专利名称：每个激光脉冲功率有变化的尤其用于焊接的脉冲激光加工方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光焊接领域，尤其是高反射材料的激光焊接，所述高反射材料例如为铜、金、银、铝和包括这些金属之一的合金。更具体而言，本发明涉及一种激光焊接方法和用于实施所述方法的设备，其中相干光源产生波长为700-1200纳米的激光束，例如Nd =YAG激光器或光纤激光器。提供非线性晶体以使激光束的频率部分加倍，从而提高加工效率。
背景技术：
美国专利N0.5083007公开了一种激光焊接设备，包括:Nd:YAG激光源，利用闪光灯对其进行光学泵浦，产生波长为1064纳米(nm)的相干光；以及布置于谐振腔中的非线性晶体(例如LiNbO3或KTP)，所述晶体使激光源产生的光频率部分加倍。在谐振腔的输出处，于是有两个波长，即1064nm (红外光)和532nm (绿光)形成的激光束。本文提出产生一种脉冲激光束，至少3%波长介于350和600nm之间的光由2F频率转换器产生。优选地，激光脉冲至少有30MJ能量，至少3MJ来自倍频光。脉冲的持续时间设置于0.5毫秒(ms)和5.0ms之间。美国专利N0.5083007实质上公开了激光焊接设备的三个实施例。第一实施例(图1)中，产生瞬时功率较低的激光束以避免损伤非线性晶体，以便利用腔内布置的晶体获得5%和15%百分比的绿光。为了增大绿光的这种百分比，任选地提供红外反射器，其过滤一部分红外光。在第二实施例中，在谐振腔输出处选择几乎不反射绿光的镜子，这增加了激光脉冲中绿光的量。这里将要指出，红外光和绿光之间的比例是固定的。在第三实施例中，为了能够调节激光束中这两种辐射之间的比例，可以分开这两种辐射并随后由滤波器对其独立进行衰减。这样能够改变两种辐射之间的比例，同时减少针对给定发射功率入射在材料上的激光功率。因此减小流动激光系统的效率。此外，将要指出，这种方法能够在两次不同的焊接操作之间改变绿光和红外光之间的比例，因此必须要改变至少一个衰减器滤波器，以修改所述比例。在美国专利N0.5083007中给出的所有实施例中，布置激光脉冲以通过开/关闪光灯来形成。如该文献的图2所示，这获得了脉冲，其中，一旦打开泵浦装置，功率分布图就呈现出指数式增加，直到泵浦装置保持活动时维持的最高水平，即，在整个脉冲主体内，其持续时间都与脉冲的周期相关，然后一旦关掉光泵浦装置，功率就以指数形式下降。因此在每个脉冲期间没有功率分布图的管理或控制。除了两端之外，功率都维持在最大值，其中分布图仅取决于激光源和光泵浦装置的物理特性。因此，在每个脉冲的大部分时间内绿光和红外光之间的比例保持基本恒定。这会导致一个问题，尤其对于高反射金属而言。实际上，2F晶体的转换速率随着入射激光束的强度而增大。美国专利N0.5083007中提出的激光束通过在低水平(OFF)和高水平(ON)之间调制光泵浦功率来供应脉冲。为了增大这种激光器产生的脉冲中绿光功率，必须要增大泵浦装置的功率。增大绿光在脉冲中的比例和量还增大了红外光的量，在任何情况下都增大了每个脉冲的能量总量。观测发现，这导致所形成焊接的质量问题，因为，如果绿光在材料中的初始耦合更好，一旦焊接材料的局部温度显著升高，红外能量也得到很好吸收。这然后会导致过渡能量密度的吸收以及出现破坏性二次热效应，例如形成等离子体和向材料表面外部喷出熔化材料。不过，如果减小脉冲激光的功率以限制每个脉冲吸收的红外光的量，所功率的绿光能量的比例和量减小，焊接效率降低。此外，给定焊接的可再现性变得非常依赖于被焊接材料的表面状态。控制所形成焊接的质量变得复杂而困难。
发明内容
图1大致示出了根据每种金属上入射激光波长在基本环境温度下四种高反射金属(铜、金、银和铝)的吸收系数。对于Nd:YAG激光器产生的辐射，即1064nm波长，尤其对于铜(Cu)、金(Au)和银(Ag)观测到非常低的光吸收率。相反，在该频率的二倍(即在532nm)处，对于铜和金观测到吸收率大大增加到约20% (在环境温度)。一旦温度升高，这个比率能够升高到约40%。这解释了上述现有技术中提出的混合光束为什么提高了焊接的效率。不过，将要指出，这里给出的百分比是例示性的，因为它们还取决于其他参数，例如金属的表面状态。不过，对于红外光，在金属的表面温度升高时，图1中所示的状况显著改变，在这个温度达到熔化温度时，有显著的跳跃，如图2中针对铜大致所示那样。对于从Nd-YAG(Ium)激光器入射的红外光，观测到从环境温度下小于5%的吸收系数到接近熔化温度TM时大约10%的变化。在熔化温度下，这个系数变得高于15%，然后随着熔化金属的温度升高而继续增大。这种观测提供了现有技术中观察到的问题的解释。通过增大激光装置的功率以在初始焊接阶段中有更多能量耦合到金属，现有技术在脉冲的整个周期中增大红外光功率，一旦材料的表面温度升高，就吸收得越来越多；这实际上发生得很快。初始焊接效率增大，但最终吸收的能量总量变得过大，导致对焊接质量不利，特别是对焊接后的表面状态不利的二次问题。本发明的目的是通过如下方式在本发明的范围之内克服上文强调的问题:为激光器装备控制装置，该控制装置设置成形成激光脉冲，在每个激光脉冲的周期上具有这样的功率分布:在初始子周期中，具有最大功率峰或脉冲的一部分具有最大功率峰，在持续时间大于初始子周期且紧随其后的中间子周期中，贯穿整个中间子周期，具有低于所述最大功率的功率。最大功率的值为激光脉冲整个周期的平均功率的至少两倍。此外，从激光脉冲的开始增加到最大功率的时间或持续时间设置成少于300 μ S，优选少于100 μ S。特别地，初始子周期的持续时间少于两毫秒(2ms)，更优选少于1ms。激光脉冲优选结束于结束子周期中，在结束子周期中功率迅速降低，优选以受控方式降低，以优化焊接的冷却。因此，本发明涉及如附于本说明书之后的权利要求1所述的激光加工方法。在从属于权利要求1的权利要求中给出了这种方法的特定特征。本发明还涉及权利要求13所述的激光加工设备。在从属于权利要求13的权利要求中给出了这种设备和其控制装置的特定特征。由于本发明的特征，这些特征引入在每个激光脉冲期间对所发射的光功率的控制并定义在脉冲初始阶段功率较高且这个初始阶段之后功率降低的功率分布，所以在初始阶段中获得很大量的倍频光，然后，在被加工材料的表面温度升高之后激光源初始频率光的吸收充分增大时，显著减小发射的光功率，以限制吸收的能量的量并优选在时间上控制激光脉冲中间阶段期间吸收的光功率。 将要指出，对每个激光脉冲在第一阶段中的功率分布的控制特别设置成优化倍频光的产生，在被焊接材料温度最初低于其熔化温度的这个初始阶段中倍频光比单频光吸收得更好。于是，最大功率设置成迅速增大，从而迅速获得足以迅速加热焊接材料的倍频光功率。根据本发明，增加到最大功率的时间或持续时间少于300 μ s(0.3ms)，优选少于100 μ s(0.1ms)。初始峰值的最大功率必须足以通过最优方式将倍频光能量耦合到材料，但不能过高，因为在良好的期望转化率下，倍频光的量可能变大，甚至占支配地位。相反，在下一阶段期间，发射到材料的能量实质上由单频光控制以执行焊接。在这一后续阶段中，功率减小，转换成倍频光的功率仅处于次要甚至无关紧要的地位。初始阶段中的功率峰值产生一种初始倍频脉冲，继之以单频脉冲。因此在每个产生的激光脉冲中，都有两个相继脉冲的组合，其中第一个的频率是第二个的两倍。这两个脉冲的每个都针对焊接期间材料的温度变化和材料对其的吸收而被调节。因此使用初始峰值获得初始倍频脉冲，其功率足以迅速提高焊接材料的温度，根据本发明，所述初始峰值的功率至少是脉冲平均功率的两倍，因为非线性晶体的转化率远低于100%并且还取决于该晶体接收的光强度。通过将高功率的持续时间简单地限制到初始阶段，从而以与中间阶段不同的方式控制初始阶段中的功率，在初始阶段中倍频光大部分被吸收，在中间阶段期间发生实际的焊接且初始波长的光被很好吸收。此外，这样能够在初始阶段供应较高功率以增加非线性晶体的转化率。实际上，这个转化率与入射光强度成比例地增加，因此倍频光功率与入射功率的平方成比例地增大。于是，为了在初始阶段中获得最大量的倍频光，有利的是在这一初始阶段中提供较高的光功率。由于这个初始阶段中发射的功率不限定后续阶段中发射的功率，所以这不会在加工质量方面导致任何问题。于是能够在这个初始阶段中提供较高的功率峰值，其使得在被加工材料的表面迅速并有效率地开始进行加工。这具有另一个优点，因为不必像现有技术中那样在激光腔中结合非线性晶体以获得特定比例的倍频光。于是能够采用常规的激光源并在激光束离开激光源的光轴上布置包括非线性晶体的热调节单元。
下文将参考以非限制性示例形式给出的附图描述本发明的其他特征，附图中:-图1已经描述过，示出了在环境温度下对于各种金属，光吸收对波长的依赖性。-图2已经描述过，示出了铜的光吸收对金属温度的依赖性。-图3示意性地示出了根据本发明的激光脉冲的功率分布，在通过非线性晶体之后存在两个波长的分量。-图4示出了根据本发明的激光加工方法的优选实施方式。-图5是根据本发明的激光加工设备第一实施例的示意图。-图6是根据本发明的激光加工设备第二实施例的示意图。
具体实施例方式本发明的激光加工方法包括如下步骤:
A)利用激光源产生由一系列激光脉冲形成的、波长为700-1200纳米的激光束。B)利用非线性晶体使激光束的一部分频率加倍。C)改变每个所发射激光脉冲期间的功率，使得在这个激光脉冲的整个周期内，功率分布图在初始子周期Tl中具有最大峰值功率或者脉冲的一部分具有最大功率，在持续时间比初始子周期更长且发生于其后的第二中间子周期T2中，贯穿整个中间子周期具有低于所述最大功率的功率。最大功率的变化值至少是激光脉冲整个周期内的平均功率的两倍，从每个激光脉冲的开始增大到所述最大功率的时间少于3/10毫秒(0.3ms)。图3示出了根据本发明的激光脉冲的归一化功率分布图变型(相对比例尺最大为I)。曲线10表示脉冲期间发射的总激光功率。在通过非线性晶体之后，将来自激光源的初始频率光的一部分变换成倍频光。由曲线12示意性且大致表示对于该倍频光或辐射所得的功率曲线。由曲线14给出剩余初始光功率。因此，阴影面16表示频率已加倍的所产生激光的部分。将要指出，倍频光的光功率与初始光功率的平方(数学上2次幂)成比例。实际上，对于归一化的初始功率“1”，获得了例如0.3 (30%)的倍频光功率，而在初始功率减小到原来的一半到达0.5 (50%)时，倍频光功率减小到原来的四分之一，到达大约0.075(7.5%)。将要指出，在实践中，在将这种激光器与谐振腔外部的倍频单元相关联时(如下文将描述的图5和6中所示)，30%的转换率对应于峰值功率小于IOkW且泵浦脉冲为几毫秒的标准工业闪光灯和/或二极管泵浦的激光器的最大值。不过，将要指出，利用供应非常高质量激光束(M2接近1.0)的光纤激光器能够获得更高的转换率。在初始阶段，控制激光源以迅速达到提供的最大功率，以在短时间之内获得最佳的倍频光功率。通常，增大到最大功率的时间小于3/10ms(0.3ms)。在优选变型中，功率设置成在激光脉冲开始时尽快增大，以尽快获得最大量的倍频光。于是，增大到最大功率的时间少于0.lms。在特定变型中，该增大的时间少于50μ s (0.05ms)。在功率向零降低的最终子周期T3中激光脉冲结束，优选对这种降低进行控制，以影响所执行焊接的冷却并优化冶金。为了正确理解具有根据本发明的功率分布图的激光脉冲获得的物理机制，在利用红外光(1064或1070nm)激光焊接铜元件的应用中，可以参考图3中的变型。在功率最大的初始子周期Tl中，可以假设例如将20%的红外光转换成绿光(532或535)。因此，80%的入射红外光保持在金属的表面上。不过，20-40%的绿光能量被吸收，而仅有5-10%的红外能量被吸收。因此，绿光在金属中的耦合大约为总能量的4-8%，这也是耦合到金属的绿光比例。于是，在初始子周期中，绿光对熔化金属的贡献与红外光差不多，而非线性晶体进行的转化仅为20%。将要指出，在初始子周期开始时，在金属温度尚未因能量供应而显著升高时，金属吸收的初始频率的能量的量一般低于倍频能量的量，于是倍频(能量)将扮演主要角色。一旦金属的温度充分升高，两种耦合能量之间的比例变化，吸收的红外能量变得占优势。一旦吸收的红外能量的量急剧增大，光功率减少；这界定了根据本发明的每个激光脉冲的中间子周期T2。在本发明的范围之内，由闪光灯泵浦的激光器或由在第一变型中工作在调制CW模式中且在第二变型中工作于QCW模式中的二极管泵浦的激光器获得激光脉冲。如果激光器是例如固态Nd =YAG或类似种类的激光器，在第一变型中，由闪光灯，在另一变型中由二极管形成泵浦装置。在优选实施例中，使用二极管泵浦的光纤激光器。后者提供了可以更好聚焦的更好质量射束；这提高了非线性晶体的转化率。在初始子周期Tl中，最大功率可以为50W (瓦)-20kw。这尤其取决于在被加工材料表面上提供的激光光斑的直径。激光脉冲的周期不受限制，但一般为0.1ms到IOOms (毫秒)。在优选变型中，尤其对于焊接应用而言，初始子周期Tl的持续时间小于2ms。中间子周期T2的典型持续时间为Ims到5ms,本发明的条件是T2大于Tl。在根据本发明的方法的优选实施方式中，激光脉冲时间分布图的最大功率值至少是所述激光脉冲整个周期内的平均功率的两倍。在特定变型中，最大功率高于200W。在后一种情况下，激光源工作在QCW模式或闪光灯或二极管脉冲模式中。在调制的CW模式中，阶段Tl中的最大功率匹配最大CW功率，然后在下一阶段T2中CW功率减小。针对本发明的方法想到的应用有多个，特别是连续或点焊金属，切割和蚀刻金属以及例如陶瓷、CBN或PKD的硬质材料。在特定模式中，提供了聚焦激光束的装置，可以对其进行或不进行总体色彩补偿，以在倍频光的焦点处获得光斑，该光斑的直径小于初始波长光的光斑的直径。因此，本发明的这一特定实施例利用了如下事实:倍频光的发散与单频光不同，相差大约两倍。如图4A中所示，由入射光束在被加工材料上形成的光斑在中央区域20中具有两种辐射的混合，而环形区域24仅接收单频光，其光斑22的直径比定义中央区域20的倍频光斑的直径大。由于这个特征，激光脉冲初始阶段中的能量吸收实质上发生在中央区域20中，在此有效率地开始加工，因为倍频光集中于这个区域，因此其强度比倍频光基本完全覆盖光斑22的情况相比要高得多。在应用于焊接金属元件时这个特定实施例尤其有利。本发明方法的以下描述将考虑焊接高反射金属。具体而言，焊接的金属为铜、金、银、铝或包含这些金属之一的合金。如上所述，将参考图4描述的本发明方法的特定实施例有效地应用于焊接。倍频光集中在中央区域20中。由于这种光被金属较好地吸收，所以在中央区域中向金属中引入了特定量的能量，该特定量的能量使局部温度升高到熔化温度。于是，倍频光与处于功率峰值的初始频率光的组合或与具有每个激光脉冲的最大功率的脉冲部分的组合的强度，高于这种光组合和被焊接材料的熔化阈值。将要指出，金属的熔化首先取决于光强度，即功率密度，还取决于所述光强度的持续时间。于是，显然对于固态激光器(例如Nd:YAG)或光纤激光器(例如掺Yb)而言，倍频光(绿光)在中央区域中的集中允许利用较低功率的激光器到达熔点阈值，这并非仅仅因为红外光的频率被加倍(在示例中，这里为两个给定的激光器)，而且因为这种绿光集中于大约为红外光获得的光斑的四分之一的光斑中。从而获得了增加为大约四倍的光强度。基于图1中给出的高反射金属的光吸收特征，显然，一开始在中央区域20中吸收能量，在该区域20中在一定时间段之后金属开始熔化(由图4A中的阴影示意性表示)。能量迅速在周围区域中扩散(对于铜，热扩散大约为0.3mm/毫秒，由图4A中的箭头表示)。因此环形区域24中的温度升高，最后单频光(红外)也在整个光斑22上被显著吸收，导致所述光斑22界定的其表面的区域中金属熔化，如图4B所示。因此从要焊接的金属表面上的入射激光束的中央区域进行焊接。将要指出，根据激光脉冲的持续时间和结束子周期T2中红外光的光强度，金属熔化的最终区域宽于或窄于且大于光斑22，因为金属是良好的热导体。
还要指出，可以在中间子周期中，控制尤其是改变激光器的功率以优化焊接。具体而言，至少在所述中间子周期的第一部分中，控制光强度以使焊接区域中熔化材料的温度保持基本恒定。可以通过传感器实时控制或通过经验尤其是通过预试验确定中间子周期的功率分布图。本领域的技术人员可以使用各种方法。在特定变型中，初始子周期Tl中的倍频光强在基本位于将来焊接处上的焦点处大于0.lMW/cm2。优选地，将给定激光器的光脉冲最大功率设置成尽可能地高，同时避免在焊接应用中穿孔。在这种优选变型中，初始子周期Tl中倍频光的强度在焦点处具有高于
1.0MW/cm2的功率峰值。在针对给定焊接优化激光器装置功率的变型中，处于功率峰值的初始波长(红外光)的光强或处于最大功率的脉冲部分的光强，低于所焊接金属在环境温度下对于这种光的熔点。具体而言，初始波长的光的强度在焦点处小于10MW/cm2。 下文将以非限制性方式描述根据本发明的激光器设备的两个实施例。在图5中，激光加工设备30包括:-相干光源32，其产生具有700_1200nm的初始波长的激光束34；-非线性晶体36，用于部分倍频所述激光束；-装置38，控制设置成产生激光脉冲的所述光源。这种设备的特征在于，控制装置38设置成形成激光脉冲，所述激光脉冲在每个激光脉冲的整个周期中具有如下功率分布:在初始子周期中，具有最大功率峰值或脉冲的一部分具有最大功率，在持续时间大于初始子周期且紧随其后的中间子周期中，贯穿整个中间子周期，具有低于所述最大功率的功率(参见上述图3)。最大功率设置成至少为激光脉冲整个周期内的平均功率的两倍，从每个激光脉冲的开始增大到所述最大功率的时间少于300 μ s (0.3ms)。相干光源(激光源)由通过泵浦装置42光学泵浦的激活媒质40形成。在第一变型中，这个泵浦装置由一个或几个闪光灯形成。在第二变型中，泵浦装置由多个二极管形成。激光源包括由全反射镜44和输出镜46形成的谐振腔,输出镜在选定透射波长(对于Nd:YAG而言具体在1064nm)处是半反射的。起偏振器48和光阑50也布置于谐振腔中。选择非线性晶体36以有效地使激光束34的频率加倍。这种晶体布置于防尘外壳52中。该外壳优选是热调节的，尤其是利用珀耳帖模块54，利用泵56在该外壳中产生真空。在该外壳的入口处布置光学聚焦系统60以提高倍频晶体36上的光强度，因为其效率取决于入射光强度。还提供在532nm和1064nm下透明的光学系统62，用于准直包括初始频率(单频)和倍频的两种辐射混合的激光束64。然后利用光学聚焦系统66和连接器68将这个光束64引入光纤70中。光纤70将光束64引导到加工头72。控制装置38作用于泵浦装置42。控制装置38与用于泵浦装置的电源相关联，并且能够形成单个功能单元或同一模块。这个控制装置连接到控制单元74，控制单元74用于使用户能够为可调参数输入特定选择值，以便定义由激光源32产生的激光脉冲的功率分布，从而实施上述根据本发明的激光加工方法。可以将控制单元74组装到激光器设备或形成外部单元，例如计算机。具体而言，布置控制装置38设置成形成激光脉冲，所述激光脉冲具有发生脉冲最大功率的初始子周期、持续时间更大的中间子周期和发射的功率降低到零的结束子周期。在优选变型中，初始子周期的持续时间小于两毫秒(2ms)。接下来，这个控制装置设置成获得增大到最高温度的较短时间，在任何情况下都小于300μ S。在第一实施例中，激光源设置成工作于QCW模式(特定二极管泵浦)中，以便在初始子周期中获得远高于激光器平均功率的较高峰值功率和较长脉冲。在第二实施例中，激光源工作于利用二极管泵浦的调制CW模式中。在第三实施例中，激光源是闪光灯泵浦的，即其工作于脉冲模式中。根据特定实施例，尤其是对于焊接应用，激光加工设备在非线性晶体36的下游包括激光束的光学聚焦元件，其没有或没有完全进行色彩补偿，以便在焦点处获得这样的倍频光的光斑:该光斑的直径小于初始波长的光的光斑(参见上述图4Α)。设备30形成用于高反射金属例如铜或金的焊接设备。在这种应用中，将该设备30设置成在焦点处获得超过0.lMW/cm2的倍频光强度。优选地，初始子周期Tl中在焦点处倍频光的强度具有超过1.0MW/cm2的功率峰值。为了限制激光源的功率，有利的变型实现了初始波长的光强度小于lOMW/cm2。将要指出，在图中未示出的另一实施例中，可以将非线性晶体合并到激光源的谐振腔中。不过，不优选这种布置，因为它需要构造本发明特有的激光源，而在激光源之后在谐振腔外部组装非线性晶体允许使用市场现有的标准激光源。这是一项重要的经济优点。图6示出了根据本发明的激光器设备第二实施例的示意图。首先，由二极管光学泵浦的光纤激光器80产生相干光。它优选工作在QCW模式中。这个激光器80与控制装置82相关联，控制装置82设置成形成根据本发明的激光脉冲(参见上述图3)。这个控制装置限定形成具有特定功率分布的激光脉冲的装置。它利用用户接口连接到控制单元84。通过光缆88将初始频率的激光脉冲发送到用于处理这些脉冲形成的激光束的单元86，直接将该单元86组装到加工头98中。这个处理单元86包括准直器90，用于基本准直激光束或将激光束聚焦在并入单元92中的非线性晶体上，单元92用于使初始激光的一部分的频率加倍。这个单元92可以包括用于优化倍频光转换(对于发射波长为1070nm的激光的掺杂光纤激光器Yb而言为绿光)的特定光学系统。在一个变型中，在倍频器的下游有传感器94，用于测量初始频率光和/或倍频光的相应功率。接下来，任选地，有缩放装置96，用于在光束进入加工头98中之前放大其横截面。这个加工头装备了一个或多个传感器100，例如用于测量激光束影响区域中被加工材料102的表面温度或测量所述表面反射的光。传感器94和100连接到控制装置82以允许根据所做测量实时改变激光脉冲的功率分布。
权利要求
1.一种激光加工方法，包括以下步骤: A)利用激光源(30；80,82)产生由一系列激光脉冲(10)形成的波长为700-1200纳米的激光束； B)利用非线性晶体使所述激光束的一部分(12)的频率加倍； 其特征在于如下步骤 C)改变每个激光脉冲期间发射的光功率，使得在所述激光脉冲的整个周期内，所述初始波长的功率分布在初始子周期(Tl)中具有拥有最大功率的功率峰值或者拥有最大功率的脉冲部分，在持续时间比所述初始子周期更长且发生于其后的中间子周期(T2)中，贯穿整个中间子周期，具有低于所述最大功率的功率，所述最大功率的值为所述激光脉冲的整个周期内的平均功率的至少两倍，且从每个激光脉冲的开始到所述最大功率的增加时间少于 0.3 毫秒(300 μ S)。
2.根据权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于所述初始子周期(Tl)的持续时间少于2毫秒(2ms)。
3.根据权利要求1或2所述的激光加工方法，其特征在于执行每个激光脉冲功率的所述变化，使得到所述最大功率的所述增加时间少于0.05毫秒(50 μ S)。
4.根据前述权利要求的任一项所述的激光加工方法，其特征在于所述最大功率高于200W，所述激光源工作在QCW模式中。
5.根据前述权利要求的任一项所述的激光加工方法，其特征在于提供没有进行或没有完全进行色彩补偿的聚焦所述激光束的装置，以在所述倍频光的焦点处获得这样的光斑(20):该光斑的直径小于所述初始波长光的光斑(22)的直径。
6.根据前述权利要求的任一项所述的激光加工方法，其特征在于所述方法包括焊接高反射金属。
7.根据权利要求6所述的激光加工方法，其特征在于，在所述初始子周期中，所述倍频光与处于功率峰值的初始频率光的组合或与每个激光脉冲的具有最大功率的脉冲部分的组合的强度，高于针对这种光组合和正被焊接金属的熔化阈值。
8.根据权利要求7所述的激光加工方法，其特征在于所述倍频光强度在所述焦点处高于 0.lMW/cm2。
9.根据权利要求7或8所述的激光加工方法，其特征在于在所述初始子周期中，处于所述功率峰值的初始波长光的强度或所述脉冲的具有最大功率的部分的强度，低于针对所述光和所述焊接金属的熔化阈值。
10.根据权利要求9所述的激光加工方法，其特征在于所述初始波长光的强度在所述焦点处低于0.lMW/cm2。
11.根据权利要求6到10的任一项所述的激光加工方法，其特征在于所述焊接金属为铜、金、银、铝或包含这些金属之一的合金。
12.根据权利要求6到11的任一项所述的激光加工方法，其特征在于所述激光脉冲具有结束子周期(T3)，在该结束子周期中所述功率减小到零，以便优化所形成的焊接的冷却。
13.—种激光加工设备,包括: -相干光源(32 ;80)，其产生具有700nm-1200nm的初始波长的激光束(34)； -非线性晶体(36 ;92)，用于部分地使所述激光束频率加倍；-控制装置(38 ;82)，用于控制设置成产生激光脉冲(10)的所述光源； 其特征在于，所述控制装置设置成形成在每个激光脉冲的整个周期中具有如下功率分布的所述激光脉冲:在初始子周期(Tl)中，具有拥有最大功率的功率峰值或拥有最大功率的脉冲部分，在持续时间大于初始子周期且紧随其后的中间子周期(T2)中，贯穿所述中间子周期，具有低于所述最大功率的功率，其特征在于所述控制装置设置成使得所述最大功率的值为所述激光脉冲的整个周期内的平均功率的至少两倍，且其特征在于从每个脉冲的开始到所述最大功率的增加时间少于0.3毫秒(300 μ S)。
14.根据权利要求13所述的激光加工设备，其特征在于所述相干光源是由二极管泵浦的且工作于QCW模式中。
15.根据权利要求13或14所述的激光加工设备,其特征在于所述相干光源由光纤激光器(80)形成。
16.根据权利要求13到15的任一项所述的激光加工设备，其特征在于所述初始子周期(Tl)的持续时间少于两毫秒(2ms)。
17.根据权利要求13到16的任一项所述的激光加工设备，其特征在于所述增加时间的持续时间少于0.05毫秒(50 μ S)。
18.根据权利要求13到17的任一项所述的激光加工设备，其特征在于它包括没有进行或没有完全进行色彩补偿的、聚焦所述激光束的光学元件，以在所述焦点处获得这样的所述倍频光的光斑(20):该光斑的直径小于所述初始波长光的光斑(22)的直径。
19.根据权利要求13到18所述的激光加工设备，其特征在于它限定了用于高反射金属的焊接设备。
20.根据权利要 求19所述的激光加工设备，其特征在于所述倍频光强度在所述焦点处高于 0.lMW/cm2。
21.根据权利要求19或20所述的激光加工设备，其特征在于所述初始波长光的强度在所述焦点处低于10MW/cm2。
22.根据权利要求19到21的任一项所述的激光加工设备，其特征在于所述控制装置设置成形成所述激光脉冲，所述激光脉冲的功率分布具有结束子周期(T3)，在该结束子周期期间功率降到零以确保所形成焊接的最优冷却。
23.根据权利要求13到22的任一项所述的激光加工设备，其特征在于它包括用于测量所述倍频光功率的传感器(94)，所述传感器连接到所述控制装置以根据所述倍频光功率的测量结果实时改变所述激光脉冲。
24.根据权利要求13到23的任一项所述的激光加工设备，其特征在于它包括传感器(100)，用于测量激光束影响区域中被加工材料表面的温度或测量所述表面反射的光，所述传感器连接到所述控制装置以根据所述温度的测量结果或所述反射光的测量结果实时改变所述激光脉冲的分布。
25.根据权利要求13到24的任一项所述的激光加工设备，其特征在于所述控制装置设置成使得到所述最大功率的所述增加时间实质上少于0.1毫秒(100 μ S)。
26.根据权利要求19所述的激光加工设备，其特征在于所述倍频光的强度在所述焦点处高于 1.0MW/cm2。
27.根据权利要求1或12的任一项所述的激光加工方法，其特征在于执行每个激光脉冲功率的所述变化，使得到所述最大功率的所述增加时间少于0.1毫秒(100 μ S)。
28.根据权利要求7所述的激光加工方法，其特征在于所述倍频光的强度在所述焦点处高于 1.0MW/cm2。
全文摘要
本发明涉及每个激光脉冲功率有变化的尤其用于焊接的脉冲激光加工方法和设备。该激光加工方法包括以下步骤A)利用激光源产生由一系列激光脉冲(10)形成的初始波长为700-1200纳米的激光束；B)利用非线性晶体使所述激光束的一部分(12)的频率加倍；C)改变每个所发射激光脉冲(10)期间的功率，使得功率分布图在这个激光脉冲的周期内，在初始子周期(T1)中含有最大峰值功率或者含有具有最大功率的脉冲部分，在持续时间比初始子周期更长的第二中间子周期(T2)中，在整个该中间子周期，具有低于所述最大功率的功率。该激光的功率以如下方式变化最大功率值至少是激光脉冲整个周期内的平均功率的两倍，从每个激光脉冲的开始增大到所述最大功率的时间少于0.3毫秒。该加工方法尤其涉及焊接高反射金属，例如铜、金、银或包括这些金属之一的合金。本发明还涉及用于实施上述方法的激光加工设备。
文档编号B23K26/20GK103108721SQ201180032636
公开日2013年5月15日 申请日期2011年5月9日 优先权日2010年6月3日
发明者U·迪尔, C·鲁提曼, B·弗赖 申请人:罗芬-拉萨格股份公司