用于激光加工材料的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及用于激光加工材料的装置和方法。用于激光加工材料的装置，该装置包括激光器和光束传输电缆，其中：激光器被连接到光束传输电缆；光束传输电缆被配置为传输从激光器发射的激光辐射，并且激光辐射由光束参数乘积限定；并且装置的特征在于：装置包括至少一个挤压机构，该挤压机构包括由间距限定的周期性表面；构成激光器和/或光束传输电缆的一部分的一段光纤被定位成毗邻周期性表面；并且挤压机构被配置为用挤压力一起挤压该周期性表面和该段光纤；由此，能够通过调节挤压力来改变光束参数乘积。光束参数乘积。光束参数乘积。

【技术实现步骤摘要】
用于激光加工材料的装置和方法
[0001]本专利技术专利申请是国际申请号为PCT/GB2017/000118，国际申请日为2017年8月3日，进入中国国家阶段的申请号为201780045160.X，名称为“用于激光加工材料的装置和方法”的专利技术专利申请的分案申请。


[0002]本专利技术涉及用于激光加工材料的装置和方法。

技术介绍

[0003]经由加工头将激光束引导到工件上来实现钢的激光切割，该加工头具有用于准直和聚焦激光束的光学器件和锥形铜喷嘴以提供与光束同轴的高压气体喷流。基本的切割操作包括：激光束加热并熔化钣金工件，以及被称为辅助气体喷射的气体喷射将熔融材料吹出切割区的底部。切割头在钣金件上方移动，同时在喷嘴尖头和工件表面之间保持恒定距离。切割头在编程路径中移动，以产生所需的钣金件轮廓。
[0004]在切割不锈钢的情况下，通常使用惰性辅助气体。这避免了在工件的切边面上产生金属氧化物，这在使用金属部件时会引起问题。由于这种切割工艺的唯一热源是由聚焦激光束提供的，因此具有较高能量密度的较小焦斑尺寸将通过产生较窄的熔融区域来提供更高效的切割。使用低发散度是有利的，使得熔融区域通过金属的厚度而变窄。对最小实际焦斑的限制由光学景深连同材料厚度确定。这是因为切割宽度(切口)必须足够宽，以允许辅助气体以足够的压力行进到切口的底部，以干净地去除熔融材料并避免下切割边缘的熔渣，从而产生干净的切口。对于这种类型的切割，辅助气体必须以通常在10至20巴的范围内的高压来施加。喷嘴出口的直径通常在0.5mm至2.0mm的范围内，并且通常较厚的材料需要较大的喷嘴。
[0005]在切割厚度大于5mm的软钢(也被称为低碳钢)的情况下，通常使用氧气作为辅助气体，其与工件内的铁发生放热反应以提供额外的热量来加快切割速度。这通常在与用于氮气辅助气体切割的压力相比要低得多的0.25巴至1巴的范围内的压力下被应用。对于通常在10mm至30mm厚度范围内的厚型材切割，切口必须足够宽，以便氧气辅助气体能够以足够的气流到达切割区域的底部以喷射熔融材料，同时保持无熔渣切口。对于厚的软钢切割，通常使光束散焦，使得束腰位于钣金件表面上方，以使钣金件表面上的入射束直径大于束腰。当光束的发散度增加时，能够获得具有较低边缘粗糙度的更好质量的切口。
[0006]大多数通用平板激光切割机都需要切割必须都具有良好质量的各种厚度的一系列金属。焦斑尺寸的选择通常是满足广泛的工艺条件所需的要求的折衷。对于切割薄不锈钢，需要具有低发散度的小焦斑，而对于切割厚软钢，需要具有更高发散度的更大的焦斑。这种平板切割机被设计以用于具有固定光束质量的激光器。为了提高加工能力，切割头可具有增强光学系统，从而首先使聚焦透镜沿光束路径有限移动以允许激光束相对于工件的散焦，这能够增加入射光斑尺寸，并且其次允许调节焦斑直径。这具有有限的益处，因为具有恒定激光束质量的激光器在焦斑尺寸和发散度之间会具有固定关系，其以与切割工艺方
式所期望的相反的方式起作用。
[0007]不同的切割方式要求具有低发散度的小光斑或具有高发散度的大光斑，而固定光束质量激光器能够提供具有高发散度的小光斑和具有窄发散度的大光斑。因此，不可能针对所有金属类型和厚度来优化工艺参数。
[0008]诸如焊接、打标和增材制造的其他材料加工装备存在类似的限制。在所有这些应用领域中，需要一种激光加工装置，其中能够改变激光的光束参数乘积，并且能够改变被加工材料上的聚焦激光束的直径。
[0009]本专利技术的目的是提供一种用于激光加工材料的装置和方法，其减少了上述问题。

技术实现思路

[0010]根据本专利技术的一个非限制性实施例，提供了用于激光加工材料的装置，该装置包括激光器和光束传输电缆，其中：
[0011]·
激光器被连接到光束传输电缆；
[0012]·
光束传输电缆被配置为传输从激光器发射的激光辐射；以及
[0013]·
激光辐射由光束参数乘积限定；
[0014]并且该装置的特征在于：
[0015]·
该装置包括至少一个挤压机构，该挤压机构包括由间距(pitch)限定的周期性表面；
[0016]·
形成激光器和/或光束传输电缆一部分的一段光纤被定位成毗邻周期性表面；以及
[0017]·
该挤压机构被配置为用挤压力一起挤压该周期性表面和该段光纤；
[0018]由此，能够通过调节挤压力来改变光束参数乘积。
[0019]通过选择光纤并通过改变挤压力，使典型工业激光器的光束参数乘积在0.3mm.mrad至30mm.mrad的范围内调节是可能的。有利地，可通过改变挤压力来控制沿光纤传播的激光辐射的光束半径和有效数值孔径两者。调节或切换激光辐射的输出光束轮廓也是可能的，例如从钟形高斯光束轮廓到礼帽光束轮廓或环形轮廓；这对于许多激光切割应用来说是非常合乎需要的。本专利技术在优化诸如切割的材料工艺方面允许更大的自由度。能够针对每种钣金件类型和厚度优化焦斑尺寸和发散度。该装置能够被设置为产生用于冲孔金属和用于切割不锈钢的、具有高光束质量(低光束参数乘积)的激光辐射以及用于切割较厚的软钢的、具有低光束质量(较高光束参数乘积)的激光辐射。在前一种情况下，当聚焦在材料上时，激光辐射的直径与后者相比应该更小并且发散度更低。
[0020]周期性表面可以是啁啾的。单调地或以非单调的方式沿着挤压机构的长度改变间距，能够减少获得所需的光束参数乘积或输出光束轮廓所需的挤压力的量，从而提高可靠性。
[0021]挤压机构可包括被布置成彼此成一角度的至少两个周期性表面。周期性表面可具有相同的间距。该角度可以是直角。该角度可以是60度。挤压机构可使得周期性表面中的一个能够以与另一个周期性表面不同的挤压力被挤压在光纤上。周期性表面的空间相位可被配置为使得当挤压力被施加到周期性表面时，光纤大体上以螺旋方式形变。挤压力可使得光纤能够以小于1N的力被拉动穿过周期性表面，从而导致提高的机械可靠性。
[0022]该装置可包括多个挤压机构。具有多于一个的挤压机构减少了每个挤压机构上所需的挤压力，从而提高了可靠性。
[0023]挤压机构中的至少一个可具有与另一个挤压机构不同的间距。不同的间距使得光纤中的不同导模组之间能够耦合。组合具有不同间距的挤压机构提供了对输出光束参数乘积和输出光束轮廓的更大控制。
[0024]挤压机构可以是线性挤压机构。如果空间非常宝贵，这是有利的。
[0025]挤压机构可包括圆柱。光纤可被缠绕在圆柱上。可沿着圆柱的轴线施加挤压力。这提供了紧凑的布置，使得在更长的一段光纤上施加挤压力比用线性挤压机构更方便，并且允许使用多于一匝的光纤。这使得更小的挤压力能够被施加，从而提高长期可靠性。当被挤压时，圆柱还有助于减少光纤中的光学损耗。
[0026]间距可沿圆柱的半径或周长变化。这使得啁啾长周期光栅能够被制造。
[0027]光纤可具有至少10μm直径的纤芯。该直径可以是至少15μm。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于激光加工材料的装置，所述装置包括激光器和光束传输电缆，其中：
·
所述激光器被连接到所述光束传输电缆；
·
所述光束传输电缆被配置为传输从所述激光器发射的激光辐射；以及
·
所述激光辐射由光束参数乘积限定；并且所述装置的特征在于：
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所述装置包括包含由间距限定的周期性表面的至少一个挤压机构；
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构成所述激光器和所述光束传输电缆中的至少一者的一部分的一段光纤被定位成毗邻所述周期性表面；
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所述挤压机构被配置为用挤压力一起挤压所述周期性表面和所述一段光纤；
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由此，能够通过调节所述挤压力来改变所述光束参数乘积；以及
·
所述挤压机构为可调节挤压机构，其能够操作以提供对所述光束参数乘积和所述激光辐射的输出光束轮廓的反复调节，以实现取决于要对所述材料执行的激光加工的最佳输出光束轮廓。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述周期性表面是啁啾式的。3.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其特征在于，所述挤压机构包括被布置成彼此成一角度的至少两个周期性表面，且其中所述周期性表面的空间相位被配置为使得当所述挤压力被施加到所述周期性表面时，所述光纤以螺旋方式形变。4.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光纤包括支持具有传播常数β1的第一光模和具有传播常数β2的第二光模的纤芯，并且所述间距被选择为当所述挤压力被施加时将所述第一光模耦合到所述第二光模。5.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光纤包括支持具有传播常数β1的第一光模的纤芯和支持具有传播常数β2的第二光模的至少一个卫星纤芯，并且所述间距被选择以将所述第一光模耦合到所述第二光模。6.一种用于激光加工材料的方法，所述方法包括提供包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：通快激光英国有限公司，
类型：发明
国别省市：