UND VERWENDUNGEN SOLCHER SCHWEISSOPTIK

Die Erfindung betrifft eine Schweißoptik für einen Laserstrahl zum Laserschwei ßen von Werkstücken, umfassend - eine Quelle für einen Ausgangslaserstrahl,

- eine Kollimationseinrichtung zum Kollimieren eines an der Kollimationseinrich- tung einfallenden Laserstrahls,

- eine Fokussiereinrichtung zum Fokussieren eines an der Fokussiereinrichtung einfallenden Laserstrahls in Richtung auf ein zu schweißendes Werkstück, - und eine verstellbare Strahlumformungseinrichtung, mit der ein an der

Strahlumformungseinrichtung einfallender Laserstrahl in einen umgeformten La serstrahl umgeformt werden kann, wobei der umgeformte Laserstrahl je nach Verstellung der Strahlumformungseinrichtung einen Strahl oder mehrere Teil strahlen umfassen kann, und entsprechend ein oder mehrere Laserspots am zu schweißenden Werkstück erzeugbar sind, insbesondere wobei die Strahlformungseinrichtung im Strahlengang des Laser strahls zwischen der Kollimationseinrichtung und der Fokussiereinrichtung ange ordnet ist.

Eine solche Schweißoptik ist aus der DE 10 2016 124 924 Al bekannt geworden.

Schweißen ist ein Fügeverfahren, mit dem zwei Werkstücke dauerhaft miteinan der verbunden werden können. Laserschweißen wird meist eingesetzt, wenn mit hoher Schweißgeschwindigkeit, schmaler und schlanker Schweißnahtform und mit geringem thermischem Verzug geschweißt werden soll. Beim Laserschweißen erfolgt die Energiezufuhr über einen Laserstrahl.

Je nach Schweißsituation, die insbesondere durch das oder die zu fügenden Werkstückmaterialien und die Werkstückgeometrien bestimmt wird, kann für ein optimales Schweißergebnis eine unterschiedliche Verfahrensführung des Laser schweißens vorteilhaft sein. Beispielsweise kann es in bestimmten Schweißsitua tionen vorteilhaft sein, den Laserstrahl umzuformen und auf mehrere Teilstrahlen aufzuteilen, so dass auf die Werkstückoberfläche mehrere Laserspots (zum Bei spiel zwei oder vier Laserspots) einwirken; oftmals gibt es dabei auch einen opti malen Abstand der Laserspots. In anderen Schweißsituationen kann es hingegen vorteilhaft sein, nur einen einzigen Laserspot einzusetzen.

In der Regel ist eine Laserschweißmaschine, und insbesondere die in der Laser schweißmaschine enthaltene Schweißoptik, mit der der Laserstrahl auf die Werk stücke gerichtet wird, für eine bestimmte Schweißsituation bzw. Schweißaufgabe eingerichtet. Falls sich die Schweißaufgabe ändert, insbesondere andere Werk stücke (d.h. Werkstücktypen) miteinander verschweißt werden sollen, wird die Laserschweißmaschine umgerüstet, wobei Bauteile an der Schweißoptik oder auch die Schweißoptik insgesamt ausgetauscht werden. Dies ist apparativ und zeitlich aufwändig.

Aus der DE 10 2016 124 924 Al ist eine Laserschweißvorrichtung bekannt ge worden, die zum Verschweißen einer Dichtungsplatte auf einem Gehäusekörper einer Batterie eingesetzt werden kann, wobei der Gehäusekörper und die Dich tungsplatte aus Aluminium bestehen. Ein kollimierter Laserstrahl wird über eine Umformeinrichtung geleitet, die ein diffraktives optisches Element (DOE) mit ei ner Öffnung umfasst. Mit dem DOE kann ein einfallender Laserstrahl auf mehrere Teilstrahlen aufgeteilt werden, beispielsweise auf vier Teilstrahlen, die gemäß den Ecken eines Quadrats angeordnet sind. Das DOE ist gegenüber dem Laser strahl verfahrbar. Je nach Überlapp des kollimierten Laserstrahls mit dem DOE oder seiner Öffnung wird ein Teil des kollimierten Laserstrahls mit dem DOE auf die Teilstrahlen aufgeteilt, oder bleibt beim Passieren der Öffnung unverformt. Mit dieser Laserschweißvorrichtung ist es möglich, die Anzahl der Teilstrahlen ab zuändern. Jedoch ist der Aufspaltung in die Teilstrahlen bzw. der Abstand der zu gehörigen Laserspots auf den Werkstücken durch das DOE festgelegt. Zudem gibt das DOE fest vor, wie viele Teilstrahlen aus dem auf das DOE entfallenden Laserstrahl gebildet werden.

Aus der DE 10 2010 003 750 Al ist es bekannt, die Strahl profilcharakteristik ei nes Laserstrahls mittels einer Mehrfachclad-Faser zu verändern. Hierbei kann ein Laserstrahl mit einem Kernanteil und einem Ringanteil erzeugt werden.

Aufgabe der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schweißoptik vorzustellen, mit der auf einfache Weise eine flexible Strahlformung erfolgen kann, und insbesondere eine Anzahl und ein Abstand von erzeugten Laserspots flexibel eingestellt werden kann.

Beschreibung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schweißoptik der ein gangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Strahlumformungseinrichtung wenigstens eine Strahlaufteilungsbau gruppe umfasst, wobei eine jede Strahlaufteilungsbaugruppe aufweist:

- ein Zylinderlinsenpaar, umfassend zwei Zylinderlinsen mit gegengleicher Brenn weite und zueinander parallelen optischen Ebenen, wobei die Zylinderlinsen bezüglich einer optischen Achse der Schweißoptik hin tereinander angeordnet sind, wobei die beiden Zylinderlinsen des Zylinderlinsenpaars bezüglich einer gemein samen Brechungsrichtung, die senkrecht zu den optischen Ebenen ist, auf zumin dest einer Seite gekrümmt verlaufen und bezüglich einer gemeinsamen Nichtbre chungsrichtung, die parallel zu den optischen Ebenen verläuft, translationsinvari ant verlaufen, und wobei die Brechungsrichtung und die Nichtbrechungsrichtung senkrecht zur optischen Achse der Schweißoptik verlaufen,

- und eine Spotabstands-Verstelleinrichtung, mit der die zwei Zylinderlinsen des Zylinderlinsenpaars bezüglich der Brechungsrichtung relativ zueinander verscho ben werden können.

Die Erfindung sieht vor, in den Strahlengang des Laserstrahls, der mit der Schweißoptik auf die zu verschweißenden Werkstücke gerichtet wird, ein oder mehrere Strahlaufteilungsbaugruppen anzuordnen. Eine jeweilige Strahlauftei lungsbaugruppe umfasst ein Zylinderlinsenpaar mit gegengleichen Brennweiten, das mit einem Teil des Strahlquerschnitts des Laserstrahls überlappt, und mit ei nem anderen Teil des Strahlquerschnitts nicht überlappt. Die optischen Ebenen der Zylinderlinsen sind parallel zu einer optischen Achse der Schweißoptik und parallel zueinander ausgerichtet.

In einer Grundposition der Zylinderlinsen des Zylinderlinsenpaars, in welcher de ren optische Ebenen zusammenfallen, heben sich die Wirkungen der beiden Zy linderlinsen gegenseitig auf, und der am Zylinderlinsenpaar einfallende Laser strahl (bzw. dessen mit dem Zylinderlinsenpaar überlappende Anteil) bleibt un verändert und insbesondere unabgelenkt.

Werden jedoch in der gemeinsamen Brechungsrichtung, entlang derer die Zylin derlinsen des Zylinderlinsenpaars jeweils gekrümmt verlaufen, die Zylinderlinsen mit der Spotabstands-Verstelleinrichtung gegeneinander verschoben, so entfer nen sich die optischen Ebenen der Zylinderlinsen voneinander. Der am Zylinder linsenpaar einfallende Laserstrahl (bzw. dessen mit den Zylinderlinsenpaar über lappende Anteil) wird in einer solchen Auslenkungsposition durch das Zylinderlin senpaar quer zur optischen Achse der Schweißoptik abgelenkt (d.h. von der opti schen Achse der Schweißoptik weg verschwenkt). Der Strahlanteil des Laser strahls, der mit dem Zylinderlinsenpaar überlappt, bildet dadurch hinter der Fo kussiereinrichtung einen Laserspot aus, der verschoben ist gegenüber einem (unabgelenkten) Laserspot, der aus dem mit dem Zylinderlinsenpaar nicht über lappenden Strahlanteil resultiert. Die gegenseitige Verschiebung der Laserspots ist proportional zur gegenseitigen Verschiebung der Zylinderlinsen in der gemein samen Brechungsrichtung. Man beachte, dass bei Verstellung der Spotabstände mit der Spotabstands-Ver- stelleinrichtung im Rahmen der Erfindung sich die Gestalt (insbesondere die Größe) der Laserspots nicht ändert, anders als dies bei Änderung des Abbil dungsverhältnisses der Fall wäre. Entsprechend können im Rahmen der Erfin dung auch Überlappungen von Laserspots flexibel eingestellt werden.

Erfindungsgemäß können mit einer jeweiligen Strahlaufteilungsbaugruppe aus ei nem einfallenden Laserstrahl je nach Verstellposition ein Strahl oder zwei Teil strahlen mit erzeugt werden, wobei ein Abstand der Teilstrahlen über die Ver schiebungsweite der Zylinderlinsen gegeneinander einstellbar ist. Durch Hinterei nanderschaltung von mehrerer Strahlaufteilungsbaugruppen kann die Zahl der erzeugbaren Teilstrahlen erhöht (vervielfacht) werden; mit zwei Strahlauftei lungsbaugruppen kann beispielsweise eine flexible Einstellung einer Anzahl von 1, 2 oder 4 Laserspots erfolgen, mit paarweiter Einstellmöglichkeit der Spotab stände.

Entsprechend kann mit der erfindungsmäßen Schweißoptik bzw. deren Strahlum formungseinrichtung, die ein oder mehrere Strahlaufteilungsbaugruppen auf weist, eine sehr flexible Umformung des Laserstrahls erfolgen. Eine Anpassung der Schweißoptik an eine zur Abarbeitung anstehende Schweißsituation ist leicht möglich.

Die Verfahrensführung des Laserschweißens kann im Rahmen der Erfindung für eine gewählte Schweißsituation, insbesondere die Werkstückmaterialien und Werkstückgeometrien, optimal angepasst werden, so dass eine hohe Schweiß qualität und Effizienz des Schweißprozesses bzw. der zugehörigen Laserschweiß maschine erreichbar ist, insbesondere mit wenig Schweißspritzern und/oder we nig Schweißfehlern (insbesondere Poren) und/oder hoher Prozesssicherheit und/oder guter Mediendichtigkeit der Schweißnaht und/oder hoher Schweißge schwindigkeit. Die Anpassung der Schweißoptik kann dabei über jeweilige Spot- abstands-Verstelleinrichtungen besonders einfach erfolgen, insbesondere ohne dass Bauteile der Schweißoptik ausgetauscht werden müssten. Zudem ist es möglich, die Verfahrensführung (insbesondere die Anzahl der Laserspots und/der die Abstände der Laserspots) auch während einer laufenden Laserschweißbear beitung von Werkstücken, die zusammengeschweißt werden (also während des Abfahrens der zu schweißenden Schweißkontur), abzuändern. Beispielsweise kann dann in bestimmten kritischen Bereichen entlang der zu schweißenden Schweißkontur, z. B. in Kurven, die Zahl der Laserspots geändert oder der Spot abstand verändert werden.

Die eine oder die mehreren Strahlaufteilungsbaugruppen werden bevorzugt zwi schen der Kollimationseinrichtung und der Fokussiereinrichtung (also im kolli- mierten Laserstrahl) angeordnet; alternativ kann beispielsweise auch eine Anord nung kurz vor der Kollimationseinrichtung oder kurz hinter der Fokussiereinrich tung erfolgen. Die Spotabstands-Verstelleinrichtung ist typischerweise automati siert motorisch verstellbar, bevorzugt über einen Regelkreis. Die Verschweißung von Werkstücken mit der erfindungsgemäßen Schweißoptik kann insbesondere im Stumpfstoß oder im Überlappstoß erfolgen. Dabei sind Verschweißungen als Einschweißung oder Durchschweißung möglich. Das Verschweißen erfolgt typi scherweise im Tiefschweißregime.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schweißoptik ist vorgesehen, dass Strahlumformungseinrichtung zwei Strahlaufteilungsbaugrup pen umfasst, und dass die Brechungsrichtungen der beiden Zylinderlinsenpaare der zwei Strahlaufteilungsbaugruppen zueinander gekreuzt verlaufen. Durch die Hinterei nanderschaltung von zwei Strahlaufteilungsbaugruppen mit gekreuzten Bre chungsrichtungen gemäß der Erfindung kann flexibel zwischen 1, 2 oder 4 Laser spots zur Bearbeitung der Werkstücke gewählt werden, und die Spotabstände können paarweise in flexibler Weise und voneinander unabhängig eingestellt werden. Bei einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform kreuzen sich die Brechungsrichtungen der beiden Strahlaufteilungsbaugruppen unter einem Win kel von 90°. Dadurch können rechteckige, und insbesondere auch quadratische, Anordnungen der Laserspots eingerichtet werden, die in der Praxis häufig ge wünscht sind. Quadratische Anordnungen weisen eine besonders geringe Rich tungsabhängigkeit des Schweißprozesses auf.

Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform, die vorsieht, dass für ein jeweili ges Zylinderlinsenpaar gilt, dass die beiden Zylinderlinsen so angeordnet sind, dass sie mit einem Teil des Strahlquerschnitts des Laserstrahls, insbesondere kollimierten Laserstrahls, überlappen können, und mit einem weiteren Teil des Strahlquerschnitts des Laserstrahls, insbesondere kollimierten Laserstrahls, nicht überlappen können. Dadurch wird erreicht, dass ein Teil des Laserstrahls mit dem Zylinderlinsenpaar (abhängig von der Verstellposition) abgelenkt werden kann, und ein Teil des Laserstrahls durch das Zylinderlinsenpaar (unabhängig von der Verstellposition) nicht abgelenkt wird. Auf diese Weise wird die Auftei lung auf zwei Teilstrahlen grundsätzlich ermöglicht. Die Platzierung des Zylinder linsenpaars im kollimierten Laserstrahl ermöglicht eine besonders einfache und präzise Strahlformung.

Vorteilhaft ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der bei einer jeweiligen Strahlaufteilungsbaugruppe die Spotabstands-Verstelleinrichtung zumindest fol gende Verstellpositionen einnehmen kann:

- eine Grundposition, in der die optischen Ebenen der Zylinderlinsen des Zylin derlinsenpaars zusammenfallen, und

- eine Auslenkungsposition, in der die optischen Ebenen der Zylinderlinsen des Zylinderpaares bezüglich der Brechungsrichtung zueinander versetzt angeordnet sind. In der Grundposition erfolgt in Summe durch die Zylinderlinsen des Zylin derlinsenpaars keine Veränderung des Laserstrahls (bzw. des Strahlanteils, der auf das Zylinderlinsenpaar entfällt); das Zylinderlinsenpaar wird für den Laser strahl unsichtbar bzw. hat nahezu keine optische Wirkung auf den Laserstrahl. Entsprechend kann durch die Grundposition eine Aufteilung in Teilstrahlen abge- wählt werden. Es bleibt bei einem Strahl, da die Strahlanteile durch das Zylinder linsenpaar und am Zylinderlinsenpaar in gleicher Weise propagieren. In der Aus lenkungsposition hingegen erfolgt eine Ablenkung des auf das Zylinderlinsenpaar entfallenden Anteils des Laserstrahls, wodurch eine Aufteilung des Laserstrahls auf zwei Teilstrahlen angewählt werden kann. Die Strahlanteile durch das Zylin derlinsenpaar und am Zylinderlinsenpaar vorbei propagieren unterschiedlich.

Besonders bevorzugt ist eine Weiterbildung dieser Ausführungsform, bei der die Spotabstands-Verstelleinrichtung mehrere unterschiedliche Auslenkungspositio nen einnehmen kann, in der die optischen Ebenen der Zylinderlinsen bezüglich der Brechungsrichtung unterschiedlich weit zueinander versetzt angeordnet sind, insbesondere wobei in einem Verstellbereich unterschiedliche Verstellpositionen der Spotabstands-Verstelleinrichtung kontinuierlich eingestellt werden können. Entsprechend können mehrere unterschiedliche Spotabstände der Laserspots eingestellt werden. Mit einem kontinuierlichen Verstellbereich können Laserspot abstände kontinuierlich eingestellt werden. Dadurch ist die Schweißoptik beson ders flexibel einsetzbar.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine jede Strahlaufteilungsbaugruppe weiterhin aufweist:

- eine Spotintensitäts-Verstelleinrichtung, mit der die zwei Zylinderlinsen des Zy linderlinsenpaars bezüglich der Nichtbrechungsrichtung verschoben werden kön nen, insbesondere gemeinsam verschoben werden können. Durch Verschiebung des Zylinderlinsenpaars bezüglich der Nichtbrechungsrichtung kann auf einfache Weise der Anteil des Strahlquerschnitts des Laserstrahls, der mit dem Zylinder linsenpaar überlappt, im Verhältnis zu dem Anteil des Strahlquerschnitts, der nicht mit dem Zylinderlinsenpaar überlappt, verändert werden. Dadurch kann eine Verteilung der Energie des (Ausgangs-)Laserstrahls auf einen mittels des Zylinderlinsenpaars verschobenen Strahlanteil („verschobene(r) Laserspot(s)") und einen mittels des Zylinderlinsenpaars nicht beeinflussten Strahlanteils („un- verschobene(r) Laserspot(s)") flexibel ausgewählt werden, was in entsprechen den Intensitäten der Laserspots resultiert. Die Spotintensitäts-Verstelleinrichtung ist typischerweise automatisiert motorisch verstellbar.

Vorteilhaft ist eine Weiterbildung dieser Ausführungsform, bei der bei einer je weiligen Strahlaufteilungsbaugruppe die beiden Zylinderlinsen auf einem gemein samen Schlitten angeordnet sind, wobei der gemeinsame Schlitten mittels der Spotintensitäts-Verstelleinrichtung an der Schweißoptik bezüglich der Nichtbre chungsrichtung verfahrbar ist, und wobei eine der Zylinderlinsen mittels der Spo- tabstands-Verstelleinrichtung auf dem gemeinsamen Schlitten bezüglich der Bre chungsrichtung verfahrbar ist. Der gemeinsame Schlitten ermöglicht auf einfache Weise ein gemeinsames Verfahren der beiden Zylinderlinsen. Spotabstände und Intensitätsverteilung können unabhängig voneinander und mit geringem Auf wand eingestellt werden.

Bei einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schweißoptik ist vor gesehen, dass die Quelle für den Ausgangslaserstrahl durch ein Faserende eines Lichtleitkabels gebildet wird, und dass eine Faserende-Verschiebevorrichtung vorhanden ist, mit der das Faserende transversal zur Kollimationseinrichtung (bzw. zur optischen Achse der Schweißoptik) verschiebbar ist. Durch die Faser- ende-Verschiebevorrichtung kann, alternativ oder zusätzlich zu einer Spotintensi- täts-Verstelleinrichtung, der Anteil des Strahlquerschnitts des Laserstrahls, der mit einem jeweiligen Zylinderlinsenpaar überlappt, im Verhältnis zu dem Anteil des Strahlquerschnitts, der nicht mit dem Zylinderlinsenpaar überlappt, verän dert werden und dadurch die Intensität der Laserspots verändert werden. Die Fa- serende-Verschiebevorrichtung kann in eine Fasersteckerhalterung integriert sein. In der Regel ist der eingerichtete Verfahrweg des Faserendes relativ klein, so dass die möglichen Änderungen der Intensitäten der Laserspots durch eine Faserverschiebung vergleichsweise gering sind; jedoch können die Intensitäten der Laserspots sehr präzise justiert werden.

Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der die Quelle für den Aus gangslaserstrahl ein Faserende einer Multifaser ist, aus dem der Ausgangslaser strahl als vorgeformter Laserstrahl mit einem Kernanteil und einem Ringanteil austreten kann, insbesondere wobei die Multifaser eine 2-in-l-Faser ist, aus deren Faserende der Ausgangslaserstrahl austreten kann. Der verformte Laserstrahl mit Kernanteil und Ringanteil (wobei im Kernanteil in der Regel eine deutlich größere mittlere Leistungsdichte herrscht als im Ringanteil, meist um wenigstens einen Faktor 4) kann in vielen Schweißsituationen dazu beitragen, ein ruhiges Schmelzbad zu er halten, und die Schweißqualität zu verbessern. Man beachte, dass auch der oder die am Werkstück eingesetzten Laserspots dann einen entsprechenden Kernan teil und Ringanteil aufweisen. Durch Verschiebung von Laserspots im Rahmen der Erfindung können die Laserspots, und insbesondere die Ringanteile, flexibel positioniert und aneinander angenähert werden, und falls gewünscht einander berührend oder einander überlappend angeordnet werden. Die Multifaser besitzt eine Kernfaser und wenigstens eine Ringfaser, die die Kernfaser ringförmig umgibt, im Falle der 2-in-l-Faser genau eine Ringfaser. Aus der Kernfaser resul tiert der Kernanteil, und aus der Ringfaser oder den mehreren Ringfasern insge samt resultiert der Ringanteil.

Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der die Kollimationseinrich tung wenigstens eine, bevorzugt genau eine, Kollimationslinse umfasst. Dies ist einfach einzurichten und hat sich in der Praxis bewährt.

Ebenfalls bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Fokussiereinrichtung wenigstens eine, bevorzugt genau eine, Fokussierlinse umfasst. Dies ist ebenfalls einfach einzurichten und hat sich in der Praxis bewährt.

In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch die Verwendung einer oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Schweißoptik, die dadurch gekennzeichnet ist, dass in die Schweißoptik ein Ausgangslaserstrahl eingespeist wird, mit der Schweißoptik ein umgeformter Laserstrahl in Richtung auf ein Werkstück fokus siert wird, und der umgeformte Laserstrahl eine Schweißkontur am Werkstück abfährt, und dass während des Abfahrens der Schweißkontur bei wenigstens einer Strahl aufteilungsbaugruppe die Verstellposition der Spotabstands-Verstelleinrichtung verstellt wird. Dadurch kann beim Abfahren einer Schweißkontur (die der zu fer tigenden Schweißnaht entspricht) an kritischen Stellen, zum Beispiel wo enge Radien durchlaufen werden müssen, die Verfahrensführung (d.h. die Umformung des Laserstrahls) angepasst werden, um den Schweißprozess zu optimieren. Bei spielsweise kann in Kurven der Spotabstand im Vergleich zu geraden Abschnitten der Schweißkontur verringert werden. Es ist auch möglich, beim Abfahren der Schweißkontur die Verfahrensführung (insbesondere die Einstellung der Spotab stände und ggf. die Spotanzahl) in einem Regelkreis nachzuführen.

Vorteilhaft ist auch eine Variante der obigen erfindungsgemäßen Verwendung, die vorsieht, dass eine jede Strahlaufteilungsbaugruppe weiterhin aufweist:

- eine Spotintensitäts-Verstelleinrichtung, mit der die zwei Zylinderlinsen des Zy linderlinsenpaars bezüglich der Nichtbrechungsrichtung verschoben werden kön nen, insbesondere gemeinsam verschoben werden können, und dass während des Abfahrens der Schweißkontur bei wenigstens einer Strahlaufteilungsbau gruppe die Verstellposition der Spotintensitäts-Verstelleinrichtung verstellt wird. Dadurch kann beim Abfahren der Schweißkontur die Verfahrensführung weiter verfeinert und optimiert werden. Beispielsweise kann in Kurven die Intensität in (bezüglich der lokalen Vorschubrichtung/Schweißrichtung) vorauslaufenden La serspots verringert und nachlaufenden Laserspots erhöht werden, im Vergleich zu geraden Abschnitten der Schweißkontur.

In einer weiteren Variante ist vorgesehen, dass die Quelle für den Ausgangsla serstrahl durch ein Faserende eines Lichtleitkabels gebildet wird, dass eine Faser- ende-Verschiebevorrichtung vorhanden ist, mit der das Faserende transversal zur Kollimationseinrichtung (bzw. zur optischen Achse der Schweißoptik) verschieb bar ist, und dass während des Abfahrens der Schweißkontur die Position des Fa serendes verschoben wird. Dadurch kann ebenfalls beim Abfahren der Schweiß kontur die Verfahrensführung weiter verfeinert und optimiert werden. Über eine transversale Verschiebung des Faserendes kann der Strahlquerschnitt des Laser strahls relativ zu den zwei Zylinderlinsen eines jeweiligen Zylinderlinsenpaares verschoben werden und dadurch die Intensität der Laserspots verändert werden.

Ebenso in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt die Verwendung einer oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Schweißoptik, die dadurch gekenn zeichnet ist, dass mit der Schweißoptik verschiedene Werkstücke nacheinander geschweißt werden, wobei jeweils in die Schweißoptik ein Ausgangslaserstrahl eingespeist wird, mit der Schweißoptik ein umgeformter Laserstrahl in Richtung auf ein Werkstück fokussiert wird, und der umgeformte Laserstrahl eine Schweißkontur am Werkstück abfährt, und dass zwischen dem Schweißen der verschiedenen Werkstücke die Verstellpo sition der Spotabstands-Verstelleinrichtung verstellt wird. Durch das Verstellen der Spotabstands-Verstelleinrichtung kann die Verfahrensführung mit geringem Aufwand an verschiedene Werkstücke (d.h. verschiedene Sätze von zu ver schweißenden Werkstücken), insbesondere deren unterschiedliche Materialien und/oder unterschiedliche Werkstückgeometrien beim Verschweißen, angepasst werden und dadurch der Schweißprozess bei einem Typenwechsel von zu ver schweißenden Werkstücken optimiert werden. Insbesondere kann bei einem Ty penwechsel die Anzahl der eingesetzten Laserspots verändert und/oder ein Spot abstand verändert werden. Man beachte, dass falls gleiche Werkstücke (d.h. glei che Sätze von zu verschweißenden Werkstücken) nacheinander verschweißt wer den, in der Regel keine Änderung der Verstellposition erfolgt, wenn die Werkstü cke gewechselt werden.

Vorteilhaft ist eine Variante der obigen erfindungsgemäßen Verwendung, die vor sieht, dass eine jede Strahlaufteilungsbaugruppe weiterhin aufweist:

- eine Spotintensitäts-Verstelleinrichtung, mit der die zwei Zylinderlinsen des Zy linderlinsenpaars bezüglich der Nichtbrechungsrichtung verschoben werden kön nen, insbesondere gemeinsam verschoben werden können, und dass zwischen dem Schweißen der verschiedenen Werkstücke die Verstellposition der Spotin- tensitäts-Verstelleinrichtung verstellt wird. Dadurch kann bei einem Typenwech sel der zu verschweißenden Werkstücke der Schweißprozess noch feiner ange passt und weiter optimiert werden. In einer anderen Variante ist vorgesehen, dass die Quelle für den Ausgangslaser strahl durch ein Faserende eines Lichtleitkabels gebildet wird, dass eine Faser- ende-Verschiebevorrichtung vorhanden ist, mit der das Faserende transversal zur Kollimationseinrichtung (bzw. zur optischen Achse der Schweißoptik) verschieb bar ist, und dass zwischen dem Schweißen der verschiedenen Werkstücke die Po sition des Faserendes verschoben wird. Dadurch kann ebenfalls bei einem Typen wechsel der zu verschweißenden Werkstücke der Schweißprozess noch feiner an gepasst und weiter optimiert werden. Über eine transversale Verschiebung des Faserendes kann der Strahlquerschnitt des Laserstrahls relativ zu den zwei Zylin derlinsen eines jeweiligen Zylinderlinsenpaares verschoben werden und dadurch die Intensität der Laserspots verändert werden.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeich- nung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführ ten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in be liebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, son dern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungs beispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine beispielhafte Aus führungsform einer erfindungsgemäßen Schweißoptik mit einer Strahlumformungseinrichtung umfassend eine Strahlaufteilungsbau gruppe;

Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Schweißoptik aus Fig. 1 um 90° um die optische Achse gedreht;

Fig. 3 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine beispielhafte Aus führungsform einer erfindungsgemäßen Schweißoptik mit einer Strahlumformungseinrichtung umfassend zwei Strahlaufteilungsbau gruppen;

Fig. 4 zeigt die erfindungsgemäße Schweißoptik aus Fig. 3 um 90° um die optische Achse gedreht;

Fig. 5 erläutert schematisch die Regelung der Leistungsverteilung der La serspots mit der erfindungsgemäßen Schweißoptik aus Fig. 3;

Fig. 6a zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften 2-in-l-Fa- ser für die Erfindung im Querschnitt, wie sie als Lichtleitkabel und Quelle für den Ausgangslaserstrahl für die Schweißoptik in den Figu ren 1-4 verwendet werden kann;

Fig. 6b zeigt eine schematische Darstellung eines Ausgangslaserstrahls im Querschnitt, wie er durch die beispielhafte 2-in-l-Faser aus Fig. 6a erzeugt werden kann, mit Kernanteil und Ringanteil; Fig. 7a zeigt beispielhaft für die Ausführungsform der Figuren 1 und 2 in ei ner schematischen Aufsicht auf eine Oberfläche eines Werkstücks zwei Laserspots eines umgeformten Laserstrahls, jeweils mit Kern anteil und Ringanteil;

Fig. 7b zeigt beispielhaft für die Ausführungsform der Figuren 3 und 4 in ei ner schematischen Aufsicht auf eine Oberfläche eines Werkstücks vier Laserspots eines umgeformten Laserstrahls, jeweils mit Kernan teil und Ringanteil;

Fig. 8a zeigt ein experimentelles Bild eines einzelnen durch eine erfindungs gemäße Schweißoptik ähnlich wie in Fig. 3 erzeugten Laserspots;

Fig. 8b zeigt ein experimentelles Bild zweier durch eine erfindungsgemäße Schweißoptik ähnlich wie in Fig. 3 erzeugter Laserspots;

Fig. 8c zeigt ein experimentelles Bild zweier durch eine erfindungsgemäße Schweißoptik ähnlich wie in Fig. 3 erzeugter Laserspots, die weiter auseinanderliegen als in Fig. 8b;

Fig. 9a zeigt ein experimentelles Bild von vier durch die erfindungsgemäße Schweißoptik von Fig. 3 erzeugten Laserspots, jeweils mit Kernanteil und Ringanteil, in rechteckiger Formation; Fig. 9b zeigt ein experimentelles Bild von vier durch die erfindungsgemäße Schweißoptik von Fig. 3 erzeugten Laserspots, jeweils mit Kernanteil und Ringanteil, in quadratischer Formation.

Die Fig. 1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine beispielhafte Ausfüh rungsform einer erfindungsgemäßen Schweißoptik 1 mit einer Strahlumfor mungseinrichtung 2 umfassend eine Strahlaufteilungsbaugruppe 3. Das Koordi natensystem ist so gewählt, dass die x-Achse nach oben, die y-Achse aus der Zeichenebene heraus und die z-Achse nach rechts zeigt. Eine optische Achse OA der Schweißoptik 1 erstreckt sich in Richtung der z-Achse.

Die Schweißoptik 1 umfasst eine Quelle 5 für einen Ausgangslaserstrahl 6, wobei die Quelle 5 hier durch ein Faserende 7 eines Lichtleitkabels 4 gebildet wird. In der hier gezeigten Form ist als Lichtleitkabel 4 eine Multifaser 4a, genauer eine 2-in-l-Faser 4b (siehe hierzu Fig. 6a), gewählt. Alternativ und hier nicht gezeigt kann als Lichtleitkabel 4 auch eine einfache Faser gewählt werden. Der Aus gangslaserstrahl 6 tritt hier als ein vorgeformter Laserstrahl 8 aus dem Faser- ende 7 der Multifaser 4a aus, wobei der vorgeformte Laserstrahl 8 einen Kernan teil und einen Ringanteil aufweist (siehe hierzu Fig. 6b).

Das Faserende 7 liegt im Fokus einer Kollimationseinrichtung 9, hier einer Kolli mationslinse 9a. In einer hier nicht gezeigten Ausführungsform kann die Kollima- tionseinrichtung 9 auch mehrere Fokuslinsen 9a umfassen. Der vorgeformte La serstrahl 8 wird als ein einfallender Laserstrahl 10a an der Kollimationslinse 9a kollimiert und als ein kollimierter Laserstrahl 11 weitergeführt. Der kollimierte Laserstrahl 11 trifft als ein einfallender Laserstrahl 10b auf die verstellbare Strahlumformungseinrichtung 2.

Die Strahlumformungseinrichtung 2 ist hier mit lediglich einer Strahlaufteilungs baugruppe 3 ausgebildet. Die Strahlaufteilungsgruppe 3 weist ein Zylinderlinsen paar 12 auf, welches zwei Zylinderlinsen 13 mit Brennweiten ± f _zyi umfasst. Eine erste Zylinderlinse 13a mit der Brennweite +f _zyi weist auf einer Seite (Vorder- Seite) eine konvex gekrümmte Oberfläche 14a auf; die andere Seite (Rückseite) ist hier eben ausgebildet. Eine zweite Zylinderlinse 13b mit der Brennweite -f _zyi weist auf einer Seite (Rückseite) eine konkav gekrümmte Oberfläche 14b auf; die andere Seite (Vorderseite) ist hier eben ausgebildet. Die beiden Brennweiten besitzen den gleichen Betrag, aber ein umgekehrtes Vorzeichen. Die Zylinderlin- sen 13a, 13b weisen also eine gegengleiche Brennweite auf. Die optischen Ebe nen OEi, OE ₂ der Zylinderlinsen 13a, 13b (die hier senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 1 liegen) sind zueinander parallel. Eine gemeinsame Brechungsrichtung BR der Zylinderlinsen 13 verläuft hier in Richtung der x-Achse und somit senk- recht zu den optischen Ebenen OEi, OE2 und der optischen Achse OA. Die Zylin derlinsen 13 verlaufen in Brechungsrichtung BR gekrümmt. Eine gemeinsame Nichtbrechungsrichtung NBR der Zylinderlinsen 13 verläuft hier in Richtung der y-Achse und somit parallel zu den optischen Ebenen OEi, OE2 und senkrecht zu der optischen Achse OA. Die Zylinderlinsen 13 verlaufen in Nichtbrechungsrich tung NBR translationsinvariant (siehe hierzu auch Fig. 2). Die Zylinderlinsen 13 sind hintereinander bezüglich der optischen Achse OA angeordnet. In einer wei teren, nicht gezeigten Ausführungsform können die Zylinderlinsen 13a, 13b auch auf beiden Seiten eine gekrümmte Oberfläche aufweisen.

Die Strahlaufteilungsbaugruppe 3 weist weiterhin eine Spotabstands-Verstellein- richtung 15 und in der hier gezeigten Ausführungsform auch eine Spotintensi- täts-Verstelleinrichtung 16 auf. Die beiden Linsen 13a, 13b sind auf einem ge meinsamen Schlitten 17 angeordnet, wobei in der gezeigten Ausführungsform die erste Linse 13a auf dem gemeinsamen Schlitten 17 ortsfest angeordnet ist und die zweite Linse 13b mit der Spotabstands-Verstelleinrichtung 15 in x-Rich- tung verfahrbar ist. Die Spotabstands-Verstelleinrichtung 15 ist hierfür auf dem gemeinsamen Schlitten 17 angeordnet. Der gemeinsame Schlitten 17 (mitsamt der Linsen 13a, 13b) wiederum ist über die Spotintensitäts-Verstelleinrichtung 16 gegenüber der übrigen Schweißoptik 1 in y-Richtung verfahrbar (vgl. Fig. 2).

Über die Spotabstands-Verstelleinrichtung 15 können die zwei Zylinderlinsen 13 des Zylinderlinsenpaares 12 also bezüglich der Brechungsrichtung BR (hier x- Richtung) relativ zueinander verschoben werden, und über die Spotintensitäts- Verstelleinrichtung 16 können die zwei Zylinderlinsen 13 des Zylinderlinsenpaa- res 12 bezüglich der Nichtbrechungsrichtung NBR (hier y-Richtung) verschoben werden. In der hier gezeigten Ausführungsform werden die Zylinderlinsen 13 mit der Spotintensitäts-Verstelleinrichtung 16 gemeinsam verschoben. In einer hier nicht gezeigten Ausführungsform ist es auch möglich, dass die Zylinderlinsen 13a, 13b einzeln in y-Richtung verschoben werden können (wobei gleichwohl in der Regel gleiche Verschiebewege in y-Richtung angewandt werden).

In der in Fig. 1 gezeigten Situation nimmt die Spotabstands-Verstelleinrichtung 15 als Verstellposition eine Auslenkungsposition ein. Die zweite Zylinderlinse 13b wurde in x-Richtung um eine Länge Dc aus einer Grundposition, in der die opti schen Ebenen OEi und OE2 zusammenfallen, verschoben. Die optischen Ebenen OEi, OE2 der Zylinderlinsen 13a, 13b sind in Fig. 1 bezüglich der Brechungsrich tung BR nun zueinander entsprechend um Dc versetzt angeordnet. In der hier gezeigten Ausführungsform können unterschiedliche Auslenkungspositionen der zweiten Linse 13b bezüglich der x-Richtung in einem Verstellbereich der Spotab- stands-Verstelleinrichtung 15 eingestellt werden. Entsprechend der jeweiligen Auslenkungsposition der Spotabstands-Verstelleinrichtung 15 können die opti schen Ebenen OEi, OE2 der Zylinderlinsen 13a, 13b bezüglich der Brechungsrich- tung BR unterschiedlich weite Abstände zueinander aufweisen. Die Einstellung der unterschiedlichen Auslenkungspositionen kann in der hier gezeigten Ausfüh rungsform kontinuierlich erfolgen. Alternativ und hier nicht gezeigt kann die Ein stellung der unterschiedlichen Verstellpositionen auch in diskreten Schritten er folgen. Mit der Spotabstands-Verstelleinrichtung 15 kann weiterhin auch die Grundposition angefahren werden, in welcher die optischen Ebenen OEi, OE2 der Zylinderlinsen 13a, 13b zusammenfallen (hier nicht näher dargestellt).

In der hier gezeigten Ausführungsform trifft der kollimierte Laserstrahl 11 als einfallender Laserstrahl 10b auf die verstellbare Strahlumformungseinrichtung 2. Ein Strahlquerschnitt 19 des kollimierten Laserstrahls 11 liegt dabei in Richtung der x-Achse komplett im Bereich der Zylinderlinsen 13. In Richtung der y-Achse sind die Zylinderlinsen 13 so angeordnet, dass sie mit einem Teil des Strahlquer schnitts 19 des kollimierten Laserstrahls 11 überlappen. Mit einem weiteren Teil des Strahlquerschnitts 19 des kollimierten Laserstrahls 11 überlappen die Zylin- derlinsen 13 nicht (siehe hierzu Fig. 2).

Der kollimierte Laserstrahl 11 wird an der Strahlumformungseinrichtung 2 umge formt. Wegen der zueinander verschobenen Zylinderlinsen 13a, 13b erfährt der Teil des kollimierten Laserstrahls 11, der auf das Zylinderlinsenpaar 12 trifft, eine Ablenkung. Ein dieser Ablenkung entsprechender Winkelversatz Db ist dabei un gefähr gleich dem Quotienten der Länge Dc und der Brennweite f _zyi (also Db^Dc/f _zyi ) . Ein weiterer Teil des kollimierten Laserstrahls 11, der nicht auf das Zylinderlinsenpaar 12 trifft, bleibt unabgelenkt. Der in dieser Weise umgeformte Laserstrahl 20 umfasst entsprechend zwei Teilstrahlen, nämlich den abgelenkten Teilstrahl 20b und den unabgelenkten Teilstrahl 20a.

Weiterhin umfasst die Schweißoptik 1 eine Fokussiereinrichtung 21, hier eine Fo- kussierlinse 21a mit einer Brennweite f _F . In einer hier nicht gezeigten Ausfüh rungsform kann die Fokussiereinrichtung 21 auch mehrere Fokussierlinsen 9a umfassen. Der umgeformte Laserstrahl 20 trifft als ein einfallender Laserstrahl 10c auf die Fokussierlinse 21a und wird in Richtung eines zu schweißenden Werkstücks 22 fokussiert. Der fokussierte, umgeformte Laserstrahl 20 erzeugt dann zwei Laserspots 23a, 23b auf einer Oberfläche 22a des Werkstücks 22; in der gezeigten Ausführungsform wird der ungeformte Laserstrahl 20 auf die Ober fläche des Werkstücks 22 fokussiert. Ein Ortsversatz Ab zwischen den zwei La serspots 23a, 23b ist dabei ungefähr gleich dem Produkt der Brennweite f _F und dem Winkelversatz Db (also Ab=f _F -Aß=f _F -Ax/f _zyi ). In der hier gezeigten Ausfüh- rungsform lässt sich der Ortsversatz Ab durch Verschiebung der Zylinderlinse 13b bezüglich der x-Richtung vergrößern oder verkleinern. Entsprechend der Verschiebung vergrößert oder verringert sich dann der Ortsversatz Ab zwischen den zwei Laserspots 23, und die Laserspots 23a, 23b rücken weiter auseinander oder näher zusammen.

In der hier gezeigten Ausführungsform befindet sich die Strahlumformungsein richtung 2 in einem Strahlengang 24 des Laserstrahls 25 zwischen der Kollimati onseinrichtung 9 und der Fokussiereinrichtung 21. In weiteren, hier nicht gezeig ten Ausführungsformen ist es alternativ möglich, dass die Strahlumformungsein- richtung 3 zwischen der Quelle 5 des Ausgangslaserstrahls 6 und der Kollimati onseinrichtung 9 (typischerweise nahe bei dieser) angeordnet ist, oder dass die Strahlumformungseinrichtung 2 nach der Fokussiereinrichtung 21 (und typischer weise nahe bei dieser) angeordnet ist. Fig. 2 zeigt die Schweißoptik 1 aus Fig. 1 um 90° gedreht. Das Koordinatensys tem ist dann in Fig. 2 so ausgerichtet, dass die x-Achse aus der Zeichenebene heraus, die y-Achse nach oben und die z-Achse nach rechts zeigt. In der hier gezeigten Ausführungsform trifft der kollimierte Laserstrahl 11 als einfallender Laserstrahl 10b auf die verstellbare Strahlumformungseinrichtung 2. Der Strahlquerschnitt 19 des kollimierten Laserstrahls 19 liegt dabei in Richtung der x-Achse komplett im Bereich der Zylinderlinsen 13 (siehe bei Fig. 1). In Rich- tung der y-Achse sind die Zylinderlinsen 13 so angeordnet, dass sie mit dem (in Fig. 2 oberen) Teil 19b des Strahlquerschnitts 19 des kollimierten Laserstrahls 11, der hier ungefähr der Hälfte des Strahlquerschnitts 19 des kollimierten Laser strahls 11 entspricht, überlappen. Mit dem weiteren (in Fig. 2 unteren) Teil 19a des Strahlquerschnitts 19 des kollimierten Laserstrahls 11, der hier ungefähr der (übrigen) Hälfte des Strahlquerschnitts 19 des kollimierten Laserstrahls 11 ent spricht, überlappen die Zylinderlinsen 13 nicht. Aus dem oberen Teil 19b ergibt sich der abgelenkte Teilstrahl (20b in Fig. 1), und aus dem unteren Teil 19a ergibt sich der unabgelenkte Teilstrahl (20a in Fig. 1). Man beachte, dass mit den Zylinderlinsen 13 in der Grundposition (mit Dc=0) im oberen Teil 19b des Laserstrahls keine Ablenkung erfolgen würde, und entspre chend nur ein Laserspot erzeugt würde (nicht näher dargestellt).

Die Fig. 3 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine beispielhafte Ausfüh- rungsform einer erfindungsgemäßen Schweißoptik 1 mit der Strahlumformungs einrichtung 2 umfassend zwei Strahlaufteilungsbaugruppen 3\ 3". Das Koordi natensystem ist so gewählt, dass die x-Achse nach oben, die y-Achse aus der Zeichenebene heraus und die z-Achse nach rechts zeigt. Die optische Achse OA der Schweißoptik 1 erstreckt sich in Richtung der z-Achse.

Die Schweißoptik 1 umfasst die Quelle 5 für den Ausgangslaserstrahl 6, wobei die Quelle 5 durch das Faserende 7 des Lichtleiterkabels 4 gebildet wird. In der hier gezeigten Ausführungsform wird als Lichtleiterkabel 4 die Multifaser 4a, genauer die 2-in-l-Faser 4b (siehe hierzu Fig. 6a), gewählt. Alternativ und hier nicht ge- zeigt kann als Lichtleitkabel 4 auch eine einfache Faser gewählt werden. Der Aus gangslaserstrahl 6 tritt hier als der vorgeformter Laserstrahl 8 aus dem Faser ende 7 der Multifaser 4a aus, wobei der vorgeformte Laserstrahl 8 einen Kernan teil und einem Ringanteil aufweist (siehe hierzu Fig. 6b). Das Faserende 7 liegt im Fokus der Kollimationseinrichtung 9, hier der Kollimati onslinse 9a. In einer hier nicht gezeigten Ausführungsform kann die Kollimations einrichtung 9 mehrere Fokuslinsen 9a umfassen. Der vorgeformte Laserstrahl 8 wird als einfallender Laserstrahl 10a an der Kollimationslinse 9a kollimiert und als kollimierter Laserstrahl 11 weitergeführt. Der kollimierte Laserstrahl 11 trifft als einfallender Laserstrahl 10b auf die verstellbare Strahlumformungseinrichtung 2.

Die Strahlumformungseinrichtung 2 ist hier mit zwei Strahlaufteilungsbaugrup pen 3', 3" ausgebildet. In der hier gezeigten Ausführungsform kreuzen sich die Strahlaufteilungsbaugruppen 3', 3" unter einem Winkel von 90°. Die detaillierte Beschreibung der Strahlaufteilungsbaugruppe 3' erfolgt vorwiegend anhand von Fig. 3, und die detaillierte Beschreibung der Strahlaufteilungsbaugruppe 3" er folgt vorwiegend anhand von Fig. 4, wobei die Fig. 4 die Schweißoptik von Fig. 3 um 90° um die z-Achse gedreht zeigt.

Erste Strahlaufteilungsbaugruppe 3' (Fig. 3):

Die erste Strahlaufteilungsbaugruppe 3' weist ein Zylinderlinsenpaar 12' auf, welches zwei Zylinderlinsen 13' mit Brennweiten ± f _zyi ' umfasst. Eine erste Zylin derlinse 13a' mit der Brennweite +f _zyi ' weist auf einer Seite (Vorderseite) eine konvex gekrümmte Oberfläche 14a' auf; die andere Seite (Rückseite) ist hier eben ausgebildet. Die zweite Zylinderlinse 13b' mit der Brennweite — f _zyi ' weist auf einer Seite (Rückseite) eine konkav gekrümmte Oberfläche 14b' auf; die an dere Seite (Vorderseite) ist hier eben ausgebildet. Die beiden Brennweiten besit zen den gleichen Betrag, aber ein umgekehrtes Vorzeichen. Die Zylinderlinsen 13a', 13b' weisen also eine gegengleiche Brennweite auf. Die optischen Ebenen OEi', OE2' der Zylinderlinsen 13a', 13b' (die hier senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 3 liegen) sind zueinander parallel. Eine gemeinsame Brechungsrichtung BR' der Zylinderlinsen 13' verläuft hier in Richtung der x-Achse und somit senk recht zu den optischen Ebenen OEi', OE2' und der optischen Achse OA. Die Zylin derlinsen 13' verlaufen in Brechungsrichtung BR' gekrümmt. Eine gemeinsame Nichtbrechungsrichtung NBR' der Zylinderlinsen 13' verläuft hier in Richtung der y-Achse und somit parallel zu den optischen Ebenen OEi', OE2' und senkrecht zu der optischen Achse OA. Die Zylinderlinsen 13' verlaufen in Nichtbrechungsrich tung NBR' translationsinvariant (siehe hierzu auch Fig. 4). Die Zylinderlinsen 13' sind hintereinander bezüglich der optischen Achse OA angeordnet. In einer wei teren, nicht gezeigten Ausführungsform können die Zylinderlinsen 13a', 13b' auf beiden Seiten eine gekrümmte Oberfläche aufweisen.

Die erste Strahlaufteilungsbaugruppe 3' weist weiterhin eine Spotabstands-Ver- stelleinrichtung 15 und in der hier gezeigten Ausführungsform auch eine Spotin- tensitäts-Verstelleinrichtung 16 auf. Die beiden Linsen 13a', 13b' sind auf einem gemeinsamen Schlitten 17 angeordnet, wobei in der gezeigten Ausführungsform die erste Linse 13a' auf dem gemeinsamen Schlitten 17' ortsfest angeordnet ist und die zweite Linse 13b' mit der Spotabstands-Verstelleinrichtung 15' in x-Rich- tung verfahrbar ist. Die Spotabstands-Verstelleinrichtung 15' ist hierfür auf dem gemeinsamen Schlitten 17' angeordnet. Der gemeinsame Schlitten 17' (mitsamt der Linsen 13a', 13b') wiederum ist über die Spotintensitäts-Verstelleinrichtung 16' gegenüber der übrigen Schweißoptik 1 in y-Richtung verfahrbar (siehe hierzu auch Fig. 4). Über die Spotabstands-Verstelleinrichtung 15' können die zwei Zy linderlinsen 13' des Zylinderlinsenpaares 12' also bezüglich der Brechungsrich tung BR' (hier x-Richtung) relativ zueinander verschoben werden, und über die Spotintensitäts-Verstelleinrichtung 16' können die zwei Zylinderlinsen 13' des Zy linderlinsenpaares 12' bezüglich der Nichtbrechungsrichtung NBR' (hier y-Rich- tung) verschoben werden. In der hier gezeigten Ausführungsform werden die Zy linderlinsen 13' mit der Spotintensitäts-Verstelleinrichtung 16' gemeinsam ver schoben. In einer hier nicht gezeigten Ausführungsform ist es auch möglich, dass die Zylinderlinsen 13a', 13b' einzeln in y-Richtung verschoben werden können (wobei gleichwohl in der Regel gleiche Verschiebewege in y-Richtung angewandt werden).

In der hier gezeigten Situation nimmt die Spotabstands-Verstelleinrichtung 15' als Verstellposition eine Auslenkungsposition ein. Die zweite Zylinderlinse 13b' wurde in x-Richtung um die Länge Dc aus einer Grundposition, in der die opti schen Ebenen OEi' und OE2' zusammenfallen, verschoben. Die optischen Ebenen OEi', OE2' der Zylinderlinsen 13a', 13b' sind in Fig. 3 bezüglich der Brechungs richtung BR' nun zueinander entsprechend um Dc versetzt angeordnet. In der hier gezeigten Ausführungsform können unterschiedliche Auslenkungspositionen der zweiten Linse 13b' bezüglich der x-Richtung in einem Verstellbereich der Spotabstands-Verstelleinrichtung 15' eingestellt werden. Entsprechend der jewei ligen Auslenkungsposition der Spotabstands-Verstelleinrichtung 15' können die optischen Ebenen OEi', OE2' der Zylinderlinsen 13a', 13b' bezüglich der Bre chungsrichtung BR' unterschiedlich weite Abstände zueinander aufweisen. Die Einstellung der unterschiedlichen Auslenkungspositionen kann in der hier gezeig ten Ausführungsform kontinuierlich erfolgen. Alternativ und hier nicht gezeigt, kann die Einstellung der unterschiedlichen Verstellpositionen auch in diskreten Schritten erfolgen. Mit der Spotabstands-Verstelleinrichtung 15' kann weiterhin auch die Grundposition angefahren werden, in welcher die optischen Ebenen OEi', OE2' der Zylinderlinsen 13a', 13b' zusammenfallen (hier nicht näher darge stellt).

In der hier gezeigten Ausführungsform trifft der kollimierte Laserstrahl 11 als einfallender Laserstrahl 10b auf die verstellbare Strahlumformungseinrichtung 2. Der Strahlquerschnitt 19 des kollimierten Laserstrahls 11 liegt dabei in Richtung der x-Achse komplett im Bereich der Zylinderlinsen 13'. In Richtung der y-Achse sind die Zylinderlinsen 13' so angeordnet, dass sie mit einem Teil des Strahlquer schnitts 19 des kollimierten Laserstrahls 11 überlappen. Mit einem weiteren Teil des Strahlquerschnitts 19 des kollimierten Laserstrahls 11 überlappen die Zylin derlinsen 13' nicht (siehe hierzu Fig. 4).

In Richtung der x-Achse sind Zylinderlinsen 13" der zweiten Strahlaufteilungs baugruppe 3'' so angeordnet, dass sie mit dem (in Fig. 3 oberen) Teil 19b" des Strahlquerschnitts 19 des kollimierten (und teilweise umgeformten) Laserstrahls 11, der hier ungefähr der Hälfte des Strahlquerschnitts 19 des kollimierten Laser strahls 11 entspricht, überlappen. Mit dem weiteren (in Fig. 3 unteren) Teil 19a" des Strahlquerschnitts 19 des kollimierten Laserstrahls 11, der hier ungefähr der (übrigen) Hälfte des Strahlquerschnitts 19 des kollimierten Laserstrahls 11 ent spricht, überlappen die Zylinderlinsen 13" nicht. Aus dem oberen Teil 19b" ergibt sich ein abgelenkter Teilstrahl (20b" in Fig. 4), und aus dem unteren Teil 19a" ergibt sich ein unabgelenkter Teilstrahl (20a" in Fig. 4). Man beachte, dass mit den Zylinderlinsen 13" in der Grundposition (mit Ay=0) im oberen Teil 19b" des Laserstrahls 25 keine Ablenkung erfolgen würde.

Der kollimierte Laserstrahl 11 wird an der Strahlumformungseinrichtung 2 umge formt. Wegen der zueinander verschobenen Zylinderlinse 13a', 13b' erfährt der Teil des kollimierten Laserstrahls 11, der auf das Zylinderlinsenpaar 12' trifft, eine Ablenkung. Ein dieser Ablenkung entsprechender Winkelversatz Db _c ist da bei ungefähr gleich dem Quotienten der Länge Dc und der Brennweite f _zyi ' (also Db _c «Dc/ί _zg ). Ein weiterer Teil des kollimierten Laserstrahls 11, der nicht auf das Zylinderlinsenpaar 12' trifft, bleibt (bezüglich der Zylinderlinsen 13' des linken Zylinderlinsenpaars 12') unabgelenkt. Der in dieser Weise umgeformte Laser strahl 20 umfasst entsprechend (in der Projektion von Fig. 3) zwei Teilstrahlen, nämlich den abgelenkten Teilstrahl 20a' und den unabgelenkten Teilstrahl 20b'. Zur weiteren Umformung des umgeformten Laserstrahls 20 durch die Zylinderlin sen 13" des rechten Zylinderlinsenpaars 12" siehe weiter unten.

Weiterhin umfasst die Schweißoptik 1 die Fokussiereinrichtung 21, hier die Fo kussierlinse 21a mit der Brennweite f _F . In einer hier nicht gezeigten Ausführungs form kann die Fokussiereinrichtung 21 auch mehrere Fokussierlinsen 9a umfas sen. Der umgeformte Laserstrahl 20 trifft als einfallender Laserstrahl 10c auf die Fokussierlinse 21a und wird in Richtung des zu schweißenden Werkstücks 22 fo kussiert. Der fokussierte, umgeformte Laserstrahl 20 erzeugt dann mehrere La serspots; in der Projektion der Fig. 3 sind zwei Laserspots 23a\ 23b' auf der Oberfläche 22a des Werkstücks 22 zu sehen. In der gezeigten Ausführungsform wird der umgeformte Laserstrahl 20 auf die Oberfläche des Werkstücks 22 fokus siert. Ein Ortsversatz Ab _x zwischen den zwei Laserspots 23a', 23b' ist dabei un gefähr gleich dem Produkt der Brennweite f _F und dem Winkelversatz Db _c (also Ab _x =f _F -Aß _x =f _F -Ax/f _zyi '). In der hier gezeigten Ausführungsform lässt sich der Orts versatz Ab _x durch Verschiebung der Zylinderlinse 13b' bezüglich der x-Richtung vergrößern oder verkleinern. Entsprechend der Verschiebung vergrößert oder verringert sich dann der Ortsversatz Ab _x zwischen den zwei Laserspots 23a',

23b', und die Laserspots 23a', 23b' rücken weiter auseinander oder näher zu sammen. Zweite Strahlaufteilungsbaugruppe 3" (Fig. 4):

Fig. 4 zeigt die Schweißoptik 1 aus Fig. 3 um 90° gedreht. Das Koordinatensys tem ist dann in Fig. 4 so ausgerichtet, dass die y-Achse nach oben, die x-Achse in die Zeichenebene hinein und die z-Achse nach rechts zeigt.

Die zweite Strahlaufteilungsbaugruppe 3" weist ein Zylinderlinsenpaar 12" auf, welches zwei Zylinderlinsen 13" mit Brennweiten ± f _zyi " umfasst. Eine ersten Zy linderlinse 13a" mit der Brennweite +f _zyi " weist auf einer Seite (Vorderseite) eine konvex gekrümmte Oberfläche 14a" auf; die andere Seite (Rückseite) ist hier eben ausgebildet. Eine zweite Zylinderlinse 13b" mit der Brennweite -f _zy weist auf einer Seite (Rückseite) eine konkav gekrümmte Oberfläche 14b" auf; die andere Seite (Vorderseite) ist hier eben ausgebildet. Die beiden Brennweiten besitzen den gleichen Betrag, aber ein umgekehrtes Vorzeichen. Die Zylinderlin sen 13a'', 13b'' weisen also eine gegengleiche Brennweite auf. Man beachte, dass die Brennweiten der verschiedenen Zylinderlinsenpaare 12', 12'' gleich oder auch unterschiedlich gewählt sein können. Die optische Ebenen OEi", OE2" der Zylin derlinsen 13a", 13b" (die hier senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 4 liegen) sind zueinander parallel. Eine gemeinsame Brechungsrichtung BR" der Zylinderlinsen 13" verläuft hier in Richtung der y-Achse und somit senkrecht zu den optischen Ebenen OEi", OE2" und der optischen Achse OA. Die Zylinderlinsen 13" verlaufen in Brechungsrichtung BR" gekrümmt. Die Brechungsrichtungen BR', BR" der Zy linderlinsenpaare 12', 12" verlaufen um 90° gekreuzt zueinander. Eine gemein same Nichtbrechungsrichtung NBR" der Zylinderlinsen 13" verläuft hier in Rich tung der x-Achse und somit parallel zu den optischen Ebenen OEi", OE2" und senkrecht zu der optischen Achse OA. Die Zylinderlinsen 13" verlaufen in Nicht brechungsrichtung NBR" translationsinvariant (siehe hierzu auch Fig. 3). Die Zy linderlinsen 13" sind hintereinander bezüglich der optischen Achse OA angeord net. In einer weiteren, nicht gezeigten Ausführungsform, können die Zylinderlin sen 13a", 13b" auch auf beiden Seiten eine gekrümmte Oberfläche aufweisen.

Die zweite Strahlaufteilungsbaugruppe 3" weist weiterhin eine Spotabstands-Ver- stelleinrichtung 15" und in der hier gezeigten Ausführungsform auch eine Spo- tintensitäts-Verstelleinrichtung 16" auf. Die beiden Linsen 13a", 13b" sind auf einem gemeinsamen Schlitten 17 angeordnet, wobei in der gezeigten Ausfüh rungsform die erste Linse 13a'' auf dem gemeinsamen Schlitten 17'' ortsfest an geordnet ist und die zweite Linse 13b'' mit der Spotabstands-Verstelleinrichtung 15'' in y-Richtung verfahrbar ist. Die Spotabstands-Verstelleinrichtung 15'' ist hierfür auf dem gemeinsamen Schlitten 17" angeordnet. Der gemeinsame Schlit ten 17" (mitsamt der Linsen 13a", 13b") wiederum ist über die Spotintensitäts- Verstelleinrichtung 16" gegenüber der übrigen Schweißoptik 1 in x-Richtung ver fahrbar. Über die Spotabstands-Verstelleinrichtung 15" können die zwei Zylinder linsen 13" des Zylinderlinsenpaares 12" also bezüglich der Brechungsrichtung BR" (hier y-Richtung) relativ zueinander verschoben werden, und über die Spo- tintensitäts-Verstelleinrichtung 16" können die zwei Zylinderlinsen 13" des Zylin derlinsenpaares 12" bezüglich der Nichtbrechungsrichtung NBR" (hier x-Rich- tung) verschoben werden. In der hier gezeigten Ausführungsform werden die Zy linderlinsen 13" mit der Spotintensitäts-Verstelleinrichtung 16" gemeinsam ver- schoben. In einer hier nicht gezeigten Ausführungsform ist es auch möglich, dass die Zylinderlinsen 13a", 13b" einzeln in x-Richtung verschoben werden können (wobei gleichwohl in der Regel gleiche Verschiebewege in x-Richtung angewandt werden). In der hier gezeigten Ausführungsform nimmt die Spotabstands-Verstelleinrich- tung 15" als Verstellposition eine Auslenkungsposition ein. Die zweite Zylinder linse 13b" wurde in y-Richtung um eine Länge Ay aus einer Grundposition, in der die optische Ebenen OEi" und OE2" zusammenfallen, verschoben. Die optischen Ebenen OEi", OE2" der Zylinderlinsen 13a", 13b" sind in Fig. 4 bezüglich der Bre- chungsrichtung nun zueinander entsprechend um Ay versetzt angeordnet. In der hier gezeigten Ausführungsform können unterschiedliche Auslenkungspositionen der zweiten Linse 13b" bezüglich der y-Richtung in einem Verstellbereich der Spotabstands-Verstelleinrichtung 15" eingestellt werden. Entsprechend der je weiligen Auslenkungsposition der Spotabstands-Verstelleinrichtung 15" können die optischen Ebenen OEi", OE2" der Zylinderlinsen 13a", 13b" bezüglich der Brechungsrichtung BR" unterschiedlich weite Abstände zueinander aufweisen.

Die Einstellung der unterschiedlichen Auslenkungspositionen kann in der hier ge zeigten Ausführungsform kontinuierlich erfolgen. Alternativ und hier nicht gezeigt kann die Einstellung der unterschiedlichen Verstellpositionen auch in diskreten Schritten erfolgen. Mit der Spotabstands-Verstelleinrichtung 15" kann weiterhin auch die Grundposition angefahren werden, in welcher die optischen Ebenen OEi", OE2" der Zylinderlinsen 13a", 13b" zusammenfallen (hier nicht näher dar gestellt).

In der hier gezeigten Ausführungsform trifft der kollimierte Laserstrahl 11 als einfallender Laserstrahl 10b auf die verstellbare Strahlumformungseinrichtung 2. Der Strahlquerschnitt 19 des kollimierten (und bei Erreichen des Zylinderlinsen paars 12" bereits teilweise umgeformten) Laserstrahls 11 liegt dabei in Richtung der y-Achse komplett im Bereich der Zylinderlinsen 13". In Richtung der x-Achse sind die Zylinderlinsen 13" so angeordnet, dass sie mit einem Teil des Strahl querschnitts 19 des kollimierten Laserstrahls 11 überlappen. Mit einem weiteren Teil des Strahlquerschnitts 19 des kollimierten Laserstrahls 11 überlappen die Zylinderlinsen 13" nicht (siehe hierzu Fig. 3).

In Richtung der y-Achse sind die Zylinderlinsen 13' der ersten Strahlaufteilungs baugruppe 3' so angeordnet, dass sie mit dem (in Fig. 4 oberen) Teil 19b' des Strahlquerschnitts 19 des kollimierten Laserstrahls 11, der hier ungefähr der Hälfte des Strahlquerschnitts 19 des kollimierten Laserstrahls 11 entspricht, überlappen. Mit dem weiteren (in Fig. 4 unteren) Teil 19a' des Strahlquerschnitts 19 des kollimierten Laserstrahls 11, der hier ungefähr der (übrigen) Hälfte des Strahlquerschnitts 19 des kollimierten Laserstrahls 11 entspricht, überlappen die Zylinderlinsen 13' nicht. Aus dem oberen Teil 19b' ergibt sich ein abgelenkter Teilstrahl (20b' in Fig. 3), und aus dem unteren Teil 19a' ergibt sich ein unabge- lenkter Teilstrahl (20a' in Fig. 3).

Man beachte, dass mit den Zylinderlinsen 13' in der Grundposition (mit Dc=0) im oberen Teil 19b' des Laserstrahls 25 keine Ablenkung erfolgen würde. Der kollimierte Laserstrahl 11 wird an der Strahlumformungseinrichtung 2 umge formt. Wegen der zueinander verschobenen Zylinderlinse 13a", 13b" erfährt der Teil des kollimierten (und bereits teilweise umgeformten) Laserstrahls 11, der auf das Zylinderlinsenpaar 12" trifft, eine Ablenkung. Ein dieser Ablenkung ent sprechender Winkelversatz Db _n ist dabei ungefähr gleich dem Quotienten der Länge Dg und der Brennweite f _zyi " (also Db _g «Dg/ί _zg '). Ein weiterer Teil des kolli- mierten Laserstrahls 11, der nicht auf das Zylinderlinsenpaar 12" trifft, bleibt (durch das Zylinderlinsenpaar 12") unabgelenkt. Der in dieser Weise umgeformte Laserstrahl 20 umfasst (in der Projektion der Fig. 4) entsprechend zwei Teilstrah len, nämlich den abgelenkten Teilstrahl 20a" und den unabgelenkten Teilstrahl 20b". Man beachte, dass aufgrund der bereits erfolgten (teilweisen) Umformung am ersten Zylinderlinsenpaar 12' und der weiteren Umformung am Zylinderlin senpaar 12" hinter dem Zylinderlinsenpaar 12" tatsächlich vier Teilstrahlen vor handen sind.

Wie bereits beschrieben trifft der umgeformte Laserstrahl 20 als einfallender La serstrahl 10c auf die Fokussierlinse 21a und wird in Richtung des zu schweißen den Werkstücks 22 fokussiert. Der fokussierte, umgeformte Laserstrahl 20 er zeugt dann mehrere Laserspots, von denen in der Projektion von Fig. 4 zwei La serspots 23a", 23b" auf der Oberfläche 22a des Werkstücks 22 zu sehen sind.

Ein Ortsversatz Ab _y zwischen den zwei Laserspots 23a", 23b" ist dabei ungefähr gleich dem Produkt der Brennweite f _F und dem Winkelversatz Db _g (also Aby=f _F -Aßy=f _F -Ay/f _zyi "). In der hier gezeigten Ausführungsform lässt sich der Ortsversatz Ab _y durch Verschiebung der Zylinderlinse 13b" bezüglich der y-Rich- tung vergrößern oder verkleinern. Entsprechend der Verschiebung vergrößert oder verringert sich dann der Ortsversatz D0 _U zwischen den Laserspots 23, und die Laserspots 23a", 23b" rücken weiter auseinander oder näher zusammen.

Durch die hier gezeigte Ausführungsform werden in der gezeigten Situation durch die verstellbare Strahlumformungseinrichtung 2 vier Laserspots 23a', 23b', 23a", 23b" erzeugt. Wenn dabei Ax=Ay (wobei Dc^O und Ag q) und | f _zyi ' = | f _zyi " | , so ha ben die vier Laserspots eine quadratische Anordnung. Alternativ kann die ver stellbare Strahlumformungseinrichtung 2 so verstellt werden, dass nur zwei La serspots 23 erzeugt werden (mit Dc=0 und AgFq oder umgekehrt) oder nur ein Laserspot erzeugt wird (mit Dc=0 und Dg=0) (jeweils hier nicht gezeigt).

Dadurch ist die Strahlumformungseinrichtung 2 sehr flexibel einsetzbar.

Fig. 5 erläutert schematisch die Regelung der Leistungsverteilung bzw. Intensi tätsverteilung der Laserspots mit der erfindungsgemäßen Schweißoptik aus Fig. 3. Das Koordinatensystem ist in Fig. 5 so ausgerichtet, dass die x-Achse nach rechts, die y-Achse nach oben und die z-Achse aus der Zeichenebene heraus zeigt.

Das erste Zylinderlinsenpaar 12' der ersten Strahlumformungsbaugruppe ist hier vereinfacht als Rechteck mit durchgezogener Linie dargestellt, das zweite Zylin derlinsenpaar 12" ist hier vereinfacht als Rechteck mit gestrichelter Linie darge stellt. Das erste Zylinderlinsenpaar 12' erzeugt eine Strahlablenkung bezüglich der x-Richtung, und das zweite Zylinderlinsenpaar 12" erzeugt eine Strahlablen kung bezüglich der y-Richtung.

Die beiden Zylinderlinsenpaare 12', 12" bilden hier entsprechend ihren lokalen Überlappungen miteinander vier Zonen 32a, 32b, 32c, 32d aus. In Zone 32a wird der einfallende Laserstrahl 10b durch keines der Zylinderlinsenpaare 12',

12" abgelenkt, in Zone 32b wird der einfallen Laserstrahl 10b durch das Zylin derlinsenpaar 12' abgelenkt, in Zone 32c wird der einfallende Laserstrahl 10b durch das Zylinderlinsenpaar 12" abgelenkt und in Zone 32d wird der einfallende Laserstrahl 10b durch beide Zylinderlinsenpaare 12', 12" abgelenkt. Entsprechend werden hier aus dem einfallenden Laserstrahl 10b vier Teilstrahlen bzw. vier La serspots erzeugt. Der einfallende Laserstrahl 10b ist in der in Fig. 5 gezeigten Si tuation relativ zu den Zylinderlinsenpaaren 12', 12" so angeordnet, dass er hier mit jeder der vier Zonen 32a, 32b, 32c, 32d eine gleich große Überlappungsflä che hat. Dadurch ist die Intensität der vier erzeugten Laserspots jeweils gleich groß.

Durch Verschieben der Zylinderlinsenpaare 12', 12" relativ zum (hier ortsfest an genommenen) einfallenden Laserstrahl 10b kann die Überlappung des einfallen den Laserstrahls 10b mit den Zonen 32a, 32b, 32c, 32d paarweise verändert werden und damit die Intensität der zugehörigen Laserspots paarweise verändert werden. Das Zylinderlinsenpaar 12' kann mit seiner Spotintensitäts-Verstellein- richtung in y-Richtung verfahren werden, und das Zylinderlinsenpaar 12" kann mit seiner Spotintensitäts-Verstelleinrichtung in x-Richtung verfahren werden. Wird beispielsweise das Zylinderlinsenpaar 12' in positive y-Richtung verschoben, so vergrößern sich die Überlappflächen, die der einfallende Laserstrahl 10b mit den Zonen 32a und 32c hat, und die Intensität der durch die Zonen 32a und 32c erzeugten Laserspots nimmt zu. Umgekehrt nehmen die Überlappflächen, die der einfallende Laserstrahl 10b mit den Zonen 32b und 32d hat, ab, und die Intensi tät der durch die Zonen 32b und 32d erzeugten Laserspots nimmt ab.

Wird weiterhin beispielsweise das Zylinderlinsenpaar 12" in positive x-Richtung verschoben, so vergrößern sich die Überlappflächen, die der einfallende Laser- strahl 10b mit den Zonen 32c und 32d hat, und die Intensität der durch die Zo nen 32c und 32d erzeugten Laserspots nimmt zu. Umgekehrt nehmen die Über lappflächen, die der einfallende Laserstrahl 10b mit den Zonen 32a und 32b hat, ab, und die Intensität der durch die Zonen 32a und 32b erzeugten Laserspots nimmt ab.

In Fig. 6a ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften 2-in-l-Faser 4b für die Erfindung im Querschnitt gezeigt, wie sie als Lichtleitkabel und Quelle für den Ausgangslaserstrahl für die Schweißoptik in den Figuren 1-4 verwendet wer den kann.

Die 2-in-l-Faser 4b weist eine Kernfaser 26 mit einem Kernfaserdurchmesser KFD und eine Ringfaser 27 mit einem Ringfaserdurchmesser RFD auf. Mit der 2- in-l-Faser kann ein vorgeformter Laserstrahl erzeugt werden, der einen Kernan teil und einen Ringanteil aufweist (siehe hierzu Fig. 6b) und als Ausgangslaser- strahl in der Schweißoptik dient. Hierzu wird ein Ursprungslaserstrahl (nicht nä her gezeigt) teilweise in die Kernfaser 26 und teilweise in die Ringfaser 27 einge speist, beispielsweise über einen teilweise in den Ursprungslaserstrahl eingescho benen optischen Keil. Falls der Ursprungslaserstrahl nur in die Kernfaser 26 ein geleitet wird (also ein Leistungsanteil von 0% in der Ringfaser 27 gewählt wird), kann auch mit der 2-in-l-Faser 4b ein nicht-vorgeformter Laserstrahl erzeugt werden. Fig. 6b zeigt eine schematische Darstellung des Ausgangslaserstrahls 6 im Quer schnitt, wie er durch die beispielhafte 2-in-l-Faser aus Fig. 6a erzeugt werden kann. Der Ausgangslaserstrahl 6 ist ein vorgeformter Laserstrahl 8 und weist den Kern anteil 28 und den Ringanteil 29 auf. Der Ringanteil 29 umgibt dabei den Kernan teil 28. Man beachte, dass eine mittlere Laserintensität im Kernanteil 28 in der Regel höher ist als im Ringanteil 19, meist um einen Faktor von wenigstens vier. Fig. 7a zeigt beispielhaft für die Ausführungsform von den Fig. 1 und 2 in einer schematischen Aufsicht auf die Oberfläche 22a des Werkstücks 22 zwei Laser spots 23 des umgeformten Laserstrahls, jeweils mit Kernanteil 28 und Ringanteil 29, auf der Oberfläche 22a des Werkstücks 22. Die Laserspots 23 werden bezüglich einer Vorschubrichtung 30 über die Oberflä che 22a des Werkstücks 22 entlang einer Schweißkontur 31 bewegt. Die Laser spots 23 sind hier bezüglich der Vorschubrichtung 30 hintereinander angeordnet.

Mit der hier gezeigte Anordnung der Laserspots 23 kann richtungsabhängig ge- schweißt werden. Die hier gezeigte Anordnung kann beispielsweise bei Alumi nium-Werkstoffen zum Profilschweißen genutzt werden.

Während des Abfahrens der Schweißkontur 31 kann die Verstellposition der Spot- abstands-Verstelleinrichtung der einen Strahlaufteilungsbaugruppe verstellt wer- den, sodass die Laserspots 23 näher zusammenrücken oder weiter auseinander- rücken. Über die Spotintensitäts-Verstelleinrichtung kann außerdem die Intensi tät der einzelnen Laserspots 23 während des Abfahrens der Schweißkontur 31 verstellt werden. Alternativ oder zusätzlich können die Verstellpositionen der Spotabstands-Ver- stelleinrichtung und der Spotintensitäts-Verstelleinrichtung der einen Strahlauf teilungsbaugruppe auch zwischen dem Schweißen zweier Bauteile verstellt wer den, insbesondere wenn sich die Typen der zu verschweißenden Bauteile ändern. Fig. 7b zeigt beispielhaft für die Ausführungsform von den Fig. 3 und 4 in einer schematischen Aufsicht auf die Oberfläche 22a des Werkstücks 22 vier Laser spots 23 eines umgeformten Laserstrahls 20, jeweils mit Kernanteil 28 und Ring anteil 29, auf der Oberfläche 22a des Werkstücks 22.

Die Laserspots 23 werden bezüglich der Vorschubrichtung 30 über die Oberfläche 22a des Werkstücks 22 entlang derer Schweißkontur 31 bewegt. Die Laserspots 23 sind hier quadratisch angeordnet. Für die gezeigte Vorschubrichtung 30 laufen hier zwei Laserspots 23 voraus und zwei Laserspots 23 laufen nach.

Mit der hier gezeigten Anordnung der Laserspots 23 kann weitgehend richtungs unabhängig geschweißt werden; auch wenn (beispielsweise in einer Kurve der Schweißkontur) zeitweise ein Laserspot bezüglich der (lokalen) Vorschubrichtung vorausläuft, zwei Laserspots mittig angeordnet sind und ein Laserspot nachläuft, ändert sich das Schweißverhalten nur minimal. Die hier gezeigte Anordnung kann beispielsweise bei Aluminium-Werkstoffen zum richtungsunabhängigen Schwei ßen verwendet werden.

Während des Abfahrens der Schweißkontur 31 können die Verstellpositionen der Spotabstands-Verstelleinrichtungen der beiden Strahlaufteilungsbaugruppen ver stellt werden, sodass die Laserspots 23 näher zusammenrücken oder weiter aus- einanderrücken. Über die Spotintensitäts-Verstelleinrichtungen kann außerdem die Intensität der Laserspots 23 während des Abfahrens der Schweißkontur 31 verstellt werden. Es können jeweils die Abstände und die Intensitäten der Laser- spots 23 paarweise eingestellt werden.

Alternativ oder zusätzlich können die Verstellpositionen der Spotabstands-Ver- stelleinrichtung und der Spotintensitäts-Verstelleinrichtung der zwei Strahlauftei lungsbaugruppen auch zwischen dem Schweißen zweier Bauteile verstellt wer- den, insbesondere wenn sich die Typen der zu verschweißenden Bauteile ändern.

Die Fig. 8a zeigt ein experimentelles Bild eines einzelnen, durch die erfindungs gemäße Schweißoptik erzeugten Laserspots. Im vorliegenden Beispiel wurde eine Schweißoptik, ähnlich wie in Fig. 3 beschrieben, verwendet. Als Quelle für den Ausgangslaserstrahl diente jedoch eine einfache Faser. Die Brennweites f _F der Fokussierlinse betrug 500 mm, die Brennweite f _zyi ' der ersten Zylinderlinse der ersten Strahlaufteilungsbaugruppe betrug 2000 mm und die Brennweite f _zy der zweiten Zylinderlinse der zweiten Strahlaufteilungsbaugruppe betrug ebenfalls 2000 mm. Dc und Ay betrugen jeweils 0 mm, die Strahlaufteilungsbaugruppen waren also in Grundposition. In der Grundposition wird nur ein einzelner Laser spot erzeugt.

Die Fig. 8b zeigt ein experimentelles Bild zweier durch die erfindungsgemäße Schweißoptik erzeugten Laserspots. Im vorliegenden Beispiel wurde eine

Schweißoptik, ähnlich wie in Fig. 3 beschrieben, verwendet. Als Quelle für den Ausgangslaserstrahl diente jedoch eine einfache Faser. Die Brennweites f _F der Fokussierlinse betrug 500 mm, die Brennweite f _zyi ' der ersten Zylinderlinse der ersten Strahlaufteilungsbaugruppe betrug 2000 mm und die Brennweite f _zy der zweiten Zylinderlinse der zweiten Strahlaufteilungsbaugruppe betrug ebenfalls 2000 mm. Dc betrug 2 mm und Ay betrug 0 mm, die erste Strahlaufteilungsbau gruppe war also in einer Auslenkungsposition und die zweite Strahlaufteilungs baugruppe war in der Grundposition. Es werden zwei Laserspots erzeugt mit ei nem Ortsversatz Ab _x von ungefähr 0,5 mm.

Die Fig. 8c zeigt ein experimentelles Bild zweier durch die erfindungsgemäße Schweißoptik erzeugten Laserspots. Im vorliegenden Beispiel wurde eine Schweißoptik, ähnlich wie in Fig. 3, beschrieben verwendet. Als Quelle für den Ausgangslaserstrahl diente jedoch eine einfache Faser. Die Brennweites f _F der Fokussierlinse betrug 500 mm, die Brennweite f _zy der ersten Zylinderlinse der ersten Strahlaufteilungsbaugruppe betrug 2000 mm und die Brennweite f _zy der zweiten Zylinderlinse der zweiten Strahlaufteilungsbaugruppe betrug ebenfalls 2000 mm. Ax betrug 4 mm und Ay betrug 0 mm, die erste Strahlaufteilungsbau gruppe war also in einer Auslenkungsposition und die zweite Strahlaufteilungs- baugruppe war in der Grundposition. Es werden zwei Laserspots erzeugt mit ei nem Ortsversatz Ab _x von ungefähr 1 mm.

Die Fig. 9a zeigt ein experimentelles Bild von durch die erfindungsgemäße Schweißoptik erzeugten Laserspots. Im vorliegenden Beispiel wurde eine Schweißoptik wie in Fig. 3 beschrieben verwendet. Als Quelle für den Ausgangs laserstrahl diente eine 2-in-l-Faser. Die Laserspots weisen dementsprechend ei nen Kernanteil und einen Ringanteil auf. Die Brennweites f _F der Fokussierlinse betrug 500 mm, die Brennweite f _zyi ' der ersten Zylinderlinse der ersten Strahlauf teilungsbaugruppe betrug 2000 mm und die Brennweite f _zy der zweiten Zylin derlinse der zweiten Strahlaufteilungsbaugruppe betrug ebenfalls 2000 mm. Dc betrug 4 mm und Ay betrug 2 mm, beide Strahlaufteilungsbaugruppe waren also in einer Auslenkungsposition Es werden vier Laserspots erzeugt mit einem Orts versatz Ab _x von ungefähr 1 mm und einem Ortsversatz Ab _y von ungefähr 0,5 mm. Die vier Laserspots sind rechteckig angeordnet und die Ringanteile der Laserspots überlappen sich in y-Richtung, nicht aber in x-Richtung.

Die Fig. 9b zeigt ein experimentelles Bild von durch die erfindungsgemäße Schweißoptik erzeugten Laserspots. Im vorliegenden Beispiel wurde eine Schweißoptik wie in Fig. 3 beschrieben verwendet. Als Quelle für den Ausgangs laserstrahl diente 2-in-l-Faser. Die Laserspots weisen dementsprechend einen Kernanteil und einen Ringanteil auf. Die Brennweites f _F der Fokussierlinse betrug 500 mm, die Brennweite f _zyi ' der ersten Zylinderlinse der ersten Strahlauftei lungsbaugruppe betrug 2000 mm und die Brennweite f _zy r der zweiten Zylinder linse der zweiten Strahlaufteilungsbaugruppe betrug ebenfalls 2000 mm. Dc be trug 4 mm und Ay betrug 4 mm, beide Strahlaufteilungsbaugruppe waren also in einer Auslenkungsposition. Es werden vier Laserspots erzeugt mit einem Ortsver satz Ab _x von ungefähr 1 mm und einem Ortsversatz Ab _y von ungefähr 1 mm. Die vier Laserspots sind quadratisch angeordnet und die Ringanteile der Laserspots überlappen sich nicht.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Schweißoptik (1) für einen Laser strahl (25) zum Laserschweißen von Werkstücken (22), umfassend eine verstell bare Strahlumformungseinrichtung (2), mit der aus einem einfallenden Laser strahl (10b) je nach Verstellung ein Strahl oder mehrere Teilstrahlen (20a; 20a'; 20a"; 20b; 20b'; 20b"), und entsprechend ein oder mehrere Laserspots (23;

23a; 23a'; 23a"; 23b; 23b'; 23b") erzeugbar sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlumformungseinrichtung (2) wenigstens eine Strahlaufteilungsbau gruppe (3; 3', 3") umfasst, aufweisend:

- ein Zylinderlinsenpaar (12; 12'; 12"), umfassend zwei hintereinander angeord neten Zylinderlinsen (13; 13a; 13a'; 13a"; 13b; 13b'; 13b") mit gegengleicher Brennweite und zueinander parallelen optischen Ebenen (OEi; OEi'; OEi"; OE2; OE ₂ '; OE ₂ "), wobei die beiden Zylinderlinsen bezüglich einer gemeinsamen Brechungsrichtung (BR; BR'; BR"), die senkrecht zu den optischen Ebenen ist, auf zumindest einer Seite gekrümmt verlaufen und bezüglich einer gemeinsamen Nichtbrechungsrich- tung (NBR; NBR'; NBR"), die parallel zu den optischen Ebenen verläuft, translati onsinvariant verlaufen,

- und eine Spotabstands-Verstelleinrichtung (15; 15'; 15"), mit der die zwei Zy linderlinsen bezüglich der Brechungsrichtung relativ zueinander verschoben wer den können. Mit der Schweißoptik kann auf einfache Weise eine flexible Strahl- formung erfolgen, und insbesondere eine Anzahl und ein Abstand von erzeugten Laserspots flexibel eingestellt werden.

Bezuaszeichenliste

1 Schweißoptik

2 Strahlumformungseinrichtung 3 Strahlaufteilungsbaugruppe

3' erste Strahlaufteilungsbaugruppe

3" zweite Strahlaufteilungsbaugruppe

4 Lichtleitkabel

4a Multifaser 4b 2-in-l-Faser

5 Quelle

6 Ausgangslaserstrahl

7 Faserende

8 vorgeformter Laserstrahl 9 Kollimationseinrichtung

9a Kollimationslinse 10a einfallender Laserstrahl (an der Kollimationseinrichtung) 10b einfallender Laserstrahl (an der Strahlumformungseinrichtung) 10c einfallender Laserstrahl (an der Fokussieeinrichtung) 11 kollimierter Laserstrahl 12 Zylinderlinsenpaar 12 Zylinderlinsenpaar (erste Strahlaufteilungsbaugruppe) 12 Zylinderlinsenpaar (zweite Strahlaufteilungsbaugruppe) 13 Zylinderlinsen 13' Zylinderlinsen (erste Strahlaufteilungsbaugruppe)

13 Zylinderlinsen (zweite Strahlaufteilungsbaugruppe) 13a erste Zylinderlinse 13a' erste Zylinderlinse (erste Strahlaufteilungsbaugruppe) 13a" erste Zylinderlinse (zweite Strahlaufteilungsbaugruppe) 13b zweite Zylinderlinse

13b' zweite Zylinderlinse (erste Strahlaufteilungsbaugruppe) 13 b" zweite Zylinderlinse (zweite Strahlaufteilungsbaugruppe) 14a gekrümmte Oberfläche der ersten Zylinderlinse 14a' gekrümmte Oberfläche der ersten Zylinderlinse (erste Strahlauftei lungsbaugruppe)

14a" gekrümmte Oberfläche der ersten Zylinderlinse (zweite Strahlauftei lungsbaugruppe)

14b gekrümmte Oberfläche der zweiten Zylinderlinse

14b' gekrümmte Oberfläche der zweiten Zylinderlins (erste Strahlaufteilungsbaugruppe)

14b" gekrümmte Oberfläche der zweiten Zylinderlinse (zweite Strahlaufteilungsbaugruppe)

15 Spotabstands-Verstelleinrichtung 15 Spotabstands-Verstelleinrichtung (erste Strahlaufteilungsbaugruppe)

15 Spotabstands-Verstelleinrichtung (zweite Strahlaufteilungsbau gruppe)

16 Spotintensitäts-Verstelleinrichtung 16' Spotintensitäts-Verstelleinrichtung (erste Strahlaufteilungsbau gruppe)

16'' Spotintensitäts-Verstelleinrichtung (zweite Strahlaufteilungsbau gruppe)

17 gemeinsamer Schlitten

17' gemeinsamer Schlitten (erste Strahlaufteilungsbaugruppe)

17'' gemeinsamer Schlitten (zweite Strahlaufteilungsbaugruppe)

19 Strahlquerschnitt

19a, 19b Teil (des Strahlquerschnitts) 19a', 19b' Teil (des Strahlquerschnitts erste Strahlaufteilungsbaugruppe) 19a", 19b" Teil (des Strahlquerschnitts zweite Strahlaufteilungsbaugruppe)

20 umgeformter Laserstrahl 20a unabgelenkter Teilstrahl 20a' unabgelenkter Teilstrahl (hinter erster Strahlaufteilungsbaugruppe)

20a" unabgelenkter Teilstrahl (hinter zweiter Strahlaufteilungsbaugruppe

20b abgelenkter Teilstrahl

20b' abgelenkter Teilstrahl (hinter erster Strahlaufteilungsbaugruppe)

20 b" abgelenkter Teilstrahl (hinter zweiter Strahlaufteilungsbaugruppe

21 Fokussiereinrichtung 21a Fokussierlinse 22 Werkstück 22a Oberfläche 23 Laserspots 23a Laserspot 23a' Laserspot 23a" Laserspot

23b Laserspot

23b' Laserspot

23 b" Laserspot 24 Strahlengang

25 Laserstrahl

26 Kernfaser

27 Ringfaser

28 Kernanteil 29 Ringanteil

30 Vorschubrichtung

31 Schweißkontur

32a-32d Zonen gemeinsame Brechungsrichtung

BR' gemeinsame Brechungsrichtung (erste Strahlaufteilungsbaugruppe)

BR" gemeinsame Brechungsrichtung (zweite Strahlaufteilungsbau gruppe)

KFD Kernfaserdurchmesser NBR gemeinsame Nichtbrechungsrichtung (erste Strahlaufteilungsbau gruppe)

NBR' gemeinsame Nichtbrechungsrichtung (zweite Strahlaufteilungsbau gruppe)

OA optische Achse (der Schweißoptik) OEi optische Ebene der ersten Zylinderlinse OEi' optische Ebene der ersten Zylinderlinse (erste Strahlaufteilungsbau gruppe)

OE optische Ebene der ersten Zylinderlinse (zweite Strahlaufteilungs baugruppe) 0E ₂ optische Ebene der zweiten Zylinderlinse

0E ₂ ' optische Ebene der zweiten Zylinderlinse (erste Strahlaufteilungs baugruppe)

OE ₂ " optische Ebene der zweiten Zylinderlinse (zweite Strahlaufteilungs baugruppe)

RFD Ringfaserdurchmesser Ab Ortsversatz Ab _x Ortsversatz in x (erste Strahlaufteilungsbaugruppe) Ab _y Ortsversatz in y (zweite Strahlaufteilungsbaugruppe) Dc Länge (der Verschiebung der Zylinderlinse in x) Ay Länge (der Verschiebung der Zylinderlinse in y) Aß Winkel versatz Aß _x Winkelversatz (erste Strahlaufteilungsbaugruppe)

Aßy Winkelversatz (zweite Strahlaufteilungsbaugruppe)