[發明專利]激光加工裝置和方法以及因此的光學部件

有效

• 申請號: 201580080775.7
• 申請日: 2015-06-09
• 公開（公告）號: CN107850726B
• 公開（公告）日: 2021-04-06
• 發明（設計）人: A.薩洛卡特維;J.坎加斯圖帕;T.阿姆伯拉;T.康努納霍
• 申請（專利權）人: 可利雷斯股份有限公司
• 主分類號: G02B6/02
• 分類號: G02B6/02;B23K26/064
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 周學斌;陳嵐

本發明涉及一種裝置以及其用于激光加工的使用。本發明還涉及一種方法和一種光學部件。根據本發明，提供第一激光設備（6）（其提供第一光學饋送纖維（8））和第二激光設備（7）（其提供第二光學饋送纖維（9））。將被連接至第一和第二饋送纖維和多芯光學纖維（12）的射束組合裝置（11）適配成通過使第一光學饋送纖維（8）與多芯光學纖維的第一芯對準以及使第二光學饋送纖維與多芯光學纖維（12）的至少一個第二芯對準來形成復合激光射束。該第一芯和第二芯向要被加工的工件（14）輸出復合激光射束（16）。控制單元（10）單獨控制輸出激光射束的功率密度。

技術領域

本發明涉及激光加工裝置和方法。特別地，本發明牽涉到通過激光加工進行的材料切割和焊接。

背景技術

當利用激光射束來焊接金屬時，通常通過聚束器透鏡將激光射束聚束成100-500μm的斑點以增加能量密度且瞬間將工件加熱到1500度或超過1500度的金屬熔點以使得該工件熔化。同時，可以饋送輔助氣體以防止已熔化金屬的腐蝕。與來自CO₂激光器的十微米波段中的激光射束相比，來自固態激光器或纖維激光器的一微米波段的激光射束在金屬機件上實現非常高的光學能量強度和吸光度。然而，如果將具有高斯射束的一微米波段激光射束與氧氣輔助氣體一起用來切割低碳鋼板材工件，則工件的頂面上的熔化寬度不必要地加寬并且損害切口控制。此外，可能發生自燃以使激光切割的質量變壞。

在EP2762263、US20110293215、US7348517、JP2013139039、EP0464213、EP2399703、EP 2722127和WO2009003484中討論了用于切割材料的各種解決方案，它們基于環形激光射束，它們提供可以被描述為具有環形或像“甜甜圈”形狀的強度輪廓。已經觀察到，當使用甜甜圈射束來代替更常規的射束輪廓時可以以更低得多的功率來執行給定厚度的金屬的切割，并且就切割速度和質量而言會產生良好的結果。

US8781269公開將激光射束指引到多包層纖維以生成輸出激光射束的不同射束輪廓特性的各種布置，在這里輸入激光射束被可選地耦合至內部纖維芯中或外部環芯中。

現有技術材料加工應用力圖最大化激光射束的亮度。亮度被定義為每單位立體角和單位面積的功率。作為亮度的重要性的一個示例，增大激光射束的亮度意味著激光射束可以被用來增大加工速度或材料厚度。可以從例如纖維激光器和薄盤激光器獲得高亮度激光射束。直接二極管激光器的亮度也不斷提高，但是用于材料加工的商用直接二極管激光器尚未完全達到纖維或薄盤激光器的亮度。

根據現有技術執行的激光加工具有一些重要的缺點。在焊接應用中，基于所謂的鍵孔焊接技術的高功率激光器趨向于產生過多熱量，導致過度硬化和冷卻期間焊縫的變形。焊縫的形狀歸因于激光射束的本質，橫截面深且窄，從而在焊縫處產生大的溫度梯度和機械應力。在切割應用中，尤其是厚的材料，激光射束需要具有高強度和相對寬的焦斑，以便蒸發且以其他方式去除已熔化金屬，以避免它在激光射束之后再次將各工件焊接在一起。這樣的高功率切割留下在形狀上有些不規則的切割表面。因此，存在對用于激光焊接和切割的改進方法和設備的需要。

本發明基于將鍵孔激光切割或焊接與導熱焊接相組合的見識。當需要以更高的厚度與寬度縱橫比結合材料時使用激光鍵孔焊接。具有高強度的激光射束會將材料加熱到蒸發溫度以上，導致在已熔化金屬的前緣處被稱為鍵孔的深毛細管。隨著熱源的進展，已熔化金屬填補在該孔后面以形成焊珠。惰性氣體屏蔽該工藝并且在鍵孔焊接工藝期間防止其受到不需要的氧化。通過發出具有非常高脈沖強度的單個脈沖，還可以實現點焊，諸如電子工業中使用的那樣。

鍵孔激光切割是一種在其中使經過集中的熱源穿透工件并且通過一些措施來去除已熔化金屬以防止其形成焊珠的類似技術。

導熱焊接適用于高達近似2mm的材料厚度的金屬板材。聚焦在接縫上的激光射束加熱材料并且該熱量迅速傳導通過板材促使其熔化并結合在一起。該聚焦光學器件將激光射束聚焦于樣品的同時沿著該接縫移動該聚焦光學器件，留下高質量的焊接。對于傳導焊接，可以使用具有較低亮度的激光器，比如直接二極管激光器。