能够抖动的激光加工系统技术方案

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。

Laser processing system capable of dithering

The laser processing system and method can move the laser beam at the same time when the position of the laser beam is uniform. A laser processing system produces a collimated laser beam having at least a portion of the length of the collimated laser beam having a uniform Z axis power density, and a collimated laser beam along the X axis and the Y axis. The alignment of the collimated laser beam facilitates a consistent laser processing on a three-dimensional surface, for example, to provide a consistent coating deposition in laser cladding processing. The laser processing system may include a beam transmission system, the beam transmission system provides the collimation and collimation of the laser jitter and the adjustment of the beam diameter of the collimated beam.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及激光加工，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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。根据一个实施例，提供一种用于在工件上沉积包覆的激光熔敷方法。激光熔敷方法包括：产生准直激光束，所述准直激光束具有沿着准直激光束的长度的至少一部分一致的Z轴功率密度；朝向工件引导准直激光束，以在工件上提供光束点；朝向工件引导包覆材料，使得包覆材料在由光束点加热的区域上撞击工件的表面；并且移动工件，使得包覆材料在工件移动时在工件的表面上形成包覆层。根据另一个实施例，一种激光熔敷系统包括：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。激光熔敷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机构；用于支撑和移动工件的工件保持器；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；激光熔敷系统还包括粉末传输系统，用于传输包覆粉末到工件，使得包覆粉末在由准直激光束加热的区域上撞击工件的表面。根据又一实施例，一种集成的激光熔敷光学头包括：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，定位在壳体中并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和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。集成的激光熔敷光学头还包括粉末传输系统，包括安装到壳体的粉末传输喷嘴，用于传输包覆粉末到工件，使得包覆粉末在由准直激光束加热的区域上撞击工件的表面。附图说明通过阅读下面的详细说明并结合附图，上述及其它特征和优点将被更好地理解，其中：图1A是与本专利技术的实施例一致的在工件上的三维表面上抖动准直激光束的激光加工系统和方法的示意性透视图。图1B是在图1A中所示的工件上的激光束点的示意性平面图。图1C是在图1A中所示的工件上移动的具有一致的Z轴功率密度的准直激光束的示意性侧视图。图2A-2D示出了与在本
技术实现思路
的实施例一致的通过在工件上抖动激光束点同时提供工件的协调运动而形成的激光加工图案的示例。图3A是与本专利技术的一些实施例一致的激光加工系统的示意性透视图，该激光加工系统包括用于提供能够通过移动光学元件而被抖动的准直激光束的光束传输系统。图3B是与本专利技术的其他实施例一致的激光加工系统的示意性透视图，该激光加工系统包括用于提供能够通过移动光纤激光器输出而被抖动的准直激光束的光束传输系统。图4是用于提供能够被抖动的准直激光束的光束传输系统的实施例的透视图。图5是图4中所示的光束传输系统的侧视图。图6是图4中所示的光束传输系统的侧面剖视图。图7是与本
技术实现思路
的实施例一致的激光熔敷系统的示意性侧视图，该激光熔敷系统包括用于提供本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于激光加工工件的方法，该方法包括如下步骤：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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.09.24 US 61/881,6661.一种用于激光加工工件的方法，该方法包括如下步骤：
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。
2.根据权利要求1所述的方法，其中产生准直激光束的步骤包括使激光器输出穿过至
少两个准直透镜。
3.根据权利要求2所述的方法，其中准直透镜中的至少一个能够在Z轴上移动以改变在
工件上的光束点的直径。
4.根据权利要求1所述的方法，其中加工包括包覆。
5.根据权利要求1所述的方法，其中加工包括焊接。
6.根据权利要求1所述的方法，其中加工包括表面清洁。
7.根据权利要求1所述的方法，其中工件具有三维表面，并且其中准直激光束在三维表
面上的不同的加工位置处提供一致的Z轴功率密度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，工件是涡轮叶片。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，工件是阀座。
10.根据权利要求1所述的方法，其中抖动准直激光束的步骤包括在不移动光学地耦合
到光束传输系统的激光器输出的情况下移动光束传输系统中的光学元件。
11.根据权利要求1所述的方法，其中抖动准直激光束的步骤包括在不移动光学地耦合
到光纤激光器输出的光束传输系统的光学元件的情况下移动光纤激光器输出。
12.根据权利要求1所述的方法，其中准直激光束在与工件的移动协调的情况下而被抖
动，使得光束点在工件的表面上以连续的图案移动。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述图案是蛇形图案。
14.根据权利要求12的方法，其中所述图案是螺旋图案。
15.一种激光加工系统，包括：
光纤激光器系统；
光束传输系统，该光束传输系统光学地耦合到光纤激光器系统的光纤激光器输出，该
光束传输系统包括准直透镜以产生准直激光束，其中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；
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。
16.根据权利要求15所述的激光加工系统，其中用于相对于准直透镜移动光纤激光器
输出的装置包括用于在不移动光纤激光器输出的情况下移动准直透镜的光学元件X-Y平
台。
17.根据权利要求15所述的激光加工系统，其中用于相对于准直透镜移动光纤激光器
输出的装置包括用于在不移动准直透镜的情况下移动光纤激光器输出的光纤激光器输出
X-Y平台。
18.一种光学头，包括：
壳体；
光纤激光器连接器，该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；
光束传输系统，该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，该光
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，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；和
用于提供准直激光束的最终准直的最终准直透镜；以及
光学元件X-Y平台，该光学元件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。
19.根据权利要求18所述的光学头，还包括牺牲窗口，该牺牲窗口定位在壳体的另一端
处，用于允许准直激光束传输出壳体。
20.根据权利要求18所述的光学头，还包括支撑结构和能够滑动地安装在支撑结构上
以便在Z轴上移动的第一透镜托架和第二透镜托架，其中第一准直透镜和第二准直透镜被
分别安装在第一透镜托架和第二透镜托架上，并且其中所述支撑结构被安装在光学元件X-
Y平台上。
21.根据权利要求18所述的光学头，其中第一准直透镜和第二准直透镜分别包括凹透
镜和凸透镜。
22.一种用于在工件上沉积包覆层的激光熔敷方法，该方法包括如下步骤：
产生准直激光束，所述准直激光束具有沿着准直激光束的长度的至少一部分一致的Z
轴功率密度；
朝向工件引导准直激光束，以在工件上提供光束点；
朝向工件引导包覆材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：约瑟夫·李奥·达拉罗萨，本·阿玛尔，大卫·斯奎尔斯，
申请(专利权)人：IPG光子公司，
类型：发明
国别省市：美国;US