[发明专利]能够抖动的激光加工系统

说明书

激光加工系统和方法能够在加工位置保持一致激光束特性的同时移动激光束。激光加工系统产生沿着准直激光束的长度的至少一部分具有一致的Z轴功率密度的准直激光束，并且沿着X轴和Y轴中的一个抖动准直激光束。准直激光束的抖动方便在三维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层沉积。激光加工系统可以包括光束传输系统，光束传输系统提供准直和准直激光的抖动以及准直光束的光束直径的调节。

技术领域

本发明涉及激光加工，更具体地，涉及能够抖动激光束同时在例如工件的三维表面上的加工位置保持一致激光束特性的激光加工系统和方法。

背景技术

激光器通常用于使用多种不同技术加工基板或基底材料(下文中称为工件)。激光加工的一个示例是激光熔敷加工，激光熔敷加工使用激光充分地加热工件以允许另外的材料粘附到工件的表面，从而在工件表面上沉积涂层。一种类型的激光熔敷加工在快速流动的气体流中夹带粉末颗粒，并且允许颗粒撞击在工件的由激光加热的区域中，使得颗粒通过塑性变形和粘接粘附到工件。激光熔敷加工的示例在公开号WO2013/061085和WO2013/061086的国际专利申请中更详细地说明，其通过引用完全并入本文。激光加工的其它示例包括激光焊接和激光材料去除或清洁。

激光加工中的一个挑战是以方便加工工件上更复杂的表面(如，三维表面)同时保持激光束的所需特性(例如，功率密度)的方式移动激光束的难度。现有激光加工系统不允许激光束以所需的响应时间和方向性移动。移动整个激光学头的激光加工系统，例如，不提供相对快的响应时间。一些现有的激光熔敷系统简单地沿一个方向进行光栅扫描，其需要更多的时间并且在诸如涡轮叶片的复杂的三维表面上可能无效。

另外，现有的激光加工系统通常聚集光束使得功率密度沿着光束的Z轴变化。在被聚焦的光束中，功率密度可能在沿着光束的长度的不同位置处显著地变化，因为功率密度与光束点的半径的平方负相关。因此，激光束的移动和/或加工三维表面可能导致在工件上不同加工位置处的例如功率密度的激光束特性的显著改变，由此不利地影响激光加工的一致性。虽然电流计扫描器已用于在激光熔敷系统中扫描激光束，但是这些系统经常不允许光束在加工位置处保持一致的功率密度。在某些激光熔敷加工中，例如，应当精确地控制由在粉末之前的激光束提供的温度分布。激光束的功率密度的变化可能改变温度分布，并且阻止涂层以所需的稠度沉积。

因此，需要能够移动激光束同时在诸如工件的三维表面上的加工位置保持一致激光束特性的激光加工系统和方法。

发明内容

根据实施例，提供一种用于激光加工工件的方法。该方法包括：产生沿着准直激光束的长度的至少一部分具有一致的Z轴功率密度的准直激光束；朝向工件引导准直激光束，以在工件上形成光束点；移动工件，使得光束点便于在工件移动时在工件的表面上加工；和沿着X轴和Y轴中的一个抖动准直激光束，使得光束点在工件移动时在工件上抖动。

根据另一个实施例，一种激光加工系统包括光纤激光器系统和光学地耦合到光纤激光器系统的光纤激光器输出的光束传输系统。光束传输系统包括准直透镜以产生准直激光束，并且至少一个准直透镜能够在Z轴上移动以改变准直光束的直径。激光加工系统还包括用于相对于准直透镜移动光纤激光器输出以在X轴和Y轴中的一个上抖动准直激光束的装置；用于支撑和移动工件的工件保持器；和用于控制工件保持器和用于相对于准直透镜移动光纤激光器输出的装置的运动的运动控制系统。

根据另一个实施例，一种光学头包括：壳体；光纤激光器连接器，用于在壳体的一个端部处将光纤激光器输出连接到壳体；和光束传输系统，定位在壳体中且光学地耦合到光纤激光器输出。光束传输系统包括：用于提供准直激光束的第一准直透镜和第二准直透镜以及用于提供准直激光束的最终准直的最终准直透镜。第一准直透镜和第二准直透镜中的至少一个能够在Z轴上移动，以改变准直激光束的直径。光学头还包括光学元件X-Y平台，定位在壳体中并且支撑准直透镜以便在X轴和Y轴上移动。