[發明專利]能夠抖動的激光加工系統

有效

• 申請號: 201480052677.8
• 申請日: 2014-09-24
• 公開（公告）號: CN105579185B
• 公開（公告）日: 2020-11-17
• 發明（設計）人: 約瑟夫·李奧·達拉羅薩;本·阿瑪爾;大衛·斯奎爾斯
• 申請（專利權）人: IPG光子公司
• 主分類號: B23K26/064
• 分類號: B23K26/064;B23K26/046;B23K26/10;B23K26/342
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 張琛

激光加工系統和方法能夠在加工位置保持一致激光束特性的同時移動激光束。激光加工系統產生沿著準直激光束的長度的至少一部分具有一致的Z軸功率密度的準直激光束，并且沿著X軸和Y軸中的一個抖動準直激光束。準直激光束的抖動方便在三維表面上的一致激光加工，例如，以在激光熔敷加工中提供一致的涂層沉積。激光加工系統可以包括光束傳輸系統，光束傳輸系統提供準直和準直激光的抖動以及準直光束的光束直徑的調節。

技術領域

本發明涉及激光加工，更具體地，涉及能夠抖動激光束同時在例如工件的三維表面上的加工位置保持一致激光束特性的激光加工系統和方法。

背景技術

激光器通常用于使用多種不同技術加工基板或基底材料(下文中稱為工件)。激光加工的一個示例是激光熔敷加工，激光熔敷加工使用激光充分地加熱工件以允許另外的材料粘附到工件的表面，從而在工件表面上沉積涂層。一種類型的激光熔敷加工在快速流動的氣體流中夾帶粉末顆粒，并且允許顆粒撞擊在工件的由激光加熱的區域中，使得顆粒通過塑性變形和粘接粘附到工件。激光熔敷加工的示例在公開號WO2013/061085和WO2013/061086的國際專利申請中更詳細地說明，其通過引用完全并入本文。激光加工的其它示例包括激光焊接和激光材料去除或清潔。

激光加工中的一個挑戰是以方便加工工件上更復雜的表面(如，三維表面)同時保持激光束的所需特性(例如，功率密度)的方式移動激光束的難度?，F有激光加工系統不允許激光束以所需的響應時間和方向性移動。移動整個激光學頭的激光加工系統，例如，不提供相對快的響應時間。一些現有的激光熔敷系統簡單地沿一個方向進行光柵掃描，其需要更多的時間并且在諸如渦輪葉片的復雜的三維表面上可能無效。

另外，現有的激光加工系統通常聚集光束使得功率密度沿著光束的Z軸變化。在被聚焦的光束中，功率密度可能在沿著光束的長度的不同位置處顯著地變化，因為功率密度與光束點的半徑的平方負相關。因此，激光束的移動和/或加工三維表面可能導致在工件上不同加工位置處的例如功率密度的激光束特性的顯著改變，由此不利地影響激光加工的一致性。雖然電流計掃描器已用于在激光熔敷系統中掃描激光束，但是這些系統經常不允許光束在加工位置處保持一致的功率密度。在某些激光熔敷加工中，例如，應當精確地控制由在粉末之前的激光束提供的溫度分布。激光束的功率密度的變化可能改變溫度分布，并且阻止涂層以所需的稠度沉積。

因此，需要能夠移動激光束同時在諸如工件的三維表面上的加工位置保持一致激光束特性的激光加工系統和方法。

發明內容

根據實施例，提供一種用于激光加工工件的方法。該方法包括：產生沿著準直激光束的長度的至少一部分具有一致的Z軸功率密度的準直激光束；朝向工件引導準直激光束，以在工件上形成光束點；移動工件，使得光束點便于在工件移動時在工件的表面上加工；和沿著X軸和Y軸中的一個抖動準直激光束，使得光束點在工件移動時在工件上抖動。

根據另一個實施例，一種激光加工系統包括光纖激光器系統和光學地耦合到光纖激光器系統的光纖激光器輸出的光束傳輸系統。光束傳輸系統包括準直透鏡以產生準直激光束，并且至少一個準直透鏡能夠在Z軸上移動以改變準直光束的直徑。激光加工系統還包括用于相對于準直透鏡移動光纖激光器輸出以在X軸和Y軸中的一個上抖動準直激光束的裝置；用于支撐和移動工件的工件保持器；和用于控制工件保持器和用于相對于準直透鏡移動光纖激光器輸出的裝置的運動的運動控制系統。

根據另一個實施例，一種光學頭包括：殼體；光纖激光器連接器，用于在殼體的一個端部處將光纖激光器輸出連接到殼體；和光束傳輸系統，定位在殼體中且光學地耦合到光纖激光器輸出。光束傳輸系統包括：用于提供準直激光束的第一準直透鏡和第二準直透鏡以及用于提供準直激光束的最終準直的最終準直透鏡。第一準直透鏡和第二準直透鏡中的至少一個能夠在Z軸上移動，以改變準直激光束的直徑。光學頭還包括光學元件X-Y平臺，定位在殼體中并且支撐準直透鏡以便在X軸和Y軸上移動。