激光加工装置和方法以及因此的光学部件与流程

本发明涉及激光加工装置和方法。特别地，本发明牵涉到通过激光加工进行的材料切割和焊接。

背景技术：

当利用激光射束来焊接金属时，通常通过聚束器透镜将激光射束聚束成100-500μm的斑点以增加能量密度且瞬间将工件加热到1500度或超过1500度的金属熔点以使得该工件熔化。同时，可以馈送辅助气体以防止已熔化金属的腐蚀。与来自co2激光器的十微米波段中的激光射束相比，来自固态激光器或纤维激光器的一微米波段的激光射束在金属机件上实现非常高的光学能量强度和吸光度。然而，如果将具有高斯射束的一微米波段激光射束与氧气辅助气体一起用来切割低碳钢板材工件，则工件的顶面上的熔化宽度不必要地加宽并且损害切口控制。此外，可能发生自燃以使激光切割的质量变坏。

在ep2762263、us20110293215、us7348517、jp2013139039、ep0464213、ep2399703、ep2722127和wo2009003484中讨论了用于切割材料的各种解决方案，它们基于环形激光射束，它们提供可以被描述为具有环形或像“甜甜圈”形状的强度轮廓。已经观察到，当使用甜甜圈射束来代替更常规的射束轮廓时可以以更低得多的功率来执行给定厚度的金属的切割，并且就切割速度和质量而言会产生良好的结果。

us8781269公开将激光射束指引到多包层纤维以生成输出激光射束的不同射束轮廓特性的各种布置，在这里输入激光射束被可选地耦合至内部纤维芯中或外部环芯中。

现有技术材料加工应用力图最大化激光射束的亮度。亮度被定义为每单位立体角和单位面积的功率。作为亮度的重要性的一个示例，增大激光射束的亮度意味着激光射束可以被用来增大加工速度或材料厚度。可以从例如纤维激光器和薄盘激光器获得高亮度激光射束。直接二极管激光器的亮度也不断提高，但是用于材料加工的商用直接二极管激光器尚未完全达到纤维或薄盘激光器的亮度。

根据现有技术执行的激光加工具有一些重要的缺点。在焊接应用中，基于所谓的键孔焊接技术的高功率激光器趋向于产生过多热量，导致过度硬化和冷却期间焊缝的变形。焊缝的形状归因于激光射束的本质，横截面深且窄，从而在焊缝处产生大的温度梯度和机械应力。在切割应用中，尤其是厚的材料，激光射束需要具有高强度和相对宽的焦斑，以便蒸发且以其他方式去除已熔化金属，以避免它在激光射束之后再次将各工件焊接在一起。这样的高功率切割留下在形状上有些不规则的切割表面。因此，存在对用于激光焊接和切割的改进方法和设备的需要。

本发明基于将键孔激光切割或焊接与导热焊接相组合的见识。当需要以更高的厚度与宽度纵横比结合材料时使用激光键孔焊接。具有高强度的激光射束会将材料加热到蒸发温度以上，导致在已熔化金属的前缘处被称为键孔的深毛细管。随着热源的进展，已熔化金属填补在该孔后面以形成焊珠。惰性气体屏蔽该工艺并且在键孔焊接工艺期间防止其受到不需要的氧化。通过发出具有非常高脉冲强度的单个脉冲，还可以实现点焊，诸如电子工业中使用的那样。

键孔激光切割是一种在其中使经过集中的热源穿透工件并且通过一些措施来去除已熔化金属以防止其形成焊珠的类似技术。

导热焊接适用于高达近似2mm的材料厚度的金属板材。聚焦在接缝上的激光射束加热材料并且该热量迅速传导通过板材促使其熔化并结合在一起。该聚焦光学器件将激光射束聚焦于样品的同时沿着该接缝移动该聚焦光学器件，留下高质量的焊接。对于传导焊接，可以使用具有较低亮度的激光器，比如直接二极管激光器。

在努力寻找一种可能被用于切割和焊接二者并且还将如根据现有技术所执行的那样去掉键孔焊接的一些缺点的激光技术的过程中，发明人观察到当以特殊配置来组合键孔和传导激光源时，问题被解决。

技术实现要素：

在所附权利要求中限定具体解决方案以及其实施例。

根据本发明的一个方面，一种激光加工装置包括：

-至少一个第一激光设备，每一个都向至少一个第一光学馈送纤维提供第一激光射束；

-至少一个第二激光设备，每一个都向至少一个第二光学馈送纤维提供第二激光射束；

-射束组合装置，其被连接至所述第一和第二馈送纤维和多芯光学纤维，该组合装置被适配成通过使所述至少一个光学馈送纤维与所述多芯光学纤维的第一芯对准以及使所述至少一个第二光学馈送纤维与所述多芯光学纤维的至少一个第二芯对准来形成复合激光射束；

-所述第一芯和第二芯，其被适配成在激光加工头处将包括第一和第二输出激光射束的复合激光射束指引到要被加工的工件；以及

-控制单元，其被功能连接至所述第一和第二激光设备，以用来单独控制所述第一和第二输出激光射束中的功率密度。

根据一些实施例，所述多芯光学纤维的第一芯具有圆形的横截面，并且该第二芯具有与第一芯同心的环形形状。因此，被适配成载送或引导第一激光射束的第一光学馈送纤维的中心可以与第一芯的中心对准，并且被适配成载送或指引第二激光射束的至少一个第二光学馈送纤维的中心可以在第二环形芯的内径和外径之间对准。在一个实施例中，该第二光学馈送纤维是四个并且与第二环形芯的横截面对称接合。

在一些实施例中，该第一激光设备是纤维激光器并且该第二激光设备是二极管激光器。在一些其他实施例中，该第一和第二激光设备二者可以是纤维激光器。

根据本发明的第二方面，一种用于利用激光射束来加工工件的方法包括以下步骤：

-从连接至至少一个第一激光设备的至少一个第一光学馈送纤维提供至少一个第一激光射束；

-从连接至至少一个第二激光设备的至少一个第二光学馈送纤维提供至少一个第二激光射束；

-通过使所述至少一个第一光学馈送纤维与所述多芯光学纤维的第一芯对准并且使所述至少一个第二光学馈送纤维与所述多芯光学纤维的第二芯对准来将所述第一和第二激光射束组合到多芯光学纤维中；

-将包括第一和第二输出射束的复合激光射束从所述多芯光学纤维指引到要被加工的工件；以及

-利用功能连接至所述第一和第二激光设备的控制单元来单独控制所述第一和第二输出射束中的功率密度。

根据本发明的第三方面，一种用于组合和对准激光射束的光学部件包括：

-由熔融的玻璃管组成的主体部分；

-所述玻璃管的输入端，其用于从至少两个激光设备接收由光学馈送纤维载送的激光射束；

-所述玻璃管的相对输出端，其用于递送由在同一方向上彼此对准的至少两个激光射束组成的复合输出激光射束；

-其中在所述主体部分中，在所述输入端处进入的光学馈送纤维延伸通过毛细管孔中的所述主体部分到达所述输出端并且与所述玻璃管熔合以形成由光引导芯和环绕的玻璃材料组成的部件，所述芯具有比环绕该芯的玻璃材料的折射率更高的折射率以提供该芯中的光学功率借助于全内反射通过整个部件的传播。

根据一些实施例，该光学部件中的第一光学馈送纤维的中心与所述主体部分的中心对准以形成延伸通过该光学部件的第一中心光引导芯。而且，至少一个第二光学馈送纤维的中心可以形成延伸通过所述光学部件的至少一个第二光引导芯以在所述输出端处以及在离所述第一中心光引导芯的预定义距离处提供输出射束。在一个优选实施例中，该第二光引导芯是关于所述中心芯对称布置的四个，以便在离所述第一中心光引导芯的所述预定义距离处提供彼此之间有90°的角距离的输出射束。

根据本发明的第四方面，一种具有创造性的装置被用于激光焊接。根据本发明的第五方面，该具有创造性的装置被用于激光切割。

借助于本发明获得了相当多的优点，包括：

-在焊缝中减少的硬化效应，导致较少变形；

-归因于更清洁的切割表面的对于切割工件的宽松的公差；

-大的斑点和小的键孔提供更好的控制和功率；

-更容易的填充材料馈送；

-一个激光源用于切割和焊接；

-用来实现相同结果的降低的成本。

接下来，参考附图更详细地描述本发明的实施例。

附图说明

在下面，参考附图详细地描述本发明，在附图中：

图1示出传导和键孔激光加工的影响的示意性横截面；

图2以横截面示出键孔焊缝和具有创造性的混合焊缝之间的差异；

图3示出具有创造性的装置的一个示例；

图4以横截面示出根据本发明的复合激光射束；

图5示出具有创造性的耦合装置的接收端的横截面；

图6图示在具有创造性的耦合装置的输出端处的折射率轮廓；

图7示意性地示出根据本发明的光学部件。

具体实施方式

图1示出解释对传导和键孔激光加工的影响中的差异的示意性横截面。被能够传导焊接或切割的二极管激光器加工的金属板材1撞击金属的相对浅但宽的斑点2。典型地，这种二极管激光器具有2kw的功率额定值和大大小于0.1mw/cm²的功率密度。斑点2的最大深度（以及切割能力）通常是2mm。

利用参考数字3来标记由高亮度激光器（诸如纤维激光器）造成的典型键孔图样。不存在可以利用这种激光器来切割多厚的金属板的实际限制，但是这当然取决于激光射束强度和加工速度，即激光射束移动跨过金属表面的速度。

纤维激光器可以具有高达1-5kw或更多的功率额定值，以及几mw/cm²的功率强度。该键孔的直径可能在小于1毫米（例如0.1毫米）的区域中，并且该斑点2的直径例如可以在几毫米（诸如3毫米）的区域中。

图2示出具有创造性的混合激光概念的实际效果的示例。以横截面示出纯键孔焊缝和具有创造性的混合焊缝二者。条目4a和4b示出分别利用2种不同加工速度（3和4米/分钟）的键孔焊缝。条目5a和5b示出利用相同速度的混合焊缝。可以注意到，在图5a和5b的焊缝中的渗透比在条目4a和4b的对应焊缝中的至少深20%，数字值分别是例如条目4b和5b中的1.5mm与1.2mm。归因于具有创造性的混合焊接的本质，焊缝当然也会更宽。对于混合焊缝的维氏硬度（hv）值（hv245和255）也比对于键孔缝的维氏硬度（hv）值（hv300和335）更低，从而指示在混合缝中更小的硬化效果。已经可以从这些示例看到，组合键孔和传导激光加工的影响是相当大的。

图3示出具有创造性的装置的一个实施例。利用光学纤维8将高亮度纤维激光器6连接至激光射束组合器11。同样地，利用纤维9将一个或若干个固态或二极管激光器7连接至射束组合器11。一般来说，本领域中已知单个激光射束组合器。在这种情况下，组合器的任务是布置所有入射的激光射束以使得它们可以被耦合至双芯光学纤维12。因此，具有创造性的激光器的混合性质是使两个激光射束在单个双芯光学纤维12内部传播的结果。纤维12内部的两个激光射束通常具有不同的亮度和强度轮廓，并且可能甚至具有不同的波长。此外，可以通过调整来自纤维激光器6和固态或二极管激光器7的功率级来独立且连续地控制两个激光射束中的功率级。

为了实现射束的足够亮度，高亮度纤维激光器6可以包括二极管泵浦的单个或多个纤维激光振荡器或主振荡器-功率放大器（mopa）模块，每一个都包括例如耦合至纤维谐振器的纤维耦合的二极管激光器。高亮度激光器的其他示例是纤维耦合的薄盘激光器或nd-yag激光器，它们是利用来自二极管激光器的光泵浦的。现代激光器技术经常依赖于作为能量传递介质的光，因为许多有源固态光放大材料是绝缘体。二极管激光器已经替换了先前使用的闪光灯，因为它们更高的效率和更窄的光谱。

激光器7典型地是纤维耦合的激光器，其还可以包括由二极管激光器泵浦的固态激光谐振器，例如薄盘激光谐振器（未被示出）。双芯光学纤维12载送来自其中心芯中的纤维激光器6的激光射束和由在离中心芯一定距离处在中心芯周围以环形布置的外部芯中的一个或多个第二激光谐振器生成的射束，参见图5。明显地，并且在本发明的一个实施例中，第一和第二激光器二者可以是纤维激光器，每一个都具有单独可控的功率级。一些激光器是通过构造并将光固有地馈送到光学纤维中的纤维激光器，其他需要与纤维光学地接合以便将激光射束对准到输出纤维的芯。因此，在一些实施例中，激光器6和7二者是纤维激光器，在其他实施例中是纤维和固态或二极管激光器的任何组合，或者激光器6和7二者可以是二极管激光器。激光器装置的用途和个体激光器模块的功率额定值确定哪种激光器易于被连接至射束组合器11。

该双芯光学纤维在其相对端处被连接至激光加工头13，该激光加工头13将已组合或复合的激光射束16向前引导到工件14。该激光加工头13通常包括准直和聚焦透镜（未被示出）以产生从纤维12的端部出现在具有如由该透镜的焦距确定的期望尺寸的工件14上的强度轮廓的图像。激光头13的任务还可以是向焊缝提供屏蔽气体，或者向切割线提供加压气体射流。加压气体还保护激光头13内的光学器件免受喷出的已熔化金属的影响，并且还从切割线移除该光学器件以帮助保持其清洁。

在本发明的一个实施例中，该装置被提供有控制单元10。该控制单元还可以被集成在激光器单元6或7之一中。备选地，为了方便和可靠，所有单元6、7和10可以被放置在单个外壳中并且在它们的构造中彼此集成。该控制单元10可以从激光头13的用户接收反馈15，或者例如来自光强度传感器的自动反馈。该反馈然后被用来控制激光器6和7的功率以跟随预定的目标，或者根据在工件14处观察到的得到的焊接或切割结果来调整激光器功率。该控制单元可以包括例如通用计算机。这样的计算机可以被提供有用于基于给定输入参数和接收到的反馈15来控制激光器6和7的适当软件。备选地，该控制单元可以包括微控制器（诸如瑞萨rl78或东芝tlcs-870微控制器或类似物）。

根据本发明，该射束组合器11由熔融硅石部件制成，在这里光学功率在熔融硅石内部传播通过整个组合器结构，并且该组合器在输入端和输出端处具有光学纤维。因此，在本发明中，射束组合器11可以被称为全玻璃纤维组合器。

在图4中示出从激光加工头出现的到达工件14的复合激光射束40的结构。环形外部射束42正载送由激光设备7提供的激光功率，该激光设备7将在工件上产生相对浅但宽的斑点，参见图1。相应地，内部射束41正载送由纤维激光设备6提供的激光功率并且归因于其更高的亮度将在工件中引起键孔图样。在各射束之间的是环形区43，其仅提供杂散辐射或根本不提供激光辐射。

在图5中示出具有中心芯51的双芯光学纤维50的横截面，该中心芯51带有主包层54。该外部芯53在空间上由内部包层54和外部包层55形成。如熟悉本领域的任何人所清楚的，该包层被限定为具有比芯的折射率更低的折射率的材料。该中心芯51的直径可以是70μm，并且该外部芯53的内径和外径可以分别是100μm和180μm。该中心芯51和外围芯53还可以采用除上述那些以外的其他形式。该中心芯51可以是例如方形或矩形形状。该外围芯53还可以具有矩形边界或由线性或圆形形状的多个片段组成。

利用虚线示出来自射束组合器的熔融馈送纤维56和57（图7中纤维72和71）的端部的芯可以如何与双芯光学纤维50的横截面对准。

该双芯光学纤维50的中心芯51中的激光辐射具有在中心且窄的空间强度轮廓，而外部芯53中的强度分布采用甜甜圈的形状。进一步利用激光头13中的加工光学器件将该空间强度图样成像在工件上。利用该配置，激光射束的射束质量在中心芯和外部芯二者中是相对高的。然而，归因于形状和横截面区域中的差异，内部芯可以产生比外部芯更好的射束质量并且因此更好地针对切割薄材料和工件，或在切割厚材料中进行穿孔加工。归因于外部芯的环状强度分布，对于更厚的材料来说由外部芯产生的有点较低的射束质量的缺点在重要性上不及组合的加工速度以及焊缝或切割表面的清洁。可通过调整源自激光源的功率来单独且根据工件的要求调整该内部芯和外部芯的功率强度。

现在参考图6，示出光学双芯纤维50的示例性折射率轮廓。芯51和53必须具有分别比环绕材料54和55的折射率n54和n55更高的折射率n51和n53。以这种方式在至少可能的参考图4的各芯中的每一个中的光学功率和强度的衰减以及环形强度轮廓中的退化的情况下将激光射束引导到要被例如切割的工件。

可以通过利用杂质掺杂熔融硅石来调整其折射率。利用锗来掺杂熔融硅石导致折射率的增加，而利用氟来掺杂熔融硅石导致折射率的降低。因此，芯51和53可以由锗掺杂或未被掺杂的熔融硅石制成，并且它们的主包层54和55可以由例如氟掺杂的熔融硅石制成。

在图7中示出纤维组合器11的关键光学部件70。其是多孔毛细管，该多孔毛细管具有由熔融硅石玻璃管77组成的主体部分、用于从至少两个激光设备（例如来自设备6和7的纤维8和9）接收由光学馈送纤维71和72载送的激光射束（未被示出）的输入端76。其还具有用于递送由在同一方向上彼此对准的至少两个激光射束组成的复合输出激光射束的相对输出端74。

在输入端76处进入的光学馈送纤维71、72延伸通过毛细管孔中的所述主体部分到达所述输出端74并且与玻璃管77熔合以形成由光引导芯71a、72a和环绕的玻璃材料组成的部件。该芯具有比在该芯周围环绕的玻璃材料的折射率更高的折射率以提供该芯中的光学功率借助于全内反射通过整个部件的传播。

为了示出纤维组合器的原理，该芯的尺寸和部件70的尺寸没有按照比例，并且为了清楚起见，仅利用虚线示出一对芯。

可以通过例如拉延来制造光学部件70。在该示例中，对于直径约300μm的纤维72在中心可以存在更大孔以及对于在中心孔72外围且对称放置的纤维71可以存在四个更小的孔。更小的孔可以具有例如约150μm的直径。毛细管的外侧直径可以是1mm。该管的材料可以是例如熔融硅石。将其块状玻璃（未被示出）的外部包层已经优选地被至少部分蚀刻掉的纤维插入中间孔中并且一直穿过到毛细管锥形的腰部73。当纤维已经就位时，在腰部区段73处加热毛细管70以便将纤维熔融到管并且形成第一中心光引导芯72a和第二光引导芯71a，它们都延伸通过光学部件70。

该纤维71、72可以作为具有纯熔融硅石材料的内部芯和氟掺杂的硅石的外部包层的备选。以这种方式，该光学部件70的熔融硅石玻璃管77可以由纯熔融硅石制成，因为该纤维的光引导芯固有地被具有更低折射率的材料包围。这意味着，光仍然在芯71a、72a中，即使毛细管的折射率与纤维芯中的折射率相同。在这种情况下，块状玻璃的外部纤维包层可被蚀刻掉直至氟掺杂的包层，或者甚至进一步，只要一些氟掺杂的包层仍在纯或锗掺杂的内部纤维芯周围。

然后熔融芯71a、72a（利用虚线示出）以及管70被切掉或砍除以产生端部表面74。然后可以在端部74处将双芯纤维12（比如图3中示出的一个）焊接到毛细管，结果得到缝75。

在优选实施例中，该第一光学馈送纤维72的中心与部件70的中心对准，并且例如四个第二光学馈送纤维71的中心被定位成在输出端74处在离第一中心光引导芯72a的预定义距离r处提供输出射束。该第二光引导芯71a优选地被布置成关于中心芯72a对称，以提供彼此之间具有90°的角距离的输出射束。

要理解，所公开的发明的实施例不限于本文中公开的特定结构、加工步骤或材料，但是被扩展到如相关领域中的普通技术人员将会认识到的其等同物。还应该理解，本文中采用的术语被仅用于描述特定实施例的目的并且不意图进行限制。

遍及该说明书对“一个实施例”或“实施例”的参考意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”在遍及该说明书的各个位置中的出现不一定所有都指的是同一实施例。

在本文中可能提及本发明的各种实施例和示例连同对其各种部件的备选。要理解，这样的实施例、示例和备选不要被解释为彼此的实际上的等同物，而是要被视为本发明的单独且自主的表示。

此外，可以在一个或多个实施例中以任何适当的方式来组合所述特征、结构或特性。在该描述中提供许多具体细节（诸如长度、宽度、形状等等的示例），以提供对本发明的实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将会认识到，可以在没有各具体细节中的一个或多个的情况下，或者利用其它方法、部件、材料等实践本发明。在其他实例中，没有详细示出或描述公知的结构、材料或操作以避免使本发明的各方面模糊。

尽管前述示例说明了在一个或多个特定应用中的本发明的原理，但是对本领域普通技术人员将显而易见的是，可以在没有运用创造性能力情况下并且在不偏离本发明的原理和概念的情况下在实施方式的形式、使用或细节上做出许多修改。因此，不意图使本发明受到除了如下面阐述的权利要求之外的限制。