[发明专利]激光加工装置和方法以及因此的光学部件

说明书

本发明涉及一种装置以及其用于激光加工的使用。本发明还涉及一种方法和一种光学部件。根据本发明，提供第一激光设备（6）（其提供第一光学馈送纤维（8））和第二激光设备（7）（其提供第二光学馈送纤维（9））。将被连接至第一和第二馈送纤维和多芯光学纤维（12）的射束组合装置（11）适配成通过使第一光学馈送纤维（8）与多芯光学纤维的第一芯对准以及使第二光学馈送纤维与多芯光学纤维（12）的至少一个第二芯对准来形成复合激光射束。该第一芯和第二芯向要被加工的工件（14）输出复合激光射束（16）。控制单元（10）单独控制输出激光射束的功率密度。

技术领域

本发明涉及激光加工装置和方法。特别地，本发明牵涉到通过激光加工进行的材料切割和焊接。

背景技术

当利用激光射束来焊接金属时，通常通过聚束器透镜将激光射束聚束成100-500μm的斑点以增加能量密度且瞬间将工件加热到1500度或超过1500度的金属熔点以使得该工件熔化。同时，可以馈送辅助气体以防止已熔化金属的腐蚀。与来自CO₂激光器的十微米波段中的激光射束相比，来自固态激光器或纤维激光器的一微米波段的激光射束在金属机件上实现非常高的光学能量强度和吸光度。然而，如果将具有高斯射束的一微米波段激光射束与氧气辅助气体一起用来切割低碳钢板材工件，则工件的顶面上的熔化宽度不必要地加宽并且损害切口控制。此外，可能发生自燃以使激光切割的质量变坏。

在EP2762263、US20110293215、US7348517、JP2013139039、EP0464213、EP2399703、EP 2722127和WO2009003484中讨论了用于切割材料的各种解决方案，它们基于环形激光射束，它们提供可以被描述为具有环形或像“甜甜圈”形状的强度轮廓。已经观察到，当使用甜甜圈射束来代替更常规的射束轮廓时可以以更低得多的功率来执行给定厚度的金属的切割，并且就切割速度和质量而言会产生良好的结果。

US8781269公开将激光射束指引到多包层纤维以生成输出激光射束的不同射束轮廓特性的各种布置，在这里输入激光射束被可选地耦合至内部纤维芯中或外部环芯中。

现有技术材料加工应用力图最大化激光射束的亮度。亮度被定义为每单位立体角和单位面积的功率。作为亮度的重要性的一个示例，增大激光射束的亮度意味着激光射束可以被用来增大加工速度或材料厚度。可以从例如纤维激光器和薄盘激光器获得高亮度激光射束。直接二极管激光器的亮度也不断提高，但是用于材料加工的商用直接二极管激光器尚未完全达到纤维或薄盘激光器的亮度。

根据现有技术执行的激光加工具有一些重要的缺点。在焊接应用中，基于所谓的键孔焊接技术的高功率激光器趋向于产生过多热量，导致过度硬化和冷却期间焊缝的变形。焊缝的形状归因于激光射束的本质，横截面深且窄，从而在焊缝处产生大的温度梯度和机械应力。在切割应用中，尤其是厚的材料，激光射束需要具有高强度和相对宽的焦斑，以便蒸发且以其他方式去除已熔化金属，以避免它在激光射束之后再次将各工件焊接在一起。这样的高功率切割留下在形状上有些不规则的切割表面。因此，存在对用于激光焊接和切割的改进方法和设备的需要。

本发明基于将键孔激光切割或焊接与导热焊接相组合的见识。当需要以更高的厚度与宽度纵横比结合材料时使用激光键孔焊接。具有高强度的激光射束会将材料加热到蒸发温度以上，导致在已熔化金属的前缘处被称为键孔的深毛细管。随着热源的进展，已熔化金属填补在该孔后面以形成焊珠。惰性气体屏蔽该工艺并且在键孔焊接工艺期间防止其受到不需要的氧化。通过发出具有非常高脉冲强度的单个脉冲，还可以实现点焊，诸如电子工业中使用的那样。

键孔激光切割是一种在其中使经过集中的热源穿透工件并且通过一些措施来去除已熔化金属以防止其形成焊珠的类似技术。

导热焊接适用于高达近似2mm的材料厚度的金属板材。聚焦在接缝上的激光射束加热材料并且该热量迅速传导通过板材促使其熔化并结合在一起。该聚焦光学器件将激光射束聚焦于样品的同时沿着该接缝移动该聚焦光学器件，留下高质量的焊接。对于传导焊接，可以使用具有较低亮度的激光器，比如直接二极管激光器。