[发明专利]增材激光加工系统和方法

说明书

本发明公开了一种激光处理系统，包括：多光纤芯阵列，每个芯被构造为将来自相应激光源的激光束传播到激光处理头中并且将所述激光束作为多光束输出阵列中的光束输出；填充材料进给机构，其具有中心工具轴线并配置用于将填充材料导向到工作表面用于材料处理，以及光学系统，被构造为接收所述多光束输出阵列，以在空间上将多光束输出分离成多个处理光束、将所述多个处理光束布置在围绕所述中心工具轴线分布的处理输出阵列中、并且将每个光束聚焦到工作表面处或工作表面附近的一个或多个处理光斑，其中所述光学系统以大于50％的效率将每个处理光束从所述光纤芯阵列传输到所述工作表面。本发明还公开了一种激光处理方法。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年1月5日提交的共同未决的序列号为62/442,692的美国临时专利申请的权益，该申请通过引用全部并入本文。

技术领域

本发明涉及增材激光加工。特别地，本发明涉及高功率激光增材加工，例如包覆和焊接，其具有中心轴线向进给的可消耗填充材料和在直接处理头中的阵列周边照明。

背景技术

随着高功率激光系统和非常好的光束质量参数的出现，基于激光的增材制造技术受到极大的关注。激光功率从几百瓦到几万瓦，可实现增材金属处理、激光焊接和激光材料切割。用于处理的两种方法是远程处理和直接处理。在远程处理中，激光光斑在待处理的材料上扫描，例如使用光束偏转镜。在直接处理中，处理头相对于工件机械定位，并且头部传送激光光斑和填充材料两者。

虽然增材处理应用中的远程处理当前限于专用系统和有限构建体积，但是直接处理头可以容易地应用于机床和原位处理情况。此外，直接处理可以将材料添加到预先存在的基础结构，例如基于激光的金属包覆可以将表面金属施加到下面的金属结构。包覆的材料特性可以改善被包覆部分的硬度、耐腐蚀性特性和其它期望的特性。包覆可用于修理操作，以代替材料磨损，便于修复和重新加工磨损的工具以及复杂昂贵的部件，如涡轮叶片。

用于金属包覆的几种技术包括喷涂熔融金属、气动输送熔融粉末金属和金属丝进给焊接金属。喷涂金属通常用作区域涂层，而具有精确激光应用的熔融粉末和基于金属丝的技术可用于以高精度将材料施加到小区域。重复施加材料可用于逐层构建三维结构。在某些情况下，由于较低的材料成本、更容易的材料处理、更快的应用和完全致密的焊接形态，金属丝进给金属应用可能是优选的。

用于焊接和包覆的传统金属丝进给机构从激光器轴偏离地提供可消耗的填充材料。取决于具体应用，这可能妨碍装置填充超前或填充滞后方面的方向性考虑。也就是说，由于处理头的取向、金属丝进给和熔池几何形状，处理可以限于特定方向和范围内的相对工具行程。轴向进给的中心填充材料进给系统可以克服这些限制以促进全向处理。

利用轴向材料进给机构，激光束管理需要将处理辐射引导到工作表面，同时避免由进给机构遮挡的中心体积。需要一种可行的无遮挡路线来将材料带到激光处理头的处理轴上。这意味着，如果没有中断地将进给材料从离轴系统引入到处理光束轴，则连续的环形照明方案是不可能的。

在第6664507号美国专利的一个示例中，使用反射镜系统，通过重新引导光束的中心部分以将光束分成两部分，来为金属丝进给管让路。最近，Leyens和Beyer在“包覆和直接激光金属沉积的创新”，激光表面工程处理和应用的第8章，第182-183页，ISBN：978-1-78242-074-3中描述了同轴激光束内的中心金属丝进给系统。Fraunhofer IWS Dresden的COAXwire系统使用三向光束分离装置将准直光束分成三个外围光束，并将光束聚焦成圆形光斑。COAXwire系统的额定功率为4kW。在第9050674号、第9085041号和第9095928号美国专利中描述了具有多个束布置的焊接和包覆的各个方面。