專利名稱：用于激光加工的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于激光加工、尤其是用于激光焊接的裝置和方法。本發(fā)明特別 涉及一種用于co2激光焊接的裝置和方法。
背景技術(shù)：
在通過(guò)激光射線加工工件時(shí)主要使用高斯形激光射線。該加工包括焊接、切割、熔 化、加熱、去除、標(biāo)記、熱拼接。在激光焊接時(shí)、尤其是在co2激光焊接時(shí)，通過(guò)將由激光射線 定義的能量輸入到要被焊接的結(jié)構(gòu)中來(lái)產(chǎn)生要被焊接的工件的連接，其中，兩個(gè)工件在通 過(guò)激光射線輻射的區(qū)域中熔化并且然后在流到一起后再共同地凝固。在此，通過(guò)聚焦的激光射線在激光焊接時(shí)產(chǎn)生以金屬蒸汽充滿的小孔(keyhole)， 通過(guò)該小孔(細(xì)管)激光射線能夠更深地侵入到工件中并且在該小孔(細(xì)管)周圍產(chǎn)生熔 液。由于這個(gè)窄小的小孔，在熔液中可能產(chǎn)生不穩(wěn)定，這些不穩(wěn)定導(dǎo)致噴發(fā)并由此導(dǎo)致不理 想的焊縫。同樣在通過(guò)導(dǎo)熱焊焊接薄板時(shí)不利的是，恰好對(duì)于以不同金屬涂覆的薄板，所產(chǎn) 生的熔液是不穩(wěn)定的并且由于噴發(fā)而阻礙可靠的焊縫。因此在現(xiàn)有技術(shù)中在焊接例如用于 汽車工業(yè)的鍍鋅板時(shí)借助間隔物工作，這些間隔物要負(fù)責(zé)使所產(chǎn)生的蒸汽不會(huì)將熔液從焊 縫中吹出。作為示例使用小的微型球，這些微型球在焊接前被引入到要被焊接的薄板之間， 用于實(shí)現(xiàn)這個(gè)間隔。C02激光器的射線在垂直射到金屬表面上時(shí)反射接近90%。只有射線幾乎劃線式 地(入射角>80° )照射時(shí)，才實(shí)現(xiàn)每次照射到金屬表面上的激光射線的經(jīng)濟(jì)上有意義的 約40%輸入耦合度。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的任務(wù)是，提供一種用于尤其是通過(guò)C02激光加工金屬的裝置和方 法，通過(guò)該裝置和方法避免現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。該任務(wù)通過(guò)如獨(dú)立權(quán)利要求所述的裝置和方法得以實(shí)現(xiàn)。在從屬權(quán)利要求中給出 有利的構(gòu)型。該任務(wù)尤其通過(guò)一種用于激光加工的裝置實(shí)現(xiàn)，該裝置包括具有諧振器(11)的 激光器(10)，該諧振器被裝備用于產(chǎn)生具有預(yù)定的焦散面的激光射線(100)，該裝置還包 括光學(xué)元件(30)，該光學(xué)元件用于將所述激光射線(100)轉(zhuǎn)換成射線(100')，該射線具有 沿著該激光射線(100')的焦散面區(qū)域的環(huán)形強(qiáng)度分布，其中，該環(huán)形強(qiáng)度分布在沿著該 射線(100')傳播方向的焦散面最小直徑區(qū)域中在與該射線(100')的傳播方向垂直的 平面中具有按照二階矩法確定的射線半徑(SR)和在徑向上在強(qiáng)度為50%最大強(qiáng)度時(shí)確定 的環(huán)寬度(RB)，其中，環(huán)寬度(RB)與射線半徑(SR)的商(Q)小于0.6，優(yōu)選小于0.5、特別 優(yōu)選小于0. 4。利用激光射線的工件加工優(yōu)選包括焊接、切割、熔化、加熱、去除、標(biāo)記、熱拼接或者其組合。 用于激光加工、例如用于激光焊接的裝置或者說(shuō)激光焊接設(shè)備優(yōu)選由激光器、CNC 控制的多軸運(yùn)動(dòng)單元、用于在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部引導(dǎo)激光射線的光學(xué)系統(tǒng)、加工和聚焦光具以 及工件接收裝置組成。優(yōu)選該運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)或者使激光射線運(yùn)動(dòng)到工件上面或者使工件在激光 射線下面運(yùn)動(dòng)穿過(guò)。也可想到這樣的結(jié)構(gòu)形式其中不僅工件而且激光射線都運(yùn)動(dòng)。優(yōu)選 也使用掃描系統(tǒng)，用于使成束的激光射線運(yùn)動(dòng)到工件上。掃描系統(tǒng)優(yōu)選由旋轉(zhuǎn)的多面鏡和/ 或可傾翻的偏轉(zhuǎn)鏡的組合組成，它們可以將激光射線通過(guò)反射鏡的可調(diào)整的角度反射到不 同的位置。優(yōu)點(diǎn)主要是非常高速的激光射線定位。 優(yōu)選使用單模纖維激光器、YAG激光器或者特別優(yōu)選C02激光器作為激光器。特別 優(yōu)選使用在相對(duì)較高的激光功率下具有非常高的射線質(zhì)量的激光射線的激光器(例如纖 維激光器、圓盤激光器、co2板式激光器等)。對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的裝置，尤其在激光焊接時(shí)優(yōu) 選使用C02激光器(波長(zhǎng)約10. 6 i! m)。其它的尤其在激光焊接金屬時(shí)優(yōu)選使用的射線源是 Nd:YAG激光器(波長(zhǎng)約1.06i!m)。也使用二極管激光器，尤其是大功率(幾百瓦)范圍內(nèi) 的半導(dǎo)體激光器。在此有利的是與Nd:YAG激光器和C02激光器相比高得多的逆轉(zhuǎn)效率。Nd:YAG激光器和二極管激光器的射線是可透過(guò)光纖的，S卩，該射線通過(guò)光波導(dǎo)體 或玻璃纖維光纜引導(dǎo)到通常由透鏡組組成的激光焊接光具中。而co2射線通過(guò)空氣引導(dǎo)并 且通過(guò)反射鏡轉(zhuǎn)向到焊接位置，在那里或者利用透鏡、或者更散布地利用聚焦反射鏡聚焦。所述激光器通常優(yōu)選包括諧振器，通過(guò)該諧振器產(chǎn)生激光射線。激光射線的射線 特性主要通過(guò)激光諧振器的類型確定通過(guò)諧振器只能在一個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射，該方 向通過(guò)鏡組件和激活介質(zhì)的幾何特征確定。因?yàn)榧す馄饔纱藥缀跗叫械卦谝粋€(gè)方向上發(fā)出 延伸的射線，通過(guò)成束(聚焦)可以達(dá)到比傳統(tǒng)的光源高許多的功率密度。由此該激光器產(chǎn)生具有預(yù)定的射線特性的激光射線，尤其是相應(yīng)的發(fā)散度、預(yù)定 的強(qiáng)度分布和預(yù)定的焦散面。焦散面說(shuō)明傳播的激光射線在空間中的幾何形狀且尤其說(shuō)明 激光射線在垂直于傳播方向的平面中的能量分布或強(qiáng)度分布。焦點(diǎn)焦散面說(shuō)明沿著傳播方 向在激光射線聚焦時(shí)的焦點(diǎn)區(qū)域中的該結(jié)構(gòu)。沿著激光射線的傳播方向，激光射線的直徑相應(yīng)于激光射線的發(fā)散度而改變，所 達(dá)到的激光射線最小值稱為射線腰。在激光射線聚焦的情況下在焦點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)該最小值，這 個(gè)焦點(diǎn)通常不與射線腰重合。激光射線的特性經(jīng)?？梢酝ㄟ^(guò)高斯射線良好地描述，S卩，激光射線在中心點(diǎn)具有 強(qiáng)度的最大值，該最大值在垂直于激光射線傳播方向的徑向方向上在其強(qiáng)度上按照高斯分 布減弱。這個(gè)模式被稱為TEM_00模式。也可以激勵(lì)具有其它斷面的其它橫向模式；根據(jù) 其節(jié)線在水平和垂直方向的數(shù)量將它們稱為TEM_XY模式。對(duì)于這些模式，通過(guò)諧振器直到 輸出點(diǎn)的光程部分地不同，即，諧振器長(zhǎng)度好像是變化的。這一點(diǎn)可能導(dǎo)致縱向模式光譜失 真，其方式是不同橫向模式的光譜相疊加。通過(guò)光學(xué)元件使由諧振器發(fā)射的、通常具有高斯形強(qiáng)度分布的激光射線轉(zhuǎn)換成具 有環(huán)形強(qiáng)度分布的射線。這樣的光學(xué)元件可以是一個(gè)通過(guò)它來(lái)改變激光射線的模式的元 件，尤其是改變模數(shù)并由此產(chǎn)生垂直于傳播方向具有環(huán)形強(qiáng)度分布的激光射線。在此它優(yōu) 選可以是具有旋渦結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件。優(yōu)選使激光射線通過(guò)光學(xué)元件轉(zhuǎn)換成在垂直于傳播方向的平面中具有環(huán)形強(qiáng)度分布的激光射線。在此，轉(zhuǎn)換后的激光射線優(yōu)選具有環(huán)形強(qiáng)度分布，該強(qiáng)度分布在垂直于傳 播方向的平面的中心具有圓形最小值或零強(qiáng)度并且該強(qiáng)度分布處于圍繞中心點(diǎn)的、具有內(nèi) 徑di和外徑da的圓中。因此在具有直徑di的內(nèi)圓中強(qiáng)度非常小或者說(shuō)等于零，而在di 與da之間的環(huán)中已經(jīng)形成最大強(qiáng)度。因此，具有環(huán)形強(qiáng)度分布的射線優(yōu)選通過(guò)兩個(gè)參數(shù)描述射線直徑或作為射線直 徑一半的射線半徑和環(huán)寬度。所述射線直徑或射線半徑優(yōu)選通過(guò)二階矩法確定。這個(gè)方法在EN IS011146-1 2005中描述。同樣能夠這樣定義射線半徑該射線半徑是與環(huán)形強(qiáng)度分布的中心點(diǎn)的距 離，在該距離上，強(qiáng)度曲線下的積分面積已經(jīng)達(dá)到預(yù)定的值，例如總強(qiáng)度的86%。也可想到， 將環(huán)形強(qiáng)度分布的最大值與中心點(diǎn)的距離定義為射線半徑。優(yōu)選當(dāng)最大強(qiáng)度的圓形功率密 度分布以大于0. 8、優(yōu)選大于0. 87的橢圓度呈現(xiàn)時(shí)，也呈現(xiàn)環(huán)形強(qiáng)度分布。所述環(huán)寬度應(yīng)通過(guò)垂直于傳播方向的平面中的強(qiáng)度分布來(lái)定義所述環(huán)寬度是內(nèi) 半徑與外半徑之間的差，其中內(nèi)半徑是通過(guò)環(huán)形強(qiáng)度分布的強(qiáng)度定義的環(huán)半徑，在該半徑 處，從中心點(diǎn)出發(fā)首次達(dá)到最大強(qiáng)度的一個(gè)預(yù)定分?jǐn)?shù)，例如最大強(qiáng)度的10%或50%。類似 地所述外半徑是強(qiáng)度圓的一個(gè)半徑，在該半徑處，從中心點(diǎn)出發(fā)在經(jīng)過(guò)最大強(qiáng)度后強(qiáng)度下 降到同一分?jǐn)?shù)。據(jù)此可以定義10%環(huán)寬度或50%環(huán)寬度。因此，50%環(huán)寬度是在徑向上 在強(qiáng)度為最大強(qiáng)度的50%時(shí)確定的環(huán)寬度，10%環(huán)寬度是在徑向上在強(qiáng)度為最大強(qiáng)度的 10%時(shí)確定的環(huán)寬度。沿著射線傳播方向的焦散面最小直徑區(qū)域通常是射線腰。在使用聚焦光具時(shí)焦散 面的最小直徑區(qū)域是焦點(diǎn)區(qū)域并因此是焦點(diǎn)焦散面。因此環(huán)寬度(RB)與射線半徑(SR)的商(Q)是無(wú)量綱的數(shù)值，該數(shù)值根據(jù)本發(fā)明 在50%環(huán)寬度處小于0. 6、優(yōu)選小于0. 5、特別優(yōu)選小于0. 4。對(duì)于10%環(huán)寬度該商優(yōu)選小 于1、優(yōu)選小于0. 9、特別優(yōu)選小于0. 8。所述激光射線的并且尤其是焦點(diǎn)的焦散面優(yōu)選沿著激光射線的一個(gè)區(qū)域設(shè)置，使 得該環(huán)形分布很大程度地在轉(zhuǎn)換后的激光射線的傳播方向的至少一個(gè)區(qū)域中保持。在此可 行的是，環(huán)寬度與射線半徑的商的值是變化的，但是該值優(yōu)選盡可能保持恒定。由此，轉(zhuǎn)換 后的激光射線在垂直于傳播方向的平面中在傳播方向的一個(gè)區(qū)域上具有所定義的環(huán)結(jié)構(gòu) 或環(huán)形強(qiáng)度分布。所述環(huán)形結(jié)構(gòu)也可以是橢圓，或者是在中心區(qū)域具有強(qiáng)度最小值并且在該強(qiáng)度的 周圍具有提高的強(qiáng)度分布的近似環(huán)形的結(jié)構(gòu)。也可想到具有多個(gè)最小值的分布，例如x_y 平面中、即垂直于傳播方向的平面中的平放的八字形。這一點(diǎn)例如可以通過(guò)兩個(gè)圓的相鄰定位實(shí)現(xiàn)。特別優(yōu)選使激光射線轉(zhuǎn)換成環(huán)焦 點(diǎn)，特別優(yōu)選轉(zhuǎn)換成具有拉蓋爾環(huán)模式的射線?？梢詢?yōu)選通過(guò)相位的奇點(diǎn)(SingularitSten)產(chǎn)生環(huán)結(jié)構(gòu)。這些奇點(diǎn)也稱為光旋 渦。它們是標(biāo)量光場(chǎng)的一些位置，在這些位置上不定義光相位并且強(qiáng)度消失。與常見(jiàn)的激光加工裝置不同，通過(guò)這種激光加工裝置(該激光加工裝置尤其在具 有環(huán)形強(qiáng)度分布的激光射線的焦點(diǎn)中產(chǎn)生這樣定義的焦散面)可將環(huán)形焦點(diǎn)的邊緣區(qū)域 中的高功率強(qiáng)度引入到工件中，而不在中心直接加熱材料。這例如在激光焊接時(shí)導(dǎo)致，小孔 中的金屬蒸汽不被過(guò)度加熱。其結(jié)果是，小孔和焊縫的不穩(wěn)定性更低，這導(dǎo)致焊縫的最佳質(zhì)量。由于在定義的激光射線環(huán)區(qū)域中激光功率高度集中，與在具有高斯形強(qiáng)度分布的焊接 時(shí)不同，可以超過(guò)閾值強(qiáng)度并且進(jìn)行材料加工。在本發(fā)明的另一有利實(shí)施例中設(shè)有用于激光加工的裝置，其中徑向環(huán)寬度(RB) 與射線半徑(SR)的商(Q)沿著該射線(100’)傳播方向在焦散面最小直徑區(qū)域的前面和后 面在至少n倍瑞利長(zhǎng)度(zR)的區(qū)域上在偏差小于10%的情況下還繼續(xù)保持，其中n等于 5，優(yōu)選等于10，尤其優(yōu)選等于50。以此方式在激光射線的傳播方向上沿著射線傳播方向在焦散面最小直徑區(qū)域的 前面和后面提供一個(gè)區(qū)域，在該區(qū)域中基本保持該商。這意味著，在焦散面最小直徑區(qū)域的 前面和后面，在焦深區(qū)域內(nèi)保持所述射線的環(huán)形強(qiáng)度分布。優(yōu)選該商的可能偏差在所定義 的區(qū)域中小于30 %、優(yōu)選小于25 %、優(yōu)選小于20 %、優(yōu)選小于15 %、優(yōu)選小于10 %、優(yōu)選小 于5%、特別優(yōu)選小于1%。沿著射線傳播方向在焦散面最小直徑區(qū)域的前面和后面的這個(gè)區(qū)域優(yōu)選至少n 倍于瑞利長(zhǎng)度zR，其中n等于5、優(yōu)選等于10、尤其優(yōu)選等于50。這個(gè)區(qū)域特別優(yōu)選至少為 10mm、優(yōu)選20mm、特別優(yōu)選100mm。在本發(fā)明的另一有利的實(shí)施例中設(shè)有用于激光加工的裝置，在該裝置中，沿著傳 播方向的焦散面最小直徑區(qū)域是通過(guò)聚焦光具產(chǎn)生的焦點(diǎn)。以此方式提供在焦點(diǎn)中具有焦散面的激光射線，該焦散面優(yōu)選在預(yù)定的焦深區(qū)域 上具有通過(guò)所述商定義的環(huán)結(jié)構(gòu)。由此可以有利地加工工件，而不會(huì)出現(xiàn)在焦點(diǎn)中在激光 射線中心點(diǎn)存在最大強(qiáng)度時(shí)的問(wèn)題。在本發(fā)明的另一有利的實(shí)施例中設(shè)有用于激光加工的裝置，其中所述光學(xué)元件 (30)具有一個(gè)商調(diào)整裝置(35)，用于調(diào)整徑向環(huán)寬度(RB)與射線半徑(SR)的商(Q)。通過(guò)商調(diào)整裝置該商可以預(yù)定或者在激光加工裝置中調(diào)整或改變。因此能夠產(chǎn)生 具有預(yù)定環(huán)形強(qiáng)度分布的激光射線并且對(duì)于不同的應(yīng)用情況做出更有針對(duì)性的選擇。以此 方式可以對(duì)于一些應(yīng)用情況提供在射線直徑較大的情況下具有小環(huán)寬度的環(huán)形分布，這些 應(yīng)用情況需要這一點(diǎn)，對(duì)于其它應(yīng)用則調(diào)整其它的商。這一點(diǎn)也可以優(yōu)選在激光加工裝置 運(yùn)行期間進(jìn)行。例如可以通過(guò)重復(fù)應(yīng)用通過(guò)光學(xué)元件轉(zhuǎn)換激光射線來(lái)實(shí)現(xiàn)徑向環(huán)寬度(RB)與射 線半徑的商(Q)的調(diào)整。在使用透射光具時(shí)例如可以通過(guò)綜合屈光檢查裝置組件通過(guò)附加 光具的擺入實(shí)現(xiàn)各個(gè)光具的疊加。對(duì)于一些光具，也能夠通過(guò)使用相反構(gòu)成的光具再消除 或減弱所述作用。因此例如當(dāng)在光學(xué)元件上使用旋渦幾何特征時(shí)，通過(guò)旋渦斜度來(lái)確定所 述商，而通過(guò)旋渦斜度和聚焦光具焦距和透鏡照明來(lái)確定直徑。通過(guò)設(shè)置具有不同斜度的 不同旋渦幾何特征可以使旋渦幾何形狀疊加(如果光學(xué)元件設(shè)置有負(fù)的旋渦斜度)，這些 光學(xué)元件又可以用于(部分地)逆轉(zhuǎn)所述效應(yīng)。在本發(fā)明的另一有利實(shí)施例中設(shè)置用于激光加工的裝置，其中所述光學(xué)元件(30) 設(shè)置在諧振器(11)外部。以此方式能夠不必干預(yù)諧振器，而在諧振器外部通過(guò)光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)所述結(jié)構(gòu)。由 此不必在諧振器中產(chǎn)生環(huán)模式。但是在本發(fā)明意義上優(yōu)選諧振器外部也是設(shè)置在諧振器的 輸出耦合鏡上的結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的另一有利的實(shí)施例中設(shè)置一用于激光加工的裝置，其中優(yōu)選在射線腰或焦點(diǎn)的高度上可以調(diào)整射線半徑(SR)的值。優(yōu)選通過(guò)商調(diào)整裝置、尤其通過(guò)模變化來(lái)進(jìn)行射線半徑或射線直徑的調(diào)整并由此調(diào)整射線焦散面變化。特別優(yōu)選通過(guò)聚焦光具進(jìn)行射線半徑的調(diào)整。在本發(fā)明的另一有利實(shí)施例中設(shè)置一用于激光加工的裝置，其中所述光學(xué)元件 (30)是反射光具并且該反射光具優(yōu)選也具有用于修正成像誤差的幾何特征。反射光具尤其是反射鏡。特別優(yōu)選使用一種反射光具，即反射鏡或反射面，該反射 光具適合于反射相應(yīng)的激光射線，尤其是CO2激光射線。該反射光具根據(jù)本發(fā)明含有一結(jié) 構(gòu)，該結(jié)構(gòu)改變激光射線的焦散面并由此標(biāo)志沿著傳播方向的預(yù)定的強(qiáng)度幾何形狀分布， 即將激光射線轉(zhuǎn)換成具有新的強(qiáng)度分布的新構(gòu)型。這尤其優(yōu)選通過(guò)改變激光射線模式發(fā) 生。所述反射光具優(yōu)選具有用于修正成像誤差的幾何特征，尤其用于修正在轉(zhuǎn)換時(shí)由 于激光射線由反射光學(xué)元件、即尤其是反射鏡偏轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的成像誤差。因此修正了由于傾 翻地使用反射光具、尤其是旋渦鏡而產(chǎn)生的圖形誤差，以便通過(guò)反射鏡光具實(shí)現(xiàn)圓形的環(huán) 焦點(diǎn)。優(yōu)選可以將該修正通過(guò)直接在反射鏡中用高速刀具金剛石車削來(lái)加入。因此可以類 似地修正多點(diǎn)聚焦的對(duì)稱性。如果相位變化不是通過(guò)透射的透鏡而且通過(guò)反射光具引起，優(yōu)選在值得一提的傾 翻時(shí)考慮這個(gè)修正，以便不產(chǎn)生圖形誤差。對(duì)于多點(diǎn)元件(具有η個(gè)面的一般屋背棱鏡)可以如下計(jì)算修正根據(jù)點(diǎn)在射線 坐標(biāo)系中的所期望的取向Phi (其中在χ軸的方向上顯示phi = 0)使一個(gè)面的小的屋背棱 角δ在z-y平面中偏轉(zhuǎn)90度的情況下變?yōu)榈溅?=6/2*叫汁(1+((08( 1^))2)，其中6是 所期望的、射線相對(duì)于射線軸的小發(fā)散角并且面取向在投影到偏轉(zhuǎn)鏡坐標(biāo)系上的角度下選 擇psi = arctan(tan(phi)*sqrt(2))。其中psi = 0與phi = 0重合。對(duì)于其它的偏轉(zhuǎn)角 2 θ能夠類似地求得修正。旋渦鏡的優(yōu)點(diǎn)是，即使在傾翻偏轉(zhuǎn)時(shí)所述效應(yīng)也一階地導(dǎo)致方位角線性上升的相 位螺旋。傾翻的大小同時(shí)影響線性相位斜度的大小的變化。此外已經(jīng)經(jīng)驗(yàn)地觀察到焦點(diǎn)中的非對(duì)稱性，其原因可能是高階的圖形誤 差。在此優(yōu)選通過(guò)使方位斜度適配于非線性斜度來(lái)實(shí)現(xiàn)像場(chǎng)修正因此在90度偏 轉(zhuǎn)時(shí)輪廓不遵循f(z) = h*psi/(2*Pi)，h =階躍高度，該階躍高度適配于偏轉(zhuǎn)角 2Θ (h = N*X/(2*C0S(e))，N為整數(shù)，λ為所使用的波長(zhǎng))，而是遵循F(Z) = h/ (2*Pi)*arctan(tan (psi)/sqrt (2))。這類似地相當(dāng)于圓形輪廓橢圓形地適配于傾翻的偏轉(zhuǎn)平面。所有上述修正也可以簡(jiǎn)單地轉(zhuǎn)用到不同于90度的其它偏轉(zhuǎn)角上。優(yōu)選地也可以，代替具有唯一分級(jí)的旋渦鏡而規(guī)定，將相位斜度用參數(shù)N定義的 旋渦結(jié)構(gòu)分成N個(gè)段，這些段分別包含更小的高度級(jí)h/N。也可以設(shè)置另一整數(shù)數(shù)量的分 級(jí)，使所有分級(jí)的總高度相當(dāng)于所述唯一分級(jí)的總高度h。這在加工角度看是有利的。優(yōu)選 在一個(gè)位置上產(chǎn)生分級(jí)，該位置通過(guò)要產(chǎn)生的射線的持久相位的連接條件給出在角位置 Phi上或者在鏡面上的投影psi中(它在所生成的相位的情況下正好相當(dāng)于2*Pi的整數(shù) 倍)可以實(shí)現(xiàn)j*2*Pi的高度階躍(j =整數(shù))，不會(huì)由此干擾相位或射線。因此，可能的階 躍位置 psi_i 對(duì)于這些分級(jí)在 psi_i = arctan (tan (i*2*Pi/N+phiO) /cos ( θ ))處，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顯環(huán)形的焦點(diǎn)焦散面的激光射線。該激光射線優(yōu) 選可以以高的射線質(zhì)量一直傳播到透鏡附近，然后通過(guò)光學(xué)元件轉(zhuǎn)換成具有可調(diào)整到適當(dāng) 大的焦點(diǎn)直徑的環(huán)形激光射線，該激光射線具有環(huán)形強(qiáng)度分布。通過(guò)發(fā)散射線的傳播可以碰到光學(xué)元件的邊緣區(qū)域，因此存在損失。在此焦點(diǎn)直 徑也改變。因此優(yōu)選將用于將該激光射線轉(zhuǎn)換成具有環(huán)形強(qiáng)度分布的激光射線的光具設(shè)置 在聚焦光具附近。由此可以使良好質(zhì)量的射線(例如通過(guò)伸縮修正)傳播到切割頭并且在 那里才發(fā)生轉(zhuǎn)換，其方式是，例如通過(guò)旋渦幾何特征使TEMOn*中的η提高。由此也增加直 徑并且降低射線質(zhì)量。對(duì)于纖維激光器，可以將該結(jié)構(gòu)組合在纖維端部上或者后置的聚焦 光具中，例如作為聚焦光具中的(拋光的)板或透鏡。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中所述反射光具包括金屬鏡、尤其是銅鏡。 通過(guò)金屬鏡能夠使CO2激光射線也偏轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)換。特別優(yōu)選該鏡由銅制成。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中所述光學(xué)元件具有旋渦結(jié)構(gòu)。該旋渦結(jié)構(gòu)也可以優(yōu)選組 合到聚焦光具中。旋渦結(jié)構(gòu)或漩渦透鏡沿著傳播方向并由此也在焦點(diǎn)中產(chǎn)生螺旋形相位變化曲線。 因此在焦點(diǎn)中心存在零區(qū)并由此存在環(huán)模式。因此，旋渦透鏡可以提供優(yōu)選< Imm的環(huán)直 徑。通過(guò)漩渦鏡產(chǎn)生的射線情況基本上與高斯-拉蓋爾模式TEMOn*—樣。在此模式TEMOn* 類似于高斯_拉蓋爾模式TEMOn地表示，該模式TEMOn與一相同的、但是扭轉(zhuǎn)的TEMOn模式 這樣疊加，使得產(chǎn)生在中心具有零位的環(huán)。這些模式也在焦點(diǎn)焦散面以外形狀不變地傳播， 使得沿著傳播方向在大的區(qū)域上也保持環(huán)形強(qiáng)度分布。盡管隨著η增加射線質(zhì)量下降，徑 向分布、即(徑向)環(huán)寬度與環(huán)直徑的商Q同樣減小，該即環(huán)“更清晰”。因此通過(guò)具有旋渦結(jié)構(gòu)的反射鏡可以使激光射線轉(zhuǎn)換成具有旋渦焦散面的射線。 通過(guò)旋渦鏡優(yōu)選使激光射線在諧振器外部轉(zhuǎn)換成環(huán)結(jié)構(gòu)。由此能夠使相對(duì)緊湊的射線以小 的發(fā)散一直傳播到透鏡附近，在那里通過(guò)漩渦鏡反射并且由此轉(zhuǎn)換成具有環(huán)結(jié)構(gòu)的激光射 線。在那里，盡管給出了大的透鏡照明，還是產(chǎn)生適當(dāng)大的焦點(diǎn)直徑。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中可以調(diào)整射線直徑，特別優(yōu)選可以調(diào)整到0.6mm到 1. 5mm。完全特別優(yōu)選調(diào)整模式階TEMOn或在旋渦結(jié)構(gòu)情況下模式階TEMOn*，其方式是，選 擇模式階n，尤其是η > 1，特別優(yōu)選11 > 2，特別優(yōu)選11 > 3。在通過(guò)旋渦幾何形狀產(chǎn)生時(shí)， 該模數(shù)優(yōu)選通過(guò)旋渦幾何形狀的η-λ相位斜度產(chǎn)生。對(duì)于不同的模式階η就可以實(shí)現(xiàn)不 同的射線直徑，例如對(duì)于η = 4約0. 6mm至0. 9mm,對(duì)于η = 6約0. 8mm至1. 2mm并且對(duì)于 η = 8 約 Imm 至 1. 5mm。通過(guò)環(huán)焦點(diǎn)的可調(diào)整性還能夠以有利的方式在焊接過(guò)程期間有針對(duì)性地控制熔 化過(guò)程。在此例如可以產(chǎn)生熔池，在熔池中，熔化的熔液具有更低的動(dòng)能并由此避免熔液噴 濺出來(lái)。優(yōu)選也可以對(duì)于不同的激光焊接應(yīng)用選擇不同的直徑。特別也優(yōu)選地規(guī)定，激光 射線在焦點(diǎn)中的強(qiáng)度是可以變化的，尤其與所選擇的直徑無(wú)關(guān)。由此在不同的焊接應(yīng)用中 展現(xiàn)這樣的可能性所期望的能量通過(guò)預(yù)定的、由環(huán)結(jié)構(gòu)的直徑描述的面積施加到工件上。通過(guò)約0. 6mm至1. 5mm的焦點(diǎn)例如有利地能夠焊接有縫隙的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)經(jīng)常 具有大于3%板厚的縫隙并且具有大于5mm的板厚。通過(guò)所述形式的焦點(diǎn)可以使這些工件 在I型接頭中熔化，不會(huì)使激光射線穿過(guò)縫隙傳播或者由于略微失調(diào)而只在邊緣區(qū)域熔化工件。 本發(fā)明的任務(wù)也通過(guò)一種用于利用激光射線(100')加工工件(20)的方法得以 實(shí)現(xiàn)，包括以下步驟產(chǎn)生沿著激光射線(100')的焦散面區(qū)域具有環(huán)形強(qiáng)度分布的激光 射線(100')，其中，該環(huán)形強(qiáng)度分布在沿著該射線(100')的傳播方向的焦散面最小直徑 區(qū)域中在與該射線(100')的傳播方向垂直的平面中具有根據(jù)二階矩法確定的射線半徑 (SR)并且具有在徑向上在最大強(qiáng)度的50%強(qiáng)度時(shí)確定的環(huán)寬度(RB)，其中環(huán)寬度(RB)與 射線半徑(SR)的商(Q)小于0.6，優(yōu)選小于0.5，特別優(yōu)選小于0.4。以此方式可以通過(guò)選擇所述商如上所述地產(chǎn)生具有環(huán)形強(qiáng)度分布的激光射線并 且用這個(gè)轉(zhuǎn)換后的激光射線加工工件。優(yōu)選使激光射線(100')聚焦在加工區(qū)域上，在此優(yōu)選環(huán)寬度與射線半徑的商在 這個(gè)焦點(diǎn)區(qū)域中保持。然后優(yōu)選通過(guò)具有環(huán)形強(qiáng)度分布的激光射線進(jìn)行工件(20)的加工。特別優(yōu)選通過(guò)選擇環(huán)模式TEMOn的模式階進(jìn)行所述商的調(diào)整，其中η > 1，優(yōu)選η > 2，特別優(yōu)選11 > 3，特別優(yōu)選11 > 5。特別優(yōu)選地通過(guò)使用在諧振器外部具有旋渦幾何形 狀η-λ相位斜度的旋渦幾何形狀來(lái)進(jìn)行所述商的調(diào)整。由此優(yōu)選在諧振器外部調(diào)整模式 階η，在此根據(jù)本發(fā)明利用所述商。特別優(yōu)選將兩個(gè)工件焊接在一起。兩個(gè)工件可以搭接或?qū)拥卦O(shè)置。能夠產(chǎn)生對(duì) 接焊縫、搭接焊縫或角焊縫。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中通過(guò)3至8、優(yōu)選6的模式階η執(zhí)行鍍鋅車身板或鋁的搭 接焊接。由此產(chǎn)生的煙 效應(yīng)能夠使在縫隙中產(chǎn)生的鋅蒸汽或鋁蒸汽逸出而不噴出熔液。 優(yōu)選通過(guò)激光射線加工具有高蒸發(fā)率材料的第一工件(20. 1)和/或第二工件(20. 2)，該激 光射線具有小于0. 6、優(yōu)選小于0. 5、優(yōu)選小于0. 4、優(yōu)選小于0. 39、優(yōu)選小于0. 37、特別優(yōu)選 小于0. 35的所述商。這相當(dāng)于于調(diào)整到3至8、尤其6的模式階。高蒸發(fā)率材料是一種材料，對(duì)于該材料，在加熱時(shí)可以部分蒸發(fā)并由此離開(kāi)熔液。 這種材料的例子是有色金屬，即具有不同合金成份的金屬，鍍鋅板、鋁覆層板、鋁板、鋁合金 板或一般覆層的板或具有用這些成份覆層的表面的材料。以此方式通過(guò)優(yōu)化空間焦點(diǎn)結(jié)構(gòu)提供一種用于在CO2激光焊接具有高蒸發(fā)率的材 料(尤其是有色金屬如鋁合金或鍍鋅板)時(shí)提高工藝效率、工藝穩(wěn)定性和焊縫質(zhì)量的方法。 在此特別優(yōu)選激光射線具有沿著整個(gè)焦點(diǎn)焦散面的環(huán)形強(qiáng)度分布。對(duì)于具有高蒸發(fā)率的材料的焊接加工通過(guò)使用環(huán)形轉(zhuǎn)換的CO2激光射線(其環(huán)直 徑和其在環(huán)中存在的峰值強(qiáng)度優(yōu)選可以相互獨(dú)立地調(diào)整)改善工藝效率、工藝穩(wěn)定性和焊 縫質(zhì)量。通過(guò)蒸發(fā)毛細(xì)管的優(yōu)選與方向無(wú)關(guān)的、對(duì)稱的橫截面擴(kuò)大(尤其也在焦點(diǎn)下面) 能夠?qū)崿F(xiàn)蒸發(fā)毛細(xì)管的適配于工藝的擴(kuò)展。這優(yōu)選借助在保持盡可能大的強(qiáng)度值的條件下 與所使用的聚焦光具的焦距無(wú)關(guān)地可調(diào)節(jié)的環(huán)直徑進(jìn)行。這可以優(yōu)選通過(guò)使用短焦距的聚 焦光具實(shí)現(xiàn)。由此改善輸入耦合效率、工藝穩(wěn)定性以及焊縫質(zhì)量。在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中通過(guò)3至4的模式階η以I型對(duì)接來(lái)焊接拼接板 (Tailored Blanks) 0由此提高輸入耦合效率并改善縫隙可跨接性。在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中，即使在大于2mm的大焊入深度情況下通過(guò)4至6 的模式階η產(chǎn)生寬的焊縫。由此即使在大于2mm的大焊接深度中也能產(chǎn)生寬于Imm的很寬的焊縫，與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的簡(jiǎn)單焦點(diǎn)相比不會(huì)顯著增加焊入深度。通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)的到目前為止的方法不能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，因?yàn)檫@些方法只作用于表面上。在此優(yōu)選將第一工件(20.1) 與第二工件(20. 2)以深焊方法相互焊接并且所述激光射線(100')具有小于0. 6、優(yōu)選小 于0. 5、優(yōu)選小于0. 4、優(yōu)選小于0. 37、優(yōu)選小于0. 36的商。這一點(diǎn)優(yōu)選通過(guò)相干的相位調(diào)制引起并且使激光射線的初始均勻的強(qiáng)度分布轉(zhuǎn) 換成環(huán)形強(qiáng)度分布，該強(qiáng)度分布尤其也環(huán)形地傳播通過(guò)焦點(diǎn)焦散面。通過(guò)優(yōu)選可選地、環(huán)形地?cái)U(kuò)大焦點(diǎn)直徑，有針對(duì)性地控制小孔中的局部能量轉(zhuǎn)移 在環(huán)中峰值強(qiáng)度高的同時(shí)大的環(huán)直徑在激光射線侵入深度小的情況下已經(jīng)導(dǎo)致大部分激 光射線能量在金屬熔液中被吸收。由此可以有針對(duì)性地控制并預(yù)定焊縫的深度_寬度比。以此方式可以在深焊時(shí)通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的方法確保遵守預(yù)定的焊縫比。由從小孔流出的金屬蒸汽(它們尤其是在通過(guò)CO2激光焊接時(shí)是典型的)引起的 屏蔽效應(yīng)通過(guò)環(huán)形射線形狀被最小化并且引起電離閾值減小。蒸發(fā)通道橫截面在整個(gè)焦點(diǎn) 焦散面上的對(duì)稱擴(kuò)大與蒸發(fā)通道直徑類似地使金屬蒸汽的流出速度減小。通過(guò)由此引起的 熔池中渦流減小，更少地出現(xiàn)由于隨后的氣孔夾雜或熔液濺出而封閉蒸發(fā)通道。在此，環(huán)形聚焦射線的作用在平面中(χ方向/y方向)優(yōu)選不顯示方向相關(guān)性并 且其特征尤其是當(dāng)在射線傳播方向上在散焦時(shí)具有對(duì)稱的焊接特性，因?yàn)檠刂鴤鞑シ较?在預(yù)定的區(qū)域上保持環(huán)結(jié)構(gòu)。因此，當(dāng)焊接當(dāng)激光加工噴嘴在工件上方移動(dòng)時(shí)在傳播方向 上具有變化的結(jié)構(gòu)時(shí)，在深焊時(shí)也能夠產(chǎn)生可靠的焊縫，激光加工頭無(wú)需在傳播方向上移 動(dòng)，因?yàn)樵趥鞑シ较虻囊粋€(gè)區(qū)域上保持該環(huán)結(jié)構(gòu)。通過(guò)相干的相位調(diào)制首次得到的、盡可能短的焦距(環(huán)中高峰值強(qiáng)度)與足夠大 的環(huán)直徑(da，di)相結(jié)合的可能性，使得通過(guò)該方法能夠同時(shí)一方面實(shí)現(xiàn)大的蒸發(fā)毛細(xì)管 直徑，另一方面實(shí)現(xiàn)高的工藝效率，因?yàn)榕c聚焦射線的環(huán)直徑無(wú)關(guān)地以盡可能高的強(qiáng)度主 要輻射蒸發(fā)通道的壁面，由此輻射熔液本身。借助于在輸出耦合鏡與聚焦元件之間的光程中的任意位置上在光程中進(jìn)行的相 干的相位調(diào)制可以使CO2激光射線的初始的、典型地均勻的強(qiáng)度分布(旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的TEM，高 斯分布)轉(zhuǎn)換成環(huán)形強(qiáng)度分布，該環(huán)形強(qiáng)度分布具有初始射線直徑與轉(zhuǎn)換后可測(cè)量的環(huán)直 徑之間的優(yōu)選可調(diào)整的比例。與到目前為止的用于形成射線的方法相反，在成像期間或之 后仍然保持環(huán)形強(qiáng)度分布。即，通過(guò)相干相位調(diào)制環(huán)形地轉(zhuǎn)換的射線的焦點(diǎn)焦散面優(yōu)選不 僅在焦點(diǎn)前面具有環(huán)形分布，而且尤其也在焦點(diǎn)本身中或其后面具有環(huán)形分布。在此，聚焦 的射線中的環(huán)直徑和峰值強(qiáng)度遵循對(duì)于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的TEM已知的規(guī)律。優(yōu)選使用環(huán)形轉(zhuǎn)換的CO2激光射線，其環(huán)直徑和其在環(huán)中存在的峰值強(qiáng)度優(yōu)選可 以相互獨(dú)立地調(diào)整，尤其優(yōu)選通過(guò)簡(jiǎn)單地更換加工點(diǎn)上的光學(xué)元件來(lái)調(diào)整。由此，對(duì)于在遵 守精確預(yù)給定的焊縫幾何特征(如深焊)方面具有高要求的焊接加工任務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)下面 示例性描述的方法優(yōu)點(diǎn)在通過(guò)CO2激光射線深焊時(shí)，有利地通過(guò)與方向無(wú)關(guān)地、對(duì)稱地?cái)U(kuò)大蒸發(fā)毛細(xì)管橫 截面(尤其也在焦點(diǎn)下面)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)焊縫幾何特征的有針對(duì)性的控制。在現(xiàn)有技術(shù)中通 過(guò)聚焦射線在深焊時(shí)斷面向下劇烈縮小，而通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的方法可以實(shí)現(xiàn)具有更寬的侵 透的斷面，在下面的區(qū)域中也形成熔池并從而形成焊縫。這一點(diǎn)尤其通過(guò)適配于工藝地?cái)U(kuò) 展蒸發(fā)毛細(xì)管(與所使用的聚焦光具的焦距無(wú)關(guān)地可調(diào)整的環(huán)直徑)和由此實(shí)現(xiàn)的有針對(duì)性地控制生成的焊縫形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)。由此也能夠有針對(duì)性地控制激光射線向熔液中的局部能
量傳輸。通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的方法例如可以通過(guò)使用優(yōu)選短焦距的聚焦光具來(lái)保持盡可能 大的強(qiáng)度值。由此改善輸入耦合效率、工藝穩(wěn)定性和焊縫質(zhì)量。由于激光射線焦點(diǎn)后面也具有環(huán)結(jié)構(gòu)或圓柱形結(jié)構(gòu)，能夠有針對(duì)性地或有選擇地 僅僅輻射蒸發(fā)毛細(xì)管壁(=熔液)。由此也使由于流出的金屬蒸汽引起的激光射線中心散 射損失最小化(在中心強(qiáng)度等于零)，其方式是，激光功率集中在激光射線的邊緣區(qū)域(= 環(huán))上。因?yàn)楝F(xiàn)在通過(guò)蒸發(fā)毛細(xì)管從熔池流出的金屬蒸汽的加熱也最小化，因此提高電離 閾值。這種改善的防止金屬蒸汽加熱到電離溫度在蒸發(fā)毛細(xì)管內(nèi)部已經(jīng)起作用，在那里由 工作氣體/保護(hù)氣體的冷卻作用不產(chǎn)生金屬蒸汽。由此也使由蒸發(fā)毛細(xì)管中或工件上面的 完全電離的金屬蒸汽完全封 閉蒸發(fā)毛細(xì)管的危險(xiǎn)最小化，由此也提高了電離閾值。通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的方法，在深焊時(shí)，通過(guò)伴隨蒸發(fā)通道橫截面增大而發(fā)生的蒸發(fā) 毛細(xì)管中金屬蒸汽流速減小，也減少了熔池中的渦流。因?yàn)榘凑毡景l(fā)明的方法金屬蒸汽在從蒸發(fā)通道中流出時(shí)具有更低的速度或更低 的動(dòng)能，因此改善了保護(hù)氣體作用。通過(guò)提高電離閾值也有利地降低了工藝成本，由此也可以代替具有最大冷卻作用 或電離能量的昂貴的氦氣而使用成本更有利的、具有中等冷卻作用或電離能量的氬氣。因?yàn)橐补?jié)省了其它的聚焦光具，在激光射線到達(dá)工件上起作用之前產(chǎn)生更少的功 率損失，由此也改善工藝穩(wěn)定性，因?yàn)橥ㄟ^(guò)節(jié)省光具也發(fā)生光具和夾緊裝置或構(gòu)件定位裝 置的更少的臟污率。在本發(fā)明的另一優(yōu)選的實(shí)施例中通過(guò)η為4至8、特別優(yōu)選η = 6的模式階以I型 對(duì)接焊接板厚大于5mm且大縫隙大于3%板厚的厚鋼板的縫隙跨度。由此提高輸入耦合效 率并改善彌隙性能。在造船、重型機(jī)械制造、容器制造中、在拼接板(Tailored Blanks)或殼體制造時(shí) 通過(guò)CO2激光射線對(duì)有縫隙的構(gòu)件進(jìn)行深焊。在這里除了深焊以外還需要能夠跨接縫隙， 這些縫隙在這些使用情況下出現(xiàn)，尤其是由于這些工件被并排地放置或者拼接并且此時(shí)仍 出現(xiàn)縫隙。這些縫隙可以具有大于3%板厚的尺寸。通過(guò)焦點(diǎn)直徑的優(yōu)選可選擇的、環(huán)形的擴(kuò)大，有針對(duì)性地控制小孔中的局部能量 轉(zhuǎn)移大的環(huán)直徑同時(shí)環(huán)中高的峰值強(qiáng)度在激光射線侵入深度小的情況下已經(jīng)導(dǎo)致大部分 激光射線能量被吸收到金屬熔液中。由此可以實(shí)現(xiàn)有針對(duì)性地熔化構(gòu)件棱邊，以產(chǎn)生足夠 大的熔池容積。優(yōu)選通過(guò)相干的相位調(diào)制給出了將盡可能短的焦距(環(huán)中高的峰值強(qiáng)度)與足夠 大的環(huán)直徑相結(jié)合的可能性，這種可能性使得通過(guò)這種方法能夠同時(shí)一方面實(shí)現(xiàn)大的蒸發(fā) 毛細(xì)管直徑，另一方面實(shí)現(xiàn)高的工藝效率，因?yàn)榕c聚焦射線的環(huán)直徑無(wú)關(guān)地總是以盡可能 高的強(qiáng)度只輻射蒸發(fā)通道的壁面，由此輻射熔液本身。除了已經(jīng)在深焊中描述的優(yōu)點(diǎn)以外，在通過(guò)CO2激光射線深焊有縫隙的構(gòu)件時(shí)還 可實(shí)現(xiàn)縫隙跨接的有針對(duì)性的優(yōu)化。通過(guò)有針對(duì)性地輻射拼接縫隙邊緣上的構(gòu)件表面產(chǎn)生足夠大的熔池容積。通過(guò)根 據(jù)本發(fā)明的方法，尤其也在焦點(diǎn)的下面可以實(shí)現(xiàn)聚焦激光射線的與方向無(wú)關(guān)的、對(duì)稱的橫截面擴(kuò)大。通過(guò)適配環(huán)結(jié)構(gòu)的直徑來(lái)適配于工藝地?cái)U(kuò)展激光射線，由此能夠有針對(duì)性地使 輻射的表面積適配于拼接縫隙的寬度。特別優(yōu)選能夠與所使用的聚焦光具的焦距無(wú)關(guān)地調(diào) 整環(huán)直徑。在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中，徑向環(huán)寬度(RB)與射線半徑(SR)的商(Q)在沿 著該射線(100')傳播方向的焦散面最小直徑區(qū)域的前面和后面在至少η倍于射線半徑 (SR)的區(qū)域上在偏差小于10%的情況下還繼續(xù)保持，其中η等于2，優(yōu)選等于5，尤其優(yōu)選 等于50。通過(guò)沿著射線傳播方向的焦散面最小直徑區(qū)域中的這種“焦深”可以對(duì)于各種焊 接應(yīng)用實(shí)現(xiàn)所述的效果。利用激光射線(100)加工工件(20)優(yōu)選包括焊接、切割、熔化、加熱、去除、標(biāo)記、 熱拼接或者其組合。在這里描述的優(yōu)點(diǎn)能夠轉(zhuǎn)用到各種不同的加工方法上，因?yàn)橥ㄟ^(guò)根據(jù)本發(fā)明的方 法或裝置提供了一種用于以激光射線加工的可能性，該激光射線在環(huán)中可能具有所確定的 強(qiáng)度分布。通過(guò)激光射線中心中的突出的強(qiáng)度最小和環(huán)邊緣區(qū)域中的集中可以在切割或焊 接時(shí)和在其它應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)在熔液動(dòng)態(tài)形成方面的優(yōu)點(diǎn)。 優(yōu)選在根據(jù)本發(fā)明的方法中使用氬氣、N2, CO2或其組合作為保護(hù)氣體。特別優(yōu)選通過(guò)反射光具傳導(dǎo)激光射線，即，例如通過(guò)金屬鏡或銅鏡。由此優(yōu)選在 諧振器外部產(chǎn)生激光射線，該激光射線具有沿著激光射線的焦點(diǎn)焦散面區(qū)域的環(huán)形強(qiáng)度分 布，即，在激光射線傳播方向的一個(gè)區(qū)域上在焦點(diǎn)中具有環(huán)形焦點(diǎn)。由此，通過(guò)相干的相位 調(diào)制使激光射線的初始均勻的強(qiáng)度分布優(yōu)選轉(zhuǎn)換成環(huán)形強(qiáng)度分布，該環(huán)形強(qiáng)度分布尤其也 環(huán)形地傳播通過(guò)焦點(diǎn)焦散面。在此優(yōu)選產(chǎn)生具有拉蓋爾環(huán)模式的激光射線。特別優(yōu)選在反 射光具上將射線轉(zhuǎn)換成在傳播方向上的旋渦結(jié)構(gòu)，由此使激光射線沿著傳播方向在寬的焦 點(diǎn)區(qū)域上具有環(huán)結(jié)構(gòu)，并且由此激光射線在傳播方向上具有圍繞傳播方向的圓柱形強(qiáng)度分 布。通過(guò)使用旋渦鏡可以幾乎任意長(zhǎng)地實(shí)現(xiàn)這個(gè)區(qū)域。特別優(yōu)選具有環(huán)形焦點(diǎn)的激光射線的直徑是可調(diào)整的。尤其優(yōu)選射線直徑以及環(huán) 寬度可以調(diào)整。這種根據(jù)本發(fā)明的方法優(yōu)選也用于在通過(guò)CO2激光射線拼接小厚度的板時(shí)優(yōu)化焊 縫幾何特征和工藝效率。通過(guò)作為沿著整個(gè)焦點(diǎn)焦散面的環(huán)形強(qiáng)度分布來(lái)優(yōu)化空間焦點(diǎn)結(jié) 構(gòu)而能夠焊接薄板，激光射線不會(huì)穿透薄板或者由于熔液中的動(dòng)能而導(dǎo)致濺出和焊縫表面 焊道中的不均勻性。通過(guò)焦點(diǎn)直徑的可選的、環(huán)形的擴(kuò)大，有針對(duì)性地控制激光射線到所產(chǎn)生的金屬 熔液中的局部能量轉(zhuǎn)移在環(huán)中峰值強(qiáng)度高的同時(shí)大的環(huán)直徑在激光射線侵入深度小的情 況下已經(jīng)導(dǎo)致大部分激光射線能量被吸收到金屬熔液中，由此可以有針對(duì)性地控制焊縫的 深度-寬度比。由此也可以對(duì)于薄板實(shí)現(xiàn)寬焊縫，這些焊縫不會(huì)穿過(guò)薄板導(dǎo)致穿通。通過(guò)相干相位調(diào)制給出的將盡可能短的焦距(環(huán)中高的峰值強(qiáng)度)與足夠大的環(huán) 直徑相結(jié)合的可能性，使得通過(guò)這種方法能夠同時(shí)一方面實(shí)現(xiàn)達(dá)到幾毫米寬的金屬熔化， 另一方面實(shí)現(xiàn)高的工藝效率，因?yàn)榕c聚焦射線的環(huán)直徑無(wú)關(guān)地通過(guò)以盡可能高的強(qiáng)度輻射 工件來(lái)產(chǎn)生環(huán)形的蒸發(fā)通道，在該蒸發(fā)通道中最大部分的激光射線通過(guò)多次反射被吸收。 本方法尤其也能夠以最大的工藝效率產(chǎn)生焊縫幾何特征，這些焊縫幾何特征通過(guò)到目前為止的射線成形方法只能在效率損失顯著的情況下實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵诘侥壳盀橹沟默F(xiàn)有技術(shù)中在導(dǎo)熱焊接時(shí)以非常散焦的射線工作。為了通過(guò)CO2激光射線拼接小厚度的板，根據(jù)本發(fā)明可以使用環(huán)形轉(zhuǎn)換的CO2激光 射線，該CO2激光射線的環(huán)直徑和在環(huán)中存在的峰值強(qiáng)度優(yōu)選相互獨(dú)立地并且通過(guò)簡(jiǎn)單地 更換加工點(diǎn)上的光學(xué)元件來(lái)調(diào)整。以此方式能夠在通過(guò)CO2激光射線拼接小厚度的板時(shí)有 針對(duì)性地控制焊縫幾何特征，因?yàn)檎舭l(fā)毛細(xì)管的與方向無(wú)關(guān)的、對(duì)稱的橫截面擴(kuò)大尤其也 在焦點(diǎn)下面起作用。由此，尤其通過(guò)與所使用的聚焦光具的焦距無(wú)關(guān)地可調(diào)整的環(huán)直徑，在 保持盡可能大的強(qiáng)度值的條件下，尤其優(yōu)選通過(guò)使用短焦距的聚焦光具，可以實(shí)現(xiàn)適配于 工藝地并由此適配于幾何特征地加寬熔化，并且由此實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的輸入耦合效率、工藝穩(wěn)定 性以及焊縫質(zhì)量。通過(guò)有針對(duì)性地、有選擇地僅輻射環(huán)形的蒸發(fā)毛細(xì)管可以使能量在寬的范圍中引 入到工件中。由此能夠有針對(duì)性地控制激光射線向熔液中的局部能量傳輸。通過(guò)有針對(duì)性 地將激光功率集中到激光射線的邊緣區(qū)域上、即到環(huán)形幾何形狀上使熔液或激光射線的中 心的透射損失最小化。通過(guò)使熔池在射線中心只最小程度地被加熱，可以提高電離閾值。以 此方式，通過(guò)射線中心的熔液的低溫和高粘滯度，防止熔液流動(dòng)或滴下來(lái)。因?yàn)橹恍杓す馍渚€的最小侵入深度來(lái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)的焊縫，因此減少了熔池中的渦 流。這一點(diǎn)通過(guò)熔液的大寬度和隨之而來(lái)的、進(jìn)入基材中的最小導(dǎo)熱損失得到支持。


在附圖中示出其它的有利構(gòu)型。附圖示出圖Ia根據(jù)本發(fā)明的用于激光焊接的裝置的實(shí)施例的示意圖，圖Ib根據(jù)圖IA的根據(jù)本發(fā)明用于激光焊接的裝置帶有聚焦光具的的實(shí)施例示意 圖，圖2a_b根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的轉(zhuǎn)換后的激光射線的三維視圖以及用于解釋環(huán)寬度 的確定的曲線圖，圖3在根據(jù)本發(fā)明的用于深焊方法的實(shí)施例中焊接過(guò)程的視圖，圖4在根據(jù)本發(fā)明的用于有縫隙的深焊方法的實(shí)施例中焊接過(guò)程的視圖，圖5在根據(jù)本發(fā)明的用于搭接焊接方法的實(shí)施例中焊接過(guò)程的視圖。
具體實(shí)施例方式在圖Ia中示出根據(jù)本發(fā)明的用于激光加工的裝置的實(shí)施例示意圖。激光器10具 有發(fā)射高斯形斷面的激光射線100。該激光射線100通過(guò)旋渦鏡30傳導(dǎo)并通過(guò)該旋渦鏡 轉(zhuǎn)換成激光射線100'。轉(zhuǎn)換后的激光射線100'具有符合旋渦結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分布，即，改型 后的激光射線100'在垂直于傳播方向的平面中在傳播方向的整個(gè)區(qū)域上具有環(huán)形強(qiáng)度分 布。改型后的激光射線100'在虛線ST的高度上具有沿著改型后的激光射線(100')的 傳播方向的最小射線直徑，即所謂射線腰。在這個(gè)區(qū)域中適用根據(jù)本發(fā)明的、環(huán)寬度與射線 直徑或射線半徑之間的比例。根據(jù)圖Ia的布置還不包括聚焦光具。在圖Ib中示出增補(bǔ)了聚焦光具60的圖Ia所示示意圖。該改型后的激光射線 100'現(xiàn)在通過(guò)聚焦光具60傳導(dǎo)到工件20上。這個(gè)聚焦的、改型后的激光射線100'通過(guò)激光加工噴嘴50對(duì)準(zhǔn)或聚焦到工件20上。在工件20內(nèi)部在改型后的激光射線100'的焦 點(diǎn)中，該改型后的激光射線100'同樣具有環(huán)形強(qiáng)度分布。因此該環(huán)形強(qiáng)度分布在焦點(diǎn)前面 存在，并且在穿過(guò)焦點(diǎn)后也在焦點(diǎn)后面存在。在焦點(diǎn)區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的、環(huán)半徑與射 線半徑之間的比例。現(xiàn)在通過(guò)激光加工噴嘴優(yōu)選也可以在朝向工件20的方向上施加支持 加工過(guò)程的保護(hù)氣體或工作氣體?，F(xiàn)在，在運(yùn)行中可以通過(guò)激光器10發(fā)射激光射線100，其中這個(gè)激光射線在其能 量上保持恒定，或者根據(jù)使用情況可以變化。通過(guò)選擇旋渦鏡30或者使用多個(gè)旋渦鏡30 可以預(yù)選改型后的激光射線100'的光程或環(huán)焦點(diǎn)直徑。由此能夠在不同的加工應(yīng)用之間 或者在運(yùn)行所使用的加工方法的過(guò)程中改變改型后的激光射線100'的焦點(diǎn)中的環(huán)焦點(diǎn)直 徑以及其強(qiáng)度。圖2a是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的、轉(zhuǎn)換后的激光射線的三維視圖，圖2b示出用于解釋 環(huán)寬度的確定的曲線圖。在圖2a中示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的轉(zhuǎn)換的激光射線三維視圖，其中以在垂直于 激光射線傳播方 向的平面中在焦點(diǎn)中具有環(huán)形焦點(diǎn)的強(qiáng)度分布示出改型后的激光射線 100'的環(huán)形強(qiáng)度分布。該強(qiáng)度分布示出圓形的最大強(qiáng)度，該強(qiáng)度向著中心點(diǎn)減小并且在那 里具有零位。該強(qiáng)度從中心點(diǎn)向外同樣減小。在圖2b中以垂直剖面示出圖2a的改型后的激光射線100'的強(qiáng)度分布。中心點(diǎn) 位于X軸的零點(diǎn)上。在X軸上標(biāo)出長(zhǎng)度單位，該長(zhǎng)度單位直接與徑向上到中心點(diǎn)的距離成 比例。在y軸上標(biāo)出相應(yīng)徑向點(diǎn)上的強(qiáng)度。在X軸上的值2的高度上圍繞最大值得到高斯 形強(qiáng)度分布。未示出在χ軸負(fù)方向上的第二強(qiáng)度分布，在那里在χ值_2處是相應(yīng)的強(qiáng)度最 大值。所示的強(qiáng)度分布可以理解為是圍繞y軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的。與χ軸平行地示出三個(gè)強(qiáng)度水平并且以10%、50%和100%= Imax表示。這里 涉及這些水平，在這些水平上強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到最大強(qiáng)度的相應(yīng)分?jǐn)?shù)。現(xiàn)在，10%水平和50% 水平的交點(diǎn)給出χ值ri和ra，它們被作為內(nèi)半徑或外半徑用于確定環(huán)寬度RB。10%處 的值得出10%環(huán)寬度RB10%，50%處的值則得出50%環(huán)寬度RB50%。因此RB50% = ra(50% )-ri(50% )0對(duì)于50%環(huán)寬度讀出約0· 8[長(zhǎng)度單位]的值。優(yōu)選按照二階矩法確定射線半徑并且在這里未示出。在這種非常對(duì)稱的情況下可 以簡(jiǎn)化地引用強(qiáng)度最大值作為射線半徑，由此得到約2[長(zhǎng)度單位]的射線半徑。因此結(jié)果得到50%環(huán)寬度與射線半徑的商約0. 8/2 = 0. 4。在此對(duì)于旋渦鏡通過(guò)旋渦斜度確定環(huán)寬度與射線半徑的比例，而通過(guò)旋渦斜度和 聚焦光具焦距和透鏡的照明(Ausleuchtimg)確定射線直徑。對(duì)于旋渦鏡，焦點(diǎn)在焦點(diǎn)區(qū)域 中具有只少量變化的直徑和寬度。對(duì)于在旋渦鏡的斜度增加時(shí)由此產(chǎn)生的射線，環(huán)寬度與 射線半徑的比例隨著旋渦鏡斜度的增加而減小。以這種方式能夠預(yù)調(diào)整環(huán)寬度與射線半徑 的比例。在圖3中示出根據(jù)本發(fā)明的用于深焊方法的實(shí)施例的焊接過(guò)程的視圖。改型后 的、具有環(huán)形強(qiáng)度分布的激光射線100'對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)在對(duì)接地定向的工件20. 1和20. 2之間的 區(qū)域。在此，該改型后的激光射線100'以其環(huán)形焦點(diǎn)在兩側(cè)對(duì)稱地覆蓋對(duì)接區(qū)域。在此示 出在焊縫區(qū)域中起作用的改型后的激光射線100'的橫截面。通過(guò)該激光射線100'通過(guò) 熔化工件20. 1的邊緣區(qū)域和工件20. 2的邊緣區(qū)域產(chǎn)生熔池，該熔池在其幾何大小上用虛線表示。這樣產(chǎn)生的小孔在上部區(qū)域中并且很大程度地在下部區(qū)域中具有相同的直徑。與 常見(jiàn)的深焊方法不同，小孔的直徑不隨著侵入深度減小，因?yàn)橥ㄟ^(guò)形成的環(huán)焦點(diǎn)使小孔的 邊緣區(qū)域熔化并由此可以直到小孔的下部區(qū)域保持該環(huán)形焦點(diǎn)寬度。以此方式直到深處也 以相應(yīng)的寬度實(shí)現(xiàn)該熔化區(qū)域，這提高了焊縫的品質(zhì)。此外，通過(guò)在熔化的區(qū)域中均勻分布 的熔液減少熔池中的動(dòng)態(tài)并由此也提高了焊縫質(zhì)量。由于較低的動(dòng)態(tài)，在凝固時(shí)在熔液表 面上形成更少裂紋。以此方式通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的方法，在使用具有環(huán)形焦點(diǎn)的激光射線的 條件下在深焊時(shí)即使在深處也能夠形成最佳的焊縫。在圖4中與圖3類似地示出在根據(jù)本發(fā)明的、用于有縫隙的深焊方法的實(shí)施例中 的焊接過(guò)程視圖。在此，在工件20. 1與20. 2之間構(gòu)成具有寬度S的縫隙。改型后的具有 環(huán)形強(qiáng)度分布的激光射線100'具有外徑da，該外徑比縫隙S更寬。在焊接過(guò)程中環(huán)焦點(diǎn) 現(xiàn)在作用在工件20. 1和20. 2的邊緣區(qū)域上并且熔化這些邊緣區(qū)域，同時(shí)形成熔池，該溶池 以虛線示出。以此方式即使對(duì)于工件20. 1與20. 2之間的有縫隙的焊縫，熔池也在縫隙上 上流到一起，而不會(huì)產(chǎn)生缺口。在使用改型后的環(huán)形激光射線100'時(shí)輸入耦合效率還是非 常高的，因?yàn)檫吘墔^(qū)域通過(guò)環(huán)焦點(diǎn)原始地熔化并在熔池中流到一起。以此方式有利地也能 夠以深焊方法焊接有縫隙的結(jié)構(gòu)。在根據(jù)圖4的深焊方法中如根據(jù)圖3 —樣，轉(zhuǎn)換后的激 光射線100'的略微失調(diào)無(wú)損于工件20. 1與20. 2之間的拼接縫隙，因?yàn)榧词乖诟男秃蟮?激光射線100'略微向左或向右錯(cuò)置時(shí)，由于寬度da，相鄰工件20. 1或20. 2的邊緣區(qū)域總 還在寬的部分上被環(huán)形焦點(diǎn)觸及并由此熔化。在常規(guī)的聚焦激光射線中這種失調(diào)快速地導(dǎo) 致僅一個(gè)工件熔化并由此不再能形成焊縫。
在圖5中示出在根據(jù)本發(fā)明的用于搭頭焊接方法的實(shí)施例中焊接區(qū)域的視圖。改 型后的激光射線100'對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)搭接地安置的工件20. 1和20. 2。因?yàn)榧す馍渚€具有相對(duì) 大的寬度da，所以輸入能量可以在寬的面積上或?qū)挼目p上引入到工件20. 1和20. 2的材料 中。以此方式能夠減小熔化區(qū)域中的動(dòng)態(tài)并且由此與常規(guī)的方法相比改進(jìn)所形成的焊縫的 上部焊道。通過(guò)在更寬的面積上輸入能量也能夠避免可能的穿透，通過(guò)聚焦的高斯射線可 能產(chǎn)生穿透。附圖標(biāo)記清單10 激光器尤其是CO2激光器11 諧振器20 工件30 光學(xué)元件35 商調(diào)整裝置50 激光加工噴嘴60 聚焦光具100 激光射線100'轉(zhuǎn)換的激光射線
權(quán)利要求
一種用于激光加工的裝置，包括具有諧振器(11)的激光器(10)，該諧振器被裝備用于產(chǎn)生具有預(yù)定的焦散面的激光射線(100)，該裝置還包括光學(xué)元件(30)，該光學(xué)元件用于將所述激光射線(100)轉(zhuǎn)換成射線(100′)，該射線(100′)具有沿著該激光射線(100′)的焦散面區(qū)域的環(huán)形強(qiáng)度分布，其中，該環(huán)形強(qiáng)度分布在沿著該射線(100′)傳播方向的焦散面最小直徑區(qū)域中在與該射線(100′)的傳播方向垂直的平面中具有按照二階矩法確定的射線半徑(SR)和在徑向上在強(qiáng)度為50％最大強(qiáng)度時(shí)確定的環(huán)寬度(RB)，其特征在于，環(huán)寬度(RB)與射線半徑(SR)的商(Q)小于0.6，優(yōu)選小于0.5。
2.如權(quán)利要求1所述的用于激光加工的裝置，其中，徑向環(huán)寬度(RB)與射線半徑(SR) 的商(Q)在沿著該射線(100')傳播方向的焦散面最小直徑區(qū)域的前面和后面在至少n倍 于瑞利長(zhǎng)度(zR)的區(qū)域上在偏差小于10%的情況下繼續(xù)保持，其中n等于5，優(yōu)選等于10， 尤其優(yōu)選等于50。
3.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用于激光加工的裝置，其中，所述沿著傳播方向的 焦散面最小直徑區(qū)域是通過(guò)聚焦光具(60)產(chǎn)生的焦點(diǎn)。
4.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用于激光加工的裝置，其中，所述光學(xué)元件(30)具 有商調(diào)整裝置(35)，用于調(diào)整徑向環(huán)寬度(RB)與射線半徑(SR)的商(Q)。
5.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用于激光加工的裝置，其中，所述光學(xué)元件(30)設(shè) 置在諧振器(11)外部。
6.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用于激光加工的裝置，其中，所述射線半徑(SR)的 值是可調(diào)整的。
7.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用于激光加工的裝置，其中，所述光學(xué)元件(30)是 反射光具并且該反射光具具有用于修正成像誤差的幾何特征。
8.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用于激光加工的裝置，其中，所述光學(xué)元件包括金 屬鏡、尤其是銅鏡。
9.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用于激光加工的裝置，其中，所述光學(xué)元件具有旋 渦結(jié)構(gòu)。
10.一種用于借助激光射線(100')加工工件(20)的方法，包括以下步驟產(chǎn)生激光射線(100')，該激光射線具有沿著該激光射線(100')焦散面區(qū)域的環(huán)形強(qiáng)度分布，其中，該環(huán)形強(qiáng)度分布在沿著該射線(100')傳播方向的焦散面最小直徑區(qū)域 中在與該射線(100')的傳播方向垂直的平面中具有按照二階矩法確定的射線半徑(SR) 和在徑向上在強(qiáng)度為50%最大強(qiáng)度時(shí)確定的環(huán)寬度(RB)，其中，環(huán)寬度(RB)與射線半徑 (SR)的商(Q)小于0.6，優(yōu)選小于0.5。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述徑向環(huán)寬度(RB)與射線半徑(SR)的商(Q) 在沿著該射線(100')傳播方向的焦散面最小直徑區(qū)域的前面和后面在至少n倍于瑞利長(zhǎng) 度(zR)的區(qū)域上在偏差小于10%的情況下繼續(xù)保持，其中n等于5，優(yōu)選等于10，尤其優(yōu)選 等于50。
12.如權(quán)利要求10或11所述的方法，其中，所述借助激光射線(100)的工件(20)加工 包括焊接、切割、熔化、加熱、去除、標(biāo)記、熱拼接或者它們的組合。
13.如權(quán)利要求10至12中任一項(xiàng)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線(100')具有小于0.6、優(yōu)選小于0.5、特別優(yōu)選小于0.4的商。
14.如權(quán)利要求10至12中任一項(xiàng)所述的方法，其中，第一工件(20.1)和/或第二工 件(20.2)具有由高蒸發(fā)率的材料制成的覆層表面，其中，所述激光射線(100')具有小于 0. 6、優(yōu)選小于0. 5、特別優(yōu)選小于0. 4的商。
15.如權(quán)利要求10至12中任一項(xiàng)所述的方法，其中，第一工件(20.1)和/或第二工件 (20.2)由鋁或鋁合金制成，其中，所述激光射線(100')具有小于0.6、優(yōu)選小于0.5、特別 優(yōu)選小于0.4的商。
16.如權(quán)利要求10至15中任一項(xiàng)所述的方法，其中，使用氬氣、N2,C02或它們的組合 作為保護(hù)氣體。
全文摘要
一種用于激光加工的裝置，包括具有諧振器(11)的激光器(10)，該諧振器被裝備用于產(chǎn)生具有預(yù)定的焦散面的激光射線(100)，該裝置還包括光學(xué)元件(30)，該光學(xué)元件用于將所述激光射線(100)轉(zhuǎn)換成射線(100′)，該射線具有沿著該激光射線(100′)的焦散面區(qū)域的環(huán)形強(qiáng)度分布，其中，該環(huán)形強(qiáng)度分布在沿著該射線(100′)傳播方向的焦散面最小直徑區(qū)域中在與該射線(100′)的傳播方向垂直的平面中具有按照二階矩法確定的射線半徑(SR)和在徑向上在強(qiáng)度為50％最大強(qiáng)度時(shí)確定的環(huán)寬度(RB)，其中，環(huán)寬度(RB)與射線半徑(SR)的商(Q)小于0.6，優(yōu)選小于0.5。
文檔編號(hào)B23K26/06GK101868321SQ200880117561
公開(kāi)日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2008年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月24日
發(fā)明者H·澤費(fèi)里, J·舒爾茨, M·貝亞 申請(qǐng)人:通快激光與系統(tǒng)工程有限公司