本发明专利技术提供了一种多光纤激光器输出系统，其传输以圆周图案排列的至少三个光纤输出，或者传输来自单个加工光缆的至少四个不同的激光器输出。本发明专利技术允许控制至少三个激光器模块并且以预定序列在单个加工光缆中传输它们相应的输出，从而在工件上提供多个加工步骤，所述工件迄今要求针对每一个波束的分离光学器件。当用于缝焊时，所述至少三个激光器输出优化用于产生点焊、缝焊或虚拟摆动焊接。
【技术实现步骤摘要】
多波束激光器系统和焊接方法本申请是申请日为2016年05月26日且题为“多波束激光器系统和焊接方法”的国际申请PCT/US2016/034354所对应的中国国家申请(申请号：201680030315.8，进入中国国家阶段日期：2017年11月24日)的分案申请。
本公开涉及将来自至少四个光纤输出的激光耦合到单个光学部件中，并控制耦合到所述光纤输出中的各个激光源的输出，使得可以向下游传输四个或更多个不同的光纤激光输出。本公开还涉及将来自以圆周图案布置的至少三个光纤输出的激光耦合到单个光学部件中，并控制耦合到所述光纤输出中的各个激光源的输出，使得可以向下游传输三个或更多个不同的激光输出。另外，本公开涉及使用光纤激光输出来焊接多个工件。
技术介绍
将多波束设备用于材料加工是相当普遍的。例如，传输单个激光输出的单个光纤可以与衍射光学元件光连通，该衍射光学元件可以提供针对多个光斑的非相干输出，如在http：//www.tailorweld.eu/overview/concept处所发现的。不幸的是，这种配置仅在应用要求工件上的每一个位置经受包括与另一个激光束相同的波长、功率和脉冲宽度的激光束时才起作用。所需要的是能够将多个波束传输到工件的激光器系统，其中多个波束关于它们的性质是不相干且不同的。光纤激光器已经发展到在宽范围的功率、脉冲宽度和重复率(reprate)方面存在多个可用波长。实际上，已经发展了利用多种可用激光的优势的许多应用。例如，在WO/2013/019204中，专利技术人考虑了多激光器系统来去除不锈钢的涂层，然后切割钢，所有这些都利用组合的波束。最终，发现单个激光器系统使得该多激光器系统不必要。然而，与其商业化有关的障碍是需要激光头中精密复杂的光学器件来传输所组合的加工波束。此外，由于激光器是分离的系统，因此发现使用CPU来控制系统不是足够动态的控制环境以改变激光器的加工参数以满足应用要求。然而，组合多个激光输出的概念得到了充分发展，包括将不同的激光输出组合到单个光纤光缆中。美国专利No.5,048,911提供了使用反射镜来创建并行输出，然后将并行输出聚焦到将传输并行输出的单个光纤光缆中。然而，这样的系统要求多个光学器件，其引入复杂性，从而进一步增加了它们的成本，更不用说进一步增加输出劣化的可能。美国专利No.6,229,940要求使用多个耦合器和透镜来产生以级联方法组合的非相干激光输出。此外，其只对单模光的限制并没有反映其中如果不期望则多模光是可接受的各种应用。尽管现有技术提供对准的光纤光学结构，但是它们与工业环境的需要不一致，其中成本敏感性和对鲁棒性的需要使得这些现有技术解决方案是不能维持的。实际上，US20040081396要求注册指南(registrationguide)以将光纤和下游光学器件对准来使波束准直。此外，虽然已经教导了光纤到光学器件的接合，但是它们与透镜组合以补偿准直效应，其中光学器件是透镜，或者其中光纤阵列及其相应的输出被组合，例如在美国专利No.7,130,113中那样。申请人先前从事如于2014年8月13日提交的美国专利申请62/036,740和于2015年4月22日提交的德国专利申请DE102015207279.7中发现的多波束激光器系统的开发，所述每个专利申请的全部内容通过引用并入本文。不幸的是，在这些在先申请中公开的三波束配置没有被优化为解决对点焊的苛刻要求。此外，这种配置不能解决需要摆动的困难的缝焊难题。本专利技术解决了由于需要昂贵的用于激光点焊的扫描仪所带来的问题。传统的激光点焊机使用单个波束，该单个波束必须围绕与工件的初始接触点进行旋转，以在非常小的空间内产生螺旋或螺线形焊接。这种激光焊接需要昂贵的扫描仪来确保这种螺旋或螺线形焊接的完整性。目前的配置解决了对利用多波束激光器系统配置的精确点焊和摆动焊接要求的需要，该多波束激光器系统配置提供了低成本和鲁棒的光学器件，其能够以预定配置提供非相干激光束，其中可以控制输出的参数。此外，对于缝焊摆动配置，提供了非机械解决方案，其可以提供比目前可用的机械摆动系统更可靠的结果。最后，本专利技术不需要用于激光点焊的扫描仪，并且实际上点焊的整个宽度可以在直径上从2.5mm到5mm；如果不能消除目前大型单激光点焊机或电阻点焊机所需的标签，则其可以允许制造商缩小尺寸。
技术实现思路
本专利技术提供了一种激光器系统，如果以圆周排列进行传输，则所述激光器系统用于提供在各个光纤中传输的至少三个独立受控的多个非相干激光输出，或者提供在各个光纤中传输的至少四个独立受控的多个非相干激光束输出。在本专利技术的优选实施例中，激光束输出由光纤激光器产生。在另一优选实施例中，用于多个波束输出的相应光纤熔接到与加工光纤的末端相邻的体光学器件。本专利技术提供了用于点焊的多个激光输出的优选实施例，其中6个以及更优选地7个激光输出组合以产生点焊。在更优选的实施例中，激光输出按顺序操作而不是同时操作，但全部在一个时间范围内，优选地每个完整焊接小于一秒。如果在工件或激光器沿着这样的接缝相对于彼此移动的情况下按顺序激活，则六边形中的6个光纤的构造还可以为缝焊提供虚拟摆动功能。在优选实施例中，本专利技术的激光器系统设置在1类激光器系统内，使得它可以产生不受激光器工作单元约束的点焊或摆动缝焊。本专利技术的激光器系统特别适用于焊接。因此，本专利技术提供了利用本文公开的多激光器光纤输出配置的焊接方法。更具体地，本专利技术提供了一种根据来自单个加工光缆的多光纤激光束输出来焊接多个工件的方法，所述方法包括：提供激光器系统，如果光纤输出沿周向排列则所述激光器系统包括至少三个光纤激光器模块，或者包括至少四个光纤激光器模块，每个光纤激光器模块被配置为彼此独立地操作并提供不同的光纤激光输出；如果光纤输出沿周向排列，则从所述至少三个光纤激光器模块中的每一个启动不同的光纤激光输出的序列，或者以从至少四个光纤激光器启动不同的光纤激光输出的序列，所有这些光纤激光器配置为与所述工件光耦合；以及每个不同的光纤激光输出配置为传输足以有助于材料相互作用的图案的量的能量，每个激光输出的组合有助于具有足够强度的预定焊接。在优选实施例，激活每个不同的光纤激光输出的序列配置为提供点焊。在另一实施例中，激活每个不同的光纤激光输出的序列配置为向所述多个工件提供缝焊。更优选地，缝焊可以表征为摆动焊接。附图说明在以下附图的帮助下，将更清楚本公开的上述和其他方面、特征和优点，附图中：图1是本专利技术的多波束激光器系统的局部截面图。图2是图1的系统的体光学器件和传输光纤的近视图和局部截面图。图3a是来自点焊实施例的激光器模块的各个传输光纤的示例性横截面图。图3b提供了当接触工件时图3a的传输光纤的输出的相对位置和绝对位置。图4提供了用于本专利技术系统的模数控制示意图。图5a提供了图3a中发现的本专利技术实施例的波束的聚焦图像的强度分布。图5b提供了图3a中发现的本专利技术实施例的波束的非聚焦图像的强度本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种多波束输出激光器系统，用于产生要传输到工件以便焊接所述工件的多个激光束输出，所述多光束输出激光器系统包括：/n沿周向排列的至少三个间隔开的输出光纤或至少四个间隔开的输出光纤，所述输出光纤光耦合到不同的激光器模块，每个输出光纤是彼此独立地受控的，使得至少三个不同的激光束输出能够传输到所述工件；/n软件，配置为控制每个激光器模块的激光束输出的特性以及将每个激光束输出提供给所述工件的顺序和时间；以及/n体光学器件，所述输出光纤中的每一个耦合到所述体光学器件，所述体光学器件配置为从所述输出光纤接收所述不同的激光束输出并且输出所述不同的间隔开的激光束输出。/n
【技术特征摘要】
20150526 US 62/166,6581.一种多波束输出激光器系统，用于产生要传输到工件以便焊接所述工件的多个激光束输出，所述多光束输出激光器系统包括：
沿周向排列的至少三个间隔开的输出光纤或至少四个间隔开的输出光纤，所述输出光纤光耦合到不同的激光器模块，每个输出光纤是彼此独立地受控的，使得至少三个不同的激光束输出能够传输到所述工件；
软件，配置为控制每个激光器模块的激光束输出的特性以及将每个激光束输出提供给所述工件的顺序和时间；以及
体光学器件，所述输出光纤中的每一个耦合到所述体光学器件，所述体光学器件配置为从所述输出光纤接收所述不同的激光束输出并且输出所述不同的间隔开的激光束输出。
2.根据权利要求1所述的系统，其中每一个所述输出光纤熔接到所述体光学器件。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述不同的激光器模块中的至少一个是光纤激光器。
4.根据权利要求1所述的系统，还包括加工光缆，所述加工光缆包围所述至少四个输出光纤和所述体光学器件。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少四个光纤中的多个光纤间隔开，使得它们表示多边形上的点。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少四个光纤中的一个光纤相对于其他光纤定位，使得其他输出光纤并置在所述一个光纤的周围。
7.根据权利要求1所述的系统，还包括在所述体光学器件下游的光学部件。
8.根据权利要求5所述的系统，其中六个输出光纤形成六边形的点。
9.根据权利要求6所述的系统，其中六个光纤形成六边形的点，所述六个光纤全部围绕所述一个光纤。
10.根据权利要求8或9所述的系统，还包括：附加的12个输出光纤，所述附加的12个输出光纤形成定位在形成六边形的点的所述六个光纤周围的十二边形的点。
11.根据权利要求9所述的系统，其中所述系统被构造为使得所述一个光纤是所述光纤中向所述工件提供输出的第一光...
【专利技术属性】
技术研发人员：尤金·谢尔巴科夫，瓦伦丁·弗明，安德雷·阿布拉莫夫，迪米特里·亚戈德金，霍尔格·马梅罗，
申请(专利权)人：IPG光子公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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