激光处理装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于激光处理的装置和方法。提供了来自连接到至少一个第一激光设备（6）的至少一个第一光馈送纤维的至少一个第一激光光束和来自连接到至少一个第二激光设备（7）的至少一个第二光馈送纤维（9）的至少一个第二激光光束。所述第一和第二激光光束被组合到多芯光纤（12、50）中。所述多芯光纤的所述第一芯（51）具有圆形横截面，并且所述第二芯（53）具有与所述第一芯同心的环形形状。包括第一和第二输出光束的复合激光光束被从所述多芯光纤（12、50）指引到具有要被焊接的重叠元件（4a、4b）的工件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】激光处理装置和方法
本专利技术涉及激光处理装置和方法。特别地，本专利技术关系到通过激光处理的材料的焊接。
技术介绍
当利用激光光束来焊接金属时，该激光光束通常通过聚光器透镜被聚光成100-500μm的光斑以增加能量密度并且瞬时将工件加热到1500度或更高的金属熔点，以便使工件熔化。同时，可馈送辅助气体来防止熔融金属的氧化。与来自CO2激光器的十微米波段的激光光束相比，来自固态激光器或纤维激光器的一微米波段的激光光束实现对金属工作物的非常高光学能量强度和吸收率。然而，如果具有高斯光束的一微米波段的激光光束与氧气辅助气体一起用来切割软钢片工件，则工件顶面上的熔化宽度不必要地使切口控制加宽并削弱了切口控制。此外，可能发生自燃烧，使激光切割的质量变差。提供可以被描述为具有环形或类似“甜甜圈”形状的强度轮廓的成环状的激光光束的使用被称为激光处理。已经观察到，当使用甜甜圈光束而不是更常规的光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来说可产生良好的结果。US8781269公开了将激光光束指引到多包层纤维以生成输出激光光束的不同光束轮廓特性的各种布置，其中输入激光光束被可选地耦合至内部纤维芯或外部环状芯中。这样的材料处理应用力图最大化激光光束的亮度。亮度被定义为每单位立体角以及每面积的功率。作为亮度重要性的一个示例，提高激光束的亮度意味着激光光束可以被用来提高处理速度或材料厚度。可以从例如纤维激光器和薄盘激光器来获得高亮度激光光束。直接二极管激光器也不断地在亮度方面进行改进，但是用于材料处理的商品化的直接二极管激光器还没有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处理在图1a和1b中图示的焊接重叠涂层板中具有一些重要的缺点。参考图1a，如果在板1a、1b之间不存在间隙，则激光光束2促使各板之间的涂层材料蒸发并且压力促使各板彼此分开。如果在板1a、1b之间存在太大间隙，则顶板1a可能烧穿。如图1b中所图示，如果通过例如夹具迫使各板在一起，则蒸发的涂层材料通过焊接缝吹出且在顶板上造成杂质，并且可能需要昂贵且耗时的净化过程。因此，存在对用于改进重叠板的激光焊接的改进方法和设备的需要。
技术实现思路
在所附权利要求中限定具体解决方案以及其实施例。根据本专利技术的一个方面，一种激光处理装置包括：-至少一个第一激光设备，每一个都提供具有第一激光光束的至少一个第一光馈送纤维；-至少一个第二激光设备，每一个都提供具有第二激光光束的至少一个第二光馈送纤维；-连接至所述第一和第二馈送纤维和多芯光纤的光束组合装置，该组合装置被适配成通过使所述至少一个光馈送纤维与所述多芯光纤的第一芯对准并且使所述至少一个第二光馈送纤维与所述多芯光纤的至少一个第二芯对准来形成复合激光光束，其中所述多芯光纤的所述第一芯具有圆形横截面，并且所述第二芯具有与所述第一芯同心的环形形状；以及-所述第一和第二芯被适配成在激光处理头处，以便将包括第一和第二输出激光光束的复合激光光束指引到具有要被焊接的重叠元件的工件。根据本专利技术的另一方面，提供一种用于利用激光光束来处理工件的方法，该方法包括：-从连接到至少一个第一激光设备的至少一个第一光馈送纤维提供至少一个第一激光光束；-从连接到至少一个第二激光设备的至少一个第二光馈送纤维提供至少一个第二激光光束；-通过使所述至少一个第一光馈送纤维与所述多芯光纤的第一芯对准并且使所述至少一个第二光馈送纤维与所述多芯光纤的第二芯对准来将所述第一和第二激光光束组合到多芯光纤中，其中所述多芯光纤的所述第一芯具有圆形横截面，并且所述第二芯具有与所述第一芯同心的环形形状，以及-将包括来自所述多芯光纤的第一和第二输出光束的复合激光光束指引到具有要被焊接的重叠元件的工件。根据该方法和装置的一些实施例，该工件包括第一板和第二板，该复合激光光束被指引到第一板，由此来自所述第一芯的第一输出激光光束引起通过第一板到达第二板的开口并且来自所述第二芯的第二输出激光光束基本引起各板的焊接。根据一些其他实施例，该板是涂层板（诸如钢板），并且第一输出激光光束引起用于释放通过蒸发第二板的涂层而造成的压力的开口。根据本专利技术的一些实施例，可借助于功能上连接至所述第一和/或第二激光设备的控制单元来单独地控制所述第一和第二输出光束中的功率密度。根据本专利技术的一些实施例，使被适配成引导第一激光光束的第一光馈送纤维的中心与所述多芯光纤的所述第一芯的中心对准，并且使被适配成引导一个第二激光光束的至少一个第二光馈送纤维的中心在所述多芯光纤的所述第二环形芯的内直径和外直径之间对准。根据本专利技术的一些实施例，在连续焊接的情况下所述第一输出光束处于低水平或者将所述第一输出光束设置成低水平。根据本专利技术的另一方面，具有创造性的装置被用于重叠元件的激光焊接。接下来，参考附图更详细地描述本专利技术的实施例。附图说明在下文中，参考附图详细描述本专利技术，在附图中：图1a和1b图示重叠板的常规激光焊接；图2示出根据本专利技术的实施例的应用激光焊接的实施例；图3示出根据本专利技术的实施例的激光处理装置；图4以横截面示出根据本专利技术的实施例的复合激光光束；图5示出根据本专利技术的实施例的耦合装置的接收端的横截面；图6图示根据一个实施例的在耦合件的输出端处的折射率轮廓；以及图7示意性地示出根据一个实施例的光学部件。具体实施方式在元件彼此叠在顶上并且各元件之间不具有或具有非常小间隙的各种应用中，需要通过经过各元件之一应用激光光束来焊接在一起以在各元件之间形成焊接。根据本专利技术的一个方面，现在可通过一种方法和装置来改进彼此叠在顶上的元件的激光焊接，在该方法和装置中形成具有基本圆形横截面的第一激光输出光束和具有与所述第一激光光束同心的基本环形形状的第二激光输出光束。该第一输出激光光束可因此被称为圆形或中心光束，并且该第二输出激光光束被称为环形或环状光束。该第一输出激光光束和第二激光输出光束被指引到具有要被焊接的重叠元件的工件。该第一输出激光光束引起用于释放在各元件之间造成的压力的开口，并且第二输出激光光束主要引起焊接并使开口平滑。因此，当将输出激光光束指引到第一板（诸如涂层不锈钢板）时，该第一输出激光光束引起通过第一板到达第二板的圆形开口，并且第二输出激光光束引起各板的焊接。图2示出根据本专利技术的一个实施例的图示激光焊接的示意性横截面。工件3包括第一涂层板3a和第二涂层板3b，诸如铝涂层或锌涂层钢板。中心光束4引起用于使由第二板3b的蒸发涂层引起的压力逸出的开口，并且环状光束5基本引起各板的焊接并使开口平滑。由光束造成的热量经由第一板传导并熔化用于形成焊接的环状光束的内部的区域。存在可通过将目前公开的中心光束4和环状光束5的组合应用于焊接重叠元件可实现的各种优点。在板3a、3b之间造成（通常由涂层材料造成）的压力可通过由中心光束引起的开口来释放，当激光器移动到随后焊接位置时该中心光束被关闭。上层涂层材料可在不引起焊缝之外的飞溅的情况下融合该缝。因此可避免迫使各板在一起的其他装置以及去除飞溅的附加净化过程。根据一个实施例，不管其他光束的状态如何，可单独地控制所述第一和/或第二输出激光光束中的功率密度。实施例可被应用于光斑焊接以及连续焊接应用。在连续焊接的情况下，环状光束5在激光处理头的移动方向上的前边缘本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光处理装置，包括：‑至少一个第一激光设备（6），每一个都提供具有第一激光光束的至少一个第一光馈送纤维（8）；‑至少一个第二激光设备（7），每一个都提供具有第二激光光束的至少一个第二光馈送纤维（9）；‑连接至所述第一和第二馈送纤维和多芯光纤（12、50）的光束组合装置（11），该组合装置被适配成通过使所述至少一个光馈送纤维（72、56）与所述多芯光纤（50）的第一芯（51）对准并且使所述至少一个第二光馈送纤维（71、57）与所述多芯光纤（50）的至少一个第二芯（53）对准来形成复合激光光束（16），其中所述多芯光纤的所述第一芯（51）具有圆形横截面，并且所述第二芯（53）具有与所述第一芯（51）同心的环形形状；以及‑所述第一和第二芯被适配成在激光处理头（13）处，以便将包括第一和第二输出激光光束（41、42）的复合激光光束（16、40）指引到具有要被焊接的重叠元件（3a、3b）的工件。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种激光处理装置，包括：-至少一个第一激光设备（6），每一个都提供具有第一激光光束的至少一个第一光馈送纤维（8）；-至少一个第二激光设备（7），每一个都提供具有第二激光光束的至少一个第二光馈送纤维（9）；-连接至所述第一和第二馈送纤维和多芯光纤（12、50）的光束组合装置（11），该组合装置被适配成通过使所述至少一个光馈送纤维（72、56）与所述多芯光纤（50）的第一芯（51）对准并且使所述至少一个第二光馈送纤维（71、57）与所述多芯光纤（50）的至少一个第二芯（53）对准来形成复合激光光束（16），其中所述多芯光纤的所述第一芯（51）具有圆形横截面，并且所述第二芯（53）具有与所述第一芯（51）同心的环形形状；以及-所述第一和第二芯被适配成在激光处理头（13）处，以便将包括第一和第二输出激光光束（41、42）的复合激光光束（16、40）指引到具有要被焊接的重叠元件（3a、3b）的工件。2.根据权利要求1所述的装置，其中该工件包括第一涂层钢板（3a、3b）和第二涂层钢板，第一输出激光光束用于引起用于释放由蒸发涂层造成的压力的开口并且第二输出激光光束用于基本引起各板的焊接。3.根据权利要求1或2所述的装置，其中被适配成引导第一激光光束的第一光馈送纤维（72、56）的中心与所述多芯光纤（50）的所述第一芯（51）的中心对准，并且被适配成引导第二激光光束的至少一个第二光馈送纤维（71、57）的中心在所述多芯光纤（50）的所述第二环形芯（53）的内直径和外直径之间被对准。4.根据权利要求3所述的装置，其中该第二光馈送纤维（71、57）是四个、八个或十六个，并且与所述多芯光纤的所述第二环形芯（53）的横截面对称接合。5.根据权利要求1至4中的任一项所述的装置，其中所述至少一个第一激光设备（6）是纤维激光器。6.根据权利要求1至5中的任一项所述的装置，其中该装置包括功能上连接至所述第一和/或第二激光设备（6、7）的控制单元（10），以便单独地控制所述第一和/或第二输出激光光束中的功率密度。7.根据权利要求6所述的装置，其中在连续焊接的情况下该控制单元被布置成靠近所述第一输出光束或者将所述第一输出光束设置...

【专利技术属性】
技术研发人员：J坎加斯图帕，
申请(专利权)人：可利雷斯股份有限公司，
类型：发明
国别省市：芬兰,FI