形强度分布。因此该环形强度分布在焦点前面 存在，并且在穿过焦点后也在焦点后面存在。在焦点区域内实现根据本发明的、环半径与射 线半径之间的比例。现在通过激光加工喷嘴优选也可以在朝向工件20的方向上施加支持 加工过程的保护气体或工作气体。现在，在运行中可以通过激光器10发射激光射线100，其中这个激光射线在其能 量上保持恒定，或者根据使用情况可以变化。通过选择旋涡镜30或者使用多个旋涡镜30 可以预选改型后的激光射线100'的光程或环焦点直径。由此能够在不同的加工应用之间 或者在运行所使用的加工方法的过程中改变改型后的激光射线100'的焦点中的环焦点直 径以及其强度。图2a是根据本发明实施例的、转换后的激光射线的三维视图，图2b示出用于解释 环宽度的确定的曲线图。在图2a中示出根据本发明实施例的转换的激光射线三维视图，其中以在垂直于 激光射线传播方 向的平面中在焦点中具有环形焦点的强度分布示出改型后的激光射线 100'的环形强度分布。该强度分布示出圆形的最大强度，该强度向着中心点减小并且在那 里具有零位。该强度从中心点向外同样减小。在图2b中以垂直剖面示出图2a的改型后的激光射线100'的强度分布。中心点 位于X轴的零点上。在X轴上标出长度单位，该长度单位直接与径向上到中心点的距离成 比例。在y轴上标出相应径向点上的强度。在X轴上的值2的高度上围绕最大值得到高斯 形强度分布。未示出在χ轴负方向上的第二强度分布，在那里在χ值_2处是相应的强度最 大值。所示的强度分布可以理解为是围绕y轴旋转对称的。与χ轴平行地示出三个强度水平并且以10%、50%和100%= Imax表示。这里 涉及这些水平，在这些水平上强度已经达到最大强度的相应分数。现在，10%水平和50% 水平的交点给出χ值ri和ra，它们被作为内半径或外半径用于确定环宽度RB。10%处 的值得出10%环宽度RB10%，50%处的值则得出50%环宽度RB50%。因此RB50% = ra(50% )-ri(50% )0对于50%环宽度读出约0· 8[长度单位]的值。优选按照二阶矩法确定射线半径并且在这里未示出。在这种非常对称的情况下可 以简化地引用强度最大值作为射线半径，由此得到约2[长度单位]的射线半径。因此结果得到50%环宽度与射线半径的商约0. 8/2 = 0. 4。在此对于旋涡镜通过旋涡斜度确定环宽度与射线半径的比例，而通过旋涡斜度和 聚焦光具焦距和透镜的照明(Ausleuchtimg)确定射线直径。对于旋涡镜，焦点在焦点区域 中具有只少量变化的直径和宽度。对于在旋涡镜的斜度增加时由此产生的射线，环宽度与 射线半径的比例随着旋涡镜斜度的增加而减小。以这种方式能够预调整环宽度与射线半径 的比例。在图3中示出根据本发明的用于深焊方法的实施例的焊接过程的视图。改型后 的、具有环形强度分布的激光射线100'对准两个在对接地定向的工件20. 1和20. 2之间的 区域。在此，该改型后的激光射线100'以其环形焦点在两侧对称地覆盖对接区域。在此示 出在焊缝区域中起作用的改型后的激光射线100'的横截面。通过该激光射线100'通过 熔化工件20. 1的边缘区域和工件20. 2的边缘区域产生熔池，该熔池在其几何大小上用虚线表示。这样产生的小孔在上部区域中并且很大程度地在下部区域中具有相同的直径。与 常见的深焊方法不同，小孔的直径不随着侵入深度减小，因为通过形成的环焦点使小孔的 边缘区域熔化并由此可以直到小孔的下部区域保持该环形焦点宽度。以此方式直到深处也 以相应的宽度实现该熔化区域，这提高了焊缝的品质。此外，通过在熔化的区域中均勻分布 的熔液减少熔池中的动态并由此也提高了焊缝质量。由于较低的动态，在凝固时在熔液表 面上形成更少裂纹。以此方式通过根据本发明的方法，在使用具有环形焦点的激光射线的 条件下在深焊时即使在深处也能够形成最佳的焊缝。在图4中与图3类似地示出在根据本发明的、用于有缝隙的深焊方法的实施例中 的焊接过程视图。在此，在工件20. 1与20. 2之间构成具有宽度S的缝隙。改型后的具有 环形强度分布的激光射线100'具有外径da，该外径比缝隙S更宽。在焊接过程中环焦点 现在作用在工件20. 1和20. 2的边缘区域上并且熔化这些边缘区域，同时形成熔池，该溶池 以虚线示出。以此方式即使对于工件20. 1与20. 2之间的有缝隙的焊缝，熔池也在缝隙上 上流到一起，而不会产生缺口。在使用改型后的环形激光射线100'时输入耦合效率还是非 常高的，因为边缘区域通过环焦点原始地熔化并在熔池中流到一起。以此方式有利地也能 够以深焊方法焊接有缝隙的结构。在根据图4的深焊方法中如根据图3 —样，转换后的激 光射线100'的略微失调无损于工件20. 1与20. 2之间的拼接缝隙，因为即使在改型后的 激光射线100'略微向左或向右错置时，由于宽度da，相邻工件20. 1或20. 2的边缘区域总 还在宽的部分上被环形焦点触及并由此熔化。在常规的聚焦激光射线中这种失调快速地导 致仅一个工件熔化并由此不再能形成焊缝。
在图5中示出在根据本发明的用于搭头焊接方法的实施例中焊接区域的视图。改 型后的激光射线100'对准两个搭接地安置的工件20. 1和20. 2。因为激光射线具有相对 大的宽度da，所以输入能量可以在宽的面积上或宽的缝上引入到工件20. 1和20. 2的材料 中。以此方式能够减小熔化区域中的动态并且由此与常规的方法相比改进所形成的焊缝的 上部焊道。通过在更宽的面积上输入能量也能够避免可能的穿透，通过聚焦的高斯射线可 能产生穿透。附图标记清单10 激光器尤其是CO2激光器11 谐振器20 工件30 光学元件35 商调整装置50 激光加工喷嘴60 聚焦光具100 激光射线100'转换的激光射线
权利要求
一种用于激光加工的装置，包括具有谐振器(11)的激光器(10)，该谐振器被装备用于产生具有预定的焦散面的激光射线(100)，该装置还包括光学元件(30)，该光学元件用于将所述激光射线(100)转换成射线(100′)，该射线(100′)具有沿着该激光射线(100′)的焦散面区域的环形强度分布，其中，该环形强度分布在沿着该射线(100′)传播方向的焦散面最小直径区域中在与该射线(100′)的传播方向垂直的平面中具有按照二阶矩法确定的射线半径(SR)和在径向上在强度为50％最大强度时确定的环宽度(RB)，其特征在于，环宽度(RB)与射线半径(SR)的商(Q)小于0.6，优选小于0.5。
2.如权利要求1所述的用于激光加工的装置，其中，径向环宽度(RB)与射线半径(SR) 的商(Q)在沿着该射线(100')传播方向的焦散面最小直径区域的前面和后面在至少n倍 于瑞利长度(zR)的区域上在偏差小于10%的情况下继续保持，其中n等于5，优选等于10， 尤其优选等于50。
3.如上述权利要求中任一项所述的用于激光加工的装置，其中，所述沿着传播方向的 焦散面最小直径区域是通过聚焦光具(60)产生的焦点。
4.如上述权利要求中任一项所述的用于激光加工的装置，其中，所述光学元件(30)具 有商调整装置(35)，用于调整径向环宽度(RB)与射线半径(SR)的商(Q)。
5.如上述权利要求中任一项所述的用于激光加工的装置，其中，所述光学元件(30)设 置在谐振器(11)外部。
6.如上述权利要求中任一项所述的用于激光加工的装置，其中，所述射线半径(SR)的 值是可调整的。
7.如上述权利要求中任一项所述的用于激光加工的装置，其中，所述光学元件(30)是 反射光具并且该反射光具具有用于修正成像误差的几何特征。
8.如上述权利要求中任一项所述的用于激光加工的装置，其中，所述光学元件包括金 属镜、尤其是铜镜。
9.如上述权利要求中任一项所述的用于激光加工的装置，其中，所述光学元件具有旋 涡结构。
10.一种用于借助激光射线(100')加工工件(20)的方法，包括以下步骤产生激光射线(100')，该激光射线具有沿着该激光射线(100')焦散面区域的环形强度分布，其中，该环形强度分布在沿着该射线(100')传播方向的焦散面最小直径区域 中在与该射线(100')的传播方向垂直的平面中具有按照二阶矩法确定的射线半径(SR) 和在径向上在强度为50%最大强度时确定的环宽度(RB)，其中，环宽度(RB)与射线半径 (SR)的商(Q)小于0.6，优选小于0.5。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述径向环宽度(RB)与射线半径(SR)的商(Q) 在沿着该射线(100')传播方向的焦散面最小直径区域的前面和后面在至少n倍于瑞利长 度(zR)的区域上在偏差小于10%的情况下继续保持，其中n等于5，优选等于10，尤其优选 等于50。
12.如权利要求10或11所述的方法，其中，所述借助激光射线(100)的工件(20)加工 包括焊接、切割、熔化、加热、去除、标记、热拼接或者它们的组合。
13.如权利要求10至12中任一项所述的方法，其中，第一工件(20.1)和第二工件 (20.2)以深焊方法相互焊接并且所述激光射线(100')具有小于0.6、优选小于0.5、特别优选小于0.4的商。
14.如权利要求10至12中任一项所述的方法，其中，第一工件(20.1)和/或第二工 件(20.2)具有由高蒸发率的材料制成的覆层表面，其中，所述激光射线(100')具有小于 0. 6、优选小于0. 5、特别优选小于0. 4的商。
15.如权利要求10至12中任一项所述的方法，其中，第一工件(20.1)和/或第二工件 (20.2)由铝或铝合金制成，其中，所述激光射线(100')具有小于0.6、优选小于0.5、特别 优选小于0.4的商。
16.如权利要求10至15中任一项所述的方法，其中，使用氩气、N2,C02或它们的组合 作为保护气体。
全文摘要
一种用于激光加工的装置，包括具有谐振器(11)的激光器(10)，该谐振器被装备用于产生具有预定的焦散面的激光射线(100)，该装置还包括光学元件(30)，该光学元件用于将所述激光射线(100)转换成射线(100′)，该射线具有沿着该激光射线(100′)的焦散面区域的环形强度分布，其中，该环形强度分布在沿着该射线(100′)传播方向的焦散面最小直径区域中在与该射线(100′)的传播方向垂直的平面中具有按照二阶矩法确定的射线半径(SR)和在径向上在强度为50％最大强度时确定的环宽度(RB)，其中，环宽度(RB)与射线半径(SR)的商(Q)小于0.6，优选小于0.5。
文档编号B23K26/06GK101868321SQ200880117561
公开日2010年10月20日 申请日期2008年9月24日 优先权日2007年9月24日
发明者H·泽费里, J·舒尔茨, M·贝亚 申请人:通快激光与系统工程有限公司