[发明专利]利用可变光束形状的激光的材料加工

说明书

在各个实施例中，工件例如通过焊接或切割进行加工，同时可改变所述激光加工束的形状和/或一个或多个其它参数。所述激光加工束的形状和/或一个或多个其它参数可基于工件的一个或多个特性来改变。

相关申请

本申请要求2016年7月15日提交的美国临时专利申请号62/362,824和2016年9月9日提交的美国专利申请序列号15/261,096的权益和优先权，两者的全部公开内容通过引用纳入本文。

技术领域

在各个实施例中，本发明涉及采用具有可成形的光束和/或可变光束偏振的大功率激光器进行材料加工(例如焊接或切割)。

背景技术

大功率激光器用于许多不同的应用例如切割、蚀刻、退火、焊接、钻孔和锡焊。如在任意材料加工操作中，效率是花费和时间的关键限制因素；效率越低，成本越高和/或加工给定材料所采用的激光操作越慢。激光束的亮度和偏振会影响效率，不同的材料(如铜、铝、钢等)在被加工时对光束偏振的反应不同。另外，这些材料的厚度会影响它们的偏振反应。也就是切口或焊缝的性质根据材料及其厚度会随着光束偏振改变。例如，线性偏振的加工光束可根据光束偏振相对于切口前方的取向被有差异地吸收。由此，激光加工系统有时采用循环或随意偏振的激光输出以避免依赖于方向的偏振反应。虽然那种方式避免了不利的偏振取向的降低效率的后果，但是其同样排除了有利取向的益处。

另外，大功率激光系统常包括激光发射器，来自激光发射器的激光耦合入光学纤维(或简称为“光纤”)，还包括将来自光纤的激光聚焦到待处理的工件上的光学系统。光学系统通常设计用于产生最高质量的激光束，或者等价地，产生具有最低光束参数乘积(BPP)的光束。BPP是激光束的发散角(半角)和光束在其最窄点处(即光束腰部，最小光斑尺寸)的半径的乘积。BPP量化了激光束的质量以及它能够如何良好地聚焦到小的点，并且通常以毫米-毫弧度(mm-mrad)为单位表示(本文公开的BPP值在没有另外表示的情况下以mm-mrad为单位)。高斯光束具有最低可能的BPP，由激光的波长除以π(pi)得出。在相同波长下实际光束的BPP与理想高斯光束的BPP之比被表示为M²，其是光束质量的波长无关度量。

虽然诸如WBC的技术成功地生产用于各种应用的基于激光的系统，但是材料加工的挑战仍然存在。例如，具有为切割特定厚度的特定材料优化的光束形状的激光可能不适用于不同材料、具有不同厚度的材料和具有可变厚度的材料。焊接加工存在相同的挑战。另外，由于传统的、高度聚焦的激光束的有限空间范围，焊接工艺通常需要激光束和被焊接部件之间的相对运动，此运动可能需复杂的和昂贵的机器人、可移动的台架和/或其它装备。采用多个具有可移动光束的激光系统的技术已经得到发展(例如见专利号为9,335,551的美国授权专利，其整个公开通过参考援引入本文)，但是使用多个激光系统常常是过分昂贵的。因此，存在使单个激光系统能够进行更广泛的材料加工的需求。

在许多激光加工应用中，期望的光斑尺寸、发散度以及光束质量可根据例如加工类型和/或被加工材料的类型变化。为了使激光束的BPP和/或形状做出此种改变，光学输出系统或光纤通常必须与其他部件置换和/或重新对准，这是一个耗时且昂贵的过程，甚至可能导致无意中损坏激光系统的脆弱光学元件。

相应地，为了提高激光加工操作的效率还需要改进系统和技术，其利用了对光束偏振和/或表征不同材料和材料厚度的其它光束特性(例如BPP和/或光束形状)变化反应。

发明内容

根据本发明的实施例，采用具有可成形输出光束的激光系统来优化并且简化材料加工任务，比如金属材料的切割和焊接。例如，根据本发明的实施例，激光系统的输出光束形状随着呈现给激光束的部件的厚度和/或部件的角度的改变而变化(例如从高斯状、聚焦的点光束至更大面积的环形光束)。在其它示例实施例中，在激光束和(多个)待加工工件之间没有任何(或有最小的)相对移动的情况下，激光系统的输出光束在焊接过程(例如点焊、对焊或搭焊)中变化以形成大面积的焊缝。