双波长激光系统和使用这种系统的材料处理技术方案

在各种实施例中，顺序地和/或同时地使用两种不同波长的激光束以在诸如熔化、冲孔、切割和焊接等的各种处理阶段中处理工件。割和焊接等的各种处理阶段中处理工件。割和焊接等的各种处理阶段中处理工件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】双波长激光系统和使用这种系统的材料处理
[0001]相关申请
[0002]本申请要求2019年8月6日提交的美国临时专利申请No.62/883,189的权益和优先权，其全部公开内容通过引用并入本申请。


[0003]在各种实施例中，本专利技术涉及利用以多个波长发射的高功率激光装置处理(例如，焊接或切割)材料。

技术介绍

[0004]高功率激光用于许多切割、蚀刻、退火、熔接、钻孔和焊料焊接应用。与任何材料处理操作一样，在费用和时间方面，效率可能是一个关键的限制因素；效率越低，成本就越高和/或用于处理给定材料的激光的运行就越慢。激光束的特性会影响效率，且不同的材料(如铜、铝、钢等)在进行处理时对光束特性的反应也不同。此外，这些材料的厚度会影响它们的响应。即，切割或焊接的性质可能随着光束的特性而变化，至少取决于材料及其厚度。
[0005]此外，即使对于相同的材料和厚度，材料的光学响应(以及从而最佳光束)也可能根据处理的几何形状而变化。例如，与具有例如尖角或其他特征的复杂形状相比，材料在长直线切割期间的光学响应可能不同。
[0006]此外，高功率激光系统通常包括激光发射器和光学系统，从所述激光发射器发出的激光被耦合到光学纤维(或简称为“光纤”)中，所述光学系统将来自光纤的激光聚焦到待处理的工件上。所述光学系统通常设计成能产生最高质量的激光束或者相当于具有最小光束参数乘积(BPP)的光束。BPP是激光束发散角(半角)和光束在其最窄点(即光束腰，最小光斑尺寸)处的半径的乘积。BPP量化激光束的质量以及将激光束聚焦到小点的程度，通常以毫米毫弧度(mm
‑
mrad)为单位表示。(除非另有说明，本申请公开的BPP值以mm
‑
mrad为单位。)高斯光束具有尽可能小的BPP，由激光的波长除以pi得到。实际光束的BPP与理想高斯光束的BPP在相同波长情况下的比用M2表示，其是与波长无关的光束质量的度量。
[0007]波长光束组合(WBC)是一种用于缩放来自激光二极管、激光二极管条、二极管条堆叠或以一维或二维阵列布置的其他激光的输出功率和亮度的技术。已经开发出沿着发射器阵列的一个或两个维度组合光束的WBC方法。典型的WBC系统包括多个发射器，例如一个或多个二极管条，其利用色散元件组合起来，形成多波长光束。WBC系统中的每个发射器单独谐振，并且通过来自公共部分反射输出耦合器的波长特定的反馈来稳定，该耦合器由色散元件沿着光束组合维度进行滤波。示例性的WBC系统在2000年2月4日提交的美国专利No.6,192,062、1998年9月8日提交的美国专利No.6,208,679、2011年8月25日提交的美国专利No.8,670,180和2011年3月7日提交的美国专利No.8,670,180和2011年3月7日提交的美国专利申请8,559,107中，每个的全部公开8,559,107中有详细说明，每个申请的全部公开内容通过引用并入本文中。
[0008]虽然诸如WBC等技术已经成功地为各种应用产生了基于激光的系统，但材料处理
方面的挑战仍然存在。具体地，以各种不同的波长发射的激光可以以不同的方式与不同的材料和/或具有不同厚度的材料相互作用。例如，不同的材料不同地吸收激光，且因此对用于多种操作和/或多种不同的材料的激光系统的优化是相当困难的。因此，需要针对不同的材料处理操作进行优化的激光系统，可用于有效地处理大量不同的材料、执行各种类型的处理以及沿各种不同的处理路径处理工件。

技术实现思路

[0009]根据本专利技术的实施例，激光系统发射具有两个或更多个波长或两个或更多个波长范围的光束，以便利用每个波长的优点来优化材料处理。(在此，不同的“波长”应理解为包含不同的“波长范围”，并且激光的波长对应于其主波长。)例如，在各种实施例中，激光系统的特征在于以相对较长的波长(例如，红外或近红外)发射的主激光，用于切割材料(例如，金属材料)，以及以相对较短的波长(例如，紫外或可见光)发射的次级激光，至少用于切割开始时的初始冲孔操作。一般来说，各种金属对较短波长的激光表现出较大的吸收，至少在固态下是这样。因此，较短波长的激光可以有效地用于在例如激光切割开始时执行的冲孔操作。即，利用较短波长的激光，冲孔操作可以更快地执行，并且具有更高的质量(例如，边缘粗糙度)。不幸的是，许多短波长激光器(例如，在绿色或蓝色波长范围内发射的激光)效率较低、寿命较短、更昂贵，并且比各种较长波长的激光(例如近红外激光)更慢和/或更不容易达到全功率。此外，一旦金属熔化，它们对激光的吸收就与激光波长不那么相关，甚至不相关。因此，一旦金属被冲孔和熔化，实际的切割操作可以通过较长波长的激光器更快和更有效地执行，这些激光器通常具有更长的寿命并表现出更高的效率。这种较长波长的激光器可能不适合用于初始冲孔操作，这是由于(1)材料对较长波长的较低吸收和/或(2)材料对较长波长的高反射性，这不仅会阻止激光切割的开始，还会因杂散反射导致激光系统(或其各种部件)的损坏。
[0010]在示例性切割操作中，向材料表面发射激光，由此吸收至少一部分激光能量，从而加热材料。在充分吸收能量后，材料表面熔化并变成熔化的。此后，次表面材料也熔化，在材料中产生孔。一旦形成这样的孔，就可以使激光能量平移穿过材料，以期望的模式切割材料。根据本专利技术的各种实施例，使用较小波长的次级激光器来启动切割操作。在各种实施例中，次级激光器将光发射到待处理材料的表面上，至少直到材料表面的一部分熔化。(也就是说，次级激光器不需要使用，直到实际产生穿过材料的孔，只要有至少一些材料是熔化的并且因此更能吸收较长波长的激光；然而，在各种实施例中，至少直到穿过材料形成孔才使用次级激光器。)在材料表面的至少一部分熔化后，主激光器将较长波长的光发射至材料上基本相同的点处(即，主激光束和次级激光束可以是同轴的，或者它们的光轴可以彼此非常接近)，例如，在表面的熔化部分内和/或至少部分在由次级激光器形成的任何孔内，然后平移穿过材料以产生切口。因此，在各种实施例中，可以以较低功率和/或较短时间使用次级激光器，从而延长其寿命。此外，使用次级激光器能够有效地处理诸如铜等对较长激光波长(例如，红外或近红外)具有高度反射性的材料。
[0011]在各种实施例中，次级激光器不仅可以用于(即，可以向材料发射激光能量)对材料冲孔(例如，当开始切割操作时)，而且还可以用于切割操作期间，如果材料的一种或多种性质改变时或者如果需要改变切割本身的一种或多种性质时。例如，如果材料的厚度在一
个或多个点处改变(例如，增大)，则可以在这些点处使用次级激光以有效地继续切割操作。此外，可以在希望改变(例如，增大)切口的尺寸(例如，宽度)的点处和/或在切割方向改变的点处使用次级激光器(和主激光器一起使用或不使用主激光器)。
[0012]如上详述，在冲孔/切割操作(或其他处理操作)的不同部分期间可以彼此独立地使用主激光器和次级激光器。即，可以利用次级激光器启动切割，然后关闭，然后可以将主激光器通电以完成操作，并且两本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种利用激光系统处理工件的方法，所述激光系统包括配置为发射主激光束的主激光器和配置为发射次级激光束的次级激光器，其中所述主激光束的波长不同于所述次级激光束的波长，所述方法包括：在第一阶段期间，将至少所述次级激光束引导至工件的表面，由此所述次级激光束的能量被工件吸收；以及在工件表面的至少一部分对吸收所述次级激光束的能量起反应之后的第二阶段期间，(i)将至少所述主激光束引导至工件表面，以及(ii)在此期间，在至少主激光束和工件之间引起相对运动，由此沿至少部分地由所述相对运动确定的处理路径对工件进行切割。2.根据权利要求1所述的方法，其中，在第一阶段期间，主激光束不被引导至工件的表面。3.根据权利要求1所述的方法，其中，在第二阶段期间，次级激光束不被引导至工件的表面。4.根据权利要求1所述的方法，其中，在第一阶段期间，主激光束被引导至工件的表面。5.根据权利要求4所述的方法，其中，在第一阶段期间主激光束的输出功率低于在第二阶段期间主激光束的输出功率。6.根据权利要求1所述的方法，其中，在第二阶段期间，次级激光束被引导至工件的表面。7.根据权利要求6所述的方法，其中，在第二阶段期间次级激光束的输出功率低于在第一阶段期间次级激光束的输出功率。8.根据权利要求1所述的方法，其中，主激光束的波长范围为从大约870nm至大约11μm。9.根据权利要求1所述的方法，其中，主激光束的波长范围为从大约870nm至大约1064nm。10.根据权利要求1所述的方法，其中，主激光束的波长范围为从大约870nm至大约1000nm。11.根据权利要求1所述的方法，其中，次级激光束的波长范围为从大约300nm至大约810nm。12.根据权利要求1所述的方法，其中，次级激光束的波长范围为从大约400nm至大约810nm。13.根据权利要求1所述的方法，其中，次级激光束的波长范围为从大约530nm至大约810nm。14.根据权利要求1所述的方法，其中(i)主激光束的波长大于次级激光束的波长，且(ii)工件包括金属材料。15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述工件包括铝、铜、铁、钢、金、银或钼中的至少一种。16.根据权利要求1所述的方法，其中(i)主激光束的波长小于次级激光束的波长，且(ii)工件包括非金属材料。17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述工件包括玻璃、纸或塑料中的至少一种。18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述工件在固态下对主激光束的波长的吸收小于20％、小于10％或小于5％。
19.根据权利要求1所述的方法，其中，所述主激光束为多波长光束。20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述主激光束由波长光束组合光束发射器发射，所述波长光束组合光束发射器包括：发射多个离散光束的一个或多个光束源；聚焦光学器件，用于将多个光束朝向色散元件聚焦；色散元件，用于接收和分散所接收的聚焦光束；以及部分反射输出耦合器，其定位成接收分散的光束，通过其传输分散的光束的第一部分作为主激光束以及将分散的光束的第二部分反射回色散元件。21.根据权利要求1所述的方法，其中，所述主激光束由光纤激光器、直接二极管激光器或固态激光器发射。22.根据权利要求1所述的方法，其中，所述次级激光束为多波长光束。23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述次级激光束由波长光束组合光束发射器发射，所述波长光束组合光束发射器包括：发射多个离散光束的一个或多个光束源；聚焦光学器件，用于将多个光束朝向色散元件聚焦；色散元件，用于接收和分散所接收的聚焦光束；以及部分反射输出耦合器，其定位成接收分散的光束，通过其传输分散的光束的第一部分作为次级激光束以及将分散的光束的第二部分反射回色散元件。24.根据权利要求1所述的方法，其中，所述次级激光束由气体激光器、直接二极管激光器或固态激光器发射。25.根据权利要求1所述的方法，进一步包括，在开始第二阶段之前，基于工件表面的反射率或温度中的至少一个来确定工件表面的至少一部分是熔化的。26.根据权利要求1所述的方法，进一步包括，在第二阶段期间将至少次级激光束在沿着处理路径的一个或多个点处引导至工件表面，在所述点处(i)工件的厚度改变，(ii)处理路径的方向改变，和/或(iii)工件的成分改变。27.根据权利要求1所述的方法，其中，在第一阶段期间和在第二阶段之前，穿过工件的厚度形成孔。28.根据权利要求1所述的方法，其中，在第二阶段开始之前，没有穿过工件的厚度形成孔。29.一种用于处理工件的激光系统，所述激光系统包括：主激光发射器，配置为发射主激光束；次级激光发射器，配置为发射次级激光束，其中主激光束的波长不同于次级激光束的波长；激光头，用于将主激光束或次级激光束中的至少一个引导至工件上；以及基于计算机的控制器，其配置为：在第一阶段期间，将至少所述次级激光束引导至工件的表面，由此所述次级激光束的能量被工件吸收；以及在工件表面的至少一部分对吸收所述次级激光束的能量起反应之后的第二阶段期间，在主激光束和工件表面间的相对运动期间将至少所述主激光束引导至工件表面，由此沿至
少部分地由所述相对运动确定的处理路径对工件进行切割。30.根据权利要求29所述的系统，进一步包括用于组合主激光束和次级激光束的光束组合器。31.根据权利要求30所述的系统，其中，所述光束组合器设置在所述激光头内。32.根据权利要求30所述的系统，其中，所述光束组合器为波长组合器、偏振组合器、空间组合器或光纤组合器。33.根据权利要求30所述的系统，进一步包括传输光纤，光束组合器将主激光束和次级激光束组合到所述传输光纤中。34.根据权利要求29所述的系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：F，
申请(专利权)人：松下知识产权经营株式会社，
类型：发明
国别省市：