[發明專利]利用可變光束參數控制熔池來形成制品的方法和光束系統

有效

• 申請號: 201880048886.3
• 申請日: 2018-01-31
• 公開（公告）號: CN110944787B
• 公開（公告）日: 2021-09-14
• 發明（設計）人: B·維克托;R·馬丁森;L·希恩;R·法羅;D·A·V·克萊納
• 申請（專利權）人: 恩耐公司
• 主分類號: B23K26/03
• 分類號: B23K26/03;B23K26/064;G02B27/09;B23K26/21;B23K26/342;B22F3/105;B22F3/11;B22F3/24
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 蔡洪貴

本申請涉及一種形成制品的方法，包括：步驟(2901)，用于形成熔池；步驟(2903)，用于將熔池暴露于具有至少一個光束特性的光束；步驟(2905)，用于在熔池中形成鎖眼腔，該鎖眼腔具有至少一個鎖眼腔屬性；以及步驟(2906)，用于響應于鎖眼腔屬性的變化來修改至少一個光束特性。

相關申請

本申請是2017年5月26日提交的國際申請PCT/US2017/034848的部分延續，該國際申請要求2016年9月29日提交的美國臨時申請No.62/401,650的權益。本申請是2017年5月26日提交的美國專利申請No.15/607,411的部分延續，該美國專利申請要求2016年9月29日提交的美國臨時申請No.62/401,650的權益。本申請是2017年5月26日提交的美國專利申請No.15/607,410的部分延續，該美國專利申請要求2016年9月29日提交的美國臨時申請No.62/401,650的權益。本申請是2017年5月26日提交的美國專利申請No.15/607,399的部分延續，該美國專利申請要求2016年9月29日提交的美國臨時申請No.62/401,650的權益。以上所有申請的全部內容通過引用結合于此。

技術領域

本文公開的技術涉及光纖激光器和光纖耦合激光器。更具體地，所公開的技術涉及用于在光纖激光器或光纖耦合激光器的輸出端調整并保持經調整的光束特性(光斑尺寸、發散度輪廓、空間輪廓或光束形狀等或其任意組合)的方法、設備和系統。

背景技術

高功率光纖耦合激光器的使用在各種應用中繼續受到歡迎，例如，材料加工、切割、焊接和/或增材制造。這些激光器包括例如光纖激光器、圓盤激光器、二極管激光器、二極管泵浦固態激光器和燈泵浦固態激光器。在這些系統中，光功率經由光纖從激光器傳送到工件。

各種光纖耦合激光器材料加工任務需要不同的光束特性(例如，空間輪廓和/或發散度輪廓)。例如，切割厚金屬和焊接通常需要比切割薄金屬更大的光斑尺寸。理想情況下，激光束的特性是可調整的，以實現對這些不同任務的優化加工。常規上，用戶有兩種選擇：(1)采用具有固定光束特性的激光系統，該系統可以用于不同的任務，但對大多數任務來說不是最佳的(即，在性能和靈活性之間折衷)；或者(2)購買激光系統或附件，其提供可變光束特性，但增加了顯著的成本、尺寸、重量、復雜性，并且可能會導致性能下降(例如，光損耗)或可靠性下降(例如，魯棒性降低或可運行時間縮短)。當前可用的能夠改變光束特性的激光系統需要使用自由空間光學器件或其他復雜且昂貴的附加機構(例如，變焦透鏡、反射鏡、可平移或機動化的透鏡、組合器等)，以改變光束特性。沒有一種解決方案能夠提供所需的光束特性可調整性，從而最大限度地減少或消除對使用自由空間光學器件或其他附加部件的依賴，這些部件在成本、復雜性、性能和/或可靠性方面帶來了相當大的損失。所需要的是一種用于提供變化的光束特性的光纖內裝置，該裝置不需要或最小化自由空間光學器件的使用，并且可以避免顯著的成本、復雜性、性能折衷和/或可靠性降低。

在用高功率激光加工材料的過程中，激光束可以用來熔化聚集在“熔池”中的材料部分。由于各種因素，包括熔池的液壁隨著熔池表面張力和重力而變化的不穩定性，熔池本身可能變得不穩定。熔化和再固化過程中的這種不穩定性會導致幾個不利影響，這些影響限制了工藝結果、特定應用性能或最終產品的效用。例如，不利影響可以包括飛濺(即，大量材料從熔池中分離出來并沉積在材料表面上)、將環境成分引入到材料中，包括氣體和/或雜質(這可導致再固化的材料中的氣泡或多孔性)或者不穩定的熔化幾何形狀，這可導致再固化材料中的不期望的特性，例如，晶粒幾何形狀、晶粒尺寸、晶粒取向、微結構形態、殘余應力等，并且可能影響最終焊接或增材制造的產品，包括這種產品可能遭受固化開裂。甚至最終產品的美學外觀也會受到影響。這些影響中的每一個都與激光加工產品的質量和性能指標直接相關，例如，強度、延展性、韌性、疲勞性能和使用壽命。