CN103056513B - 一种激光加工系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光加工系统，包括一个激光功率合成器、一个或若干个激光模块、一个激光耦合器以及激光传输系统，所述激光功率合成器为一端多根输入光纤以及另一端一根多包层输出光纤，所述激光传输系统为一根多包层光纤，一个或若干激光模块分别通过一根激光耦合器输入光纤与激光耦合器相连，激光耦合器分别通过若干根激光耦合器输出光纤与激光功率合成器的多根输入光纤端相连，激光功率合成器的一根多包层输出光纤端与激光传输系统相连到输出件。本发明在同一激光加工系统中，能同时具备不同光束质量的激光，使得同一台激光系统，能同时具备多种加工功能，大大扩展了激光加工系统的灵活性，缩减了系统的成本。
Description
技术领域
本发明属于激光加工系统领域，尤其涉及一种基于多包层光纤功率合成器和传输系统的激光加工系统。
背景技术
光纤激光器有着光束质量优、转换效率高、全光路结构、维护方便等优点，目前被广泛运用于很多工业领域，诸如:材料切割、钻孔、焊接、打标、熔覆等。对于不同材料，不同工业应用，不同加工工艺，通常需要不同的光束质量与模式。通常调Q脉冲激光器，常常用来达标，高光束质量（M2<2）的中高功率连续激光器常常用来切割、钻孔等精密加工，而焊接、熔覆等加工常常需要多模光束来完成。以往，不同的加工工序，需要不同的激光器去完成，或者通过更换输出光纤传输系统来完成，这样大大增加了调试时间与运营成本。诸如像汽车制造领域，在汽车加工过程中常常需要不断运用到切割、钻孔、焊接、熔覆等加工工艺，一般产线会配备多台机器，或者完成一种工序后，通过更换传输光纤来进行下一道工序，这大大降低了运行效率与成本。
本发明通过一根多包层光纤来完成多种加工应用，同一根光纤中，当需要切割、钻孔等精密操作时，能传输高光束质量的激光来完成；当需要焊接、熔覆等操作时，也能传输多模激光。该结构的激光加工系统，能够保证激光能以合适的加工深度与激光模式、激光光斑达到被加工工件。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术存在的缺陷和问题，提供了一种光纤功率合成器和激光加工系统，本发明的多根输入光纤中，位于中部的输入光纤与多包层光纤纤芯熔接，位于外层的输入光纤与多包层光纤包层熔接，使得在同一根多包层光纤中，能同时传播单模激光、少模激光与多模激光，本发明在同一激光加工系统中，能同时具备不同光束质量的激光，使得同 一台激光系统，能同时具备多种加工功能，大大扩展了激光加工系统的灵活性，缩减了系统的成本。
为实现本发明目的所采用的技术方案为：
一种激光加工系统，包括一个激光功率合成器、一个或若干激光模块、一个激光耦合器以及激光传输系统，其特征在于：所述激光功率合成器为一端多根输入光纤以及另一端一根多包层输出光纤，所述激光传输系统为一根多包层光纤，一个或若干激光模块分别通过一根激光耦合器输入光纤与激光耦合器相连，激光耦合器分别通过若干根激光耦合器输出光纤与激光功率合成器的多根输入光纤端相连，激光功率合成器的一根多包层输出光纤端与激光传输系统相连到输出件。
所述的激光功率合成器的多根输入光纤通过打绞、捆绑、热缩或者穿于同一石英管内，经熔融拉锥，使其成为一束光纤束。
所述的光纤功率合成器的多根输入光纤密排于同一金属或者陶瓷套管内，通过磨抛或镀膜方式成为一光纤束。
所述的光纤功率合成器的多根输入光纤束与一根多包层输出光纤通过熔接或机械固定方法结合在一起。
所述的光纤功率合成器的光纤束的中部的光纤与多包层光纤的纤芯结合，光纤束的外部光纤与多包层光纤的包层结合。
所述激光传输系统为多包层光纤，且多包层光纤与镀膜的石英棒熔接。
所述激光加工系统包括激光功率合成器、激光模块、激光耦合器以及激光传输系统，所述激光功率合成器由多根输入光纤以及一根多包层输出光纤组成，所述激光耦合器连接激光模块与激光功率合成器，所述激光传输系统由多包层光纤组成。
本发明的多根输入光纤中，位于中部的输入光纤与多包层光纤纤芯熔接，位于外层的输入光纤与多包层光纤包层熔接，使得在同一根多包层光纤中，能同时传播单模激光、少模激光与多模激光，本发明在同一激光加工系统中，能同时具备不同光束质量的激光，使得同一台激光系统，能同时具备多种加工功能，大大扩展了激光加工系统的灵活性，缩减了系统的 成本。
附图说明
图1是本发明的总体结构图；
图2a-1、图2a-2、图2a-3分别为一端7根光纤的激光功率合成器打开中间一根光纤的激光在纤芯与包层传输的示意图。
图2b-1、图2b -2、图2b-3分别为一端7根光纤的激光功率合成器关闭中间一根光纤的激光在周围六根光纤的纤芯与包层传输的示意图。
图3是多包层光纤折射率分布图；
图4是多包层光纤端帽结构图；
图5是本发明的单模块激光加工系统结构示意图；
图6a-1、图6a-2分别为一端7根光纤的激光功率合成器在单模块激光加工系统中激光在纤芯与包层传输的示意图。
图6b-1、图6b-2分别为一端7根光纤的激光功率合成在单模块激光加工系统中激光在纤芯与包层传输的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明包括一个激光功率合成器120、三个激光模块、一个激光耦合器以及激光传输系统130，所述激光功率合成器为一端7根输入光纤以及另一端一根多包层输出光纤，所述激光传输系统为一根多包层光纤，三个激光模块分别三根激光耦合器输入光纤(100，101，102)与激光耦合器相连，激光耦合器分别通过三根根激光耦合器输出光纤(110，111，112)与激光功率合成器120的7根输入光纤端相连，激光功率合成器120的一根多包层输出光纤端与激光传输系统130相连到输出件131。如图1所示激光耦合器输入光纤100、101、102，输出光纤110、111、112，激光耦合器通过光路控制，使输入光纤能够耦合入任意输出光纤中，如输入光纤100可以与输出光纤110、111、112任意光纤耦合，耦合效率一般大于95%以上。激光耦合输出光纤通过激光功率合成器120，如激光输出光纤是 7根20-400um双包层光纤，纤芯NA=0.07，通过熔融拉锥，使得7根光纤成为一束，其中7根光纤中间一根光纤拉锥完后直径在16～17um，外围6根光纤直径也在16～17um，一束光纤最大外径在48～52um左右，其中每根光纤内的激光束缚在光纤纤芯以内，不能逃逸出包层。输出光纤为多包层光纤，如上例所说，输出光纤为3包层光纤，如纤芯为20um，NA=0.06-0.11，第一包层为50um，NA=0.15-0.22，第三包层为250～500um，涂覆层为低折射率胶或者硅胶，NA>0.38，把光纤束与多包层光纤切割齐平后，通过电极放电或者CO2 激光使得光纤束与多包层光纤熔接，这样7根20-400光纤，中间的光纤与多包层光纤20um纤芯结合，外围6根光纤与多包层光纤50um第一包层结合。
当加工需要高光束质量激光时，光纤束中间一根光纤内通激光，如图2a-1、图2a-2、图2a-3所示；当需要熔覆、焊接等需要多模激光时，关闭中间一根光纤内激光，打开周围6根光纤激光，如图2b-1、图2b-2、图2b-3所示。依然，可以有选择性的打开7根光纤中任意一根或者多根光纤内激光，或者7根全部通激光。举例说明，7个激光模块，每个模块功率1kW，每个模块输出尾纤20-400um双包层光纤，M2<1.3,当需要高光束质量激光用来切割金属时，打开中间一根1kW模块，可以用来切割10mm以内金属钣金，如果需要用来焊接钣金时，可以打开外围6个模块，可以达到7kw功率。如图5所示，亦可使用单个激光模块，激光耦合器能够使得输入光纤耦合至任意一根输出光纤，当需要高光束激光是，通过控制激光耦合器，使得激光模块耦合至中间一根激光束输入光纤，如图6a-1、图6a-2所示；当需要多模激光时，使得激光模块耦合至激光束外围的一根光纤，图6b-1、图6b-2所示。这种一体化多包层光纤来完成多种加工应用，同一根光纤中，当需要切割、钻孔等精密操作是，能传输高光束质量的激光来完成；当需要焊接、熔覆等操作时，也能传输多模激光。该结构的激光加工系统，能够保证激光能以合适的加工深度与激光光斑达到被加工工件。
如图3所示，图示为上例中3包层光纤的折射率分布图，横坐标代表光纤直径，纵坐标代表折射率分布。纤芯为20um掺杂Ge的纯石英，第一包层为50um不掺杂纯石英，第二包层为500um掺杂F纯石英，纤芯NA=0.06-0.11，能够传输少模激光，同时由于是大模场结构光纤，能够克服高功率、长距离传输时的非线性效应，一般能够传输4kW以内的少模激 光，第一包层NA=0.15-0.22，能够传输多模激光，同时也能保持非常优异的光束质量，通常光纤激光传输的BPP 要数倍优于同功率的YAG与CO2 激光器。
如图4所示，图示为多包层结构的光纤端帽，多包层光纤140与端帽141熔接，多包层光纤的纤芯激光沿端帽中心传播，多包层光纤的包层激光沿端帽以更大的发散角传播，纤芯激光与包层激光能够同时在端帽中传播，互不影响。该结构的端帽能够使单模激光与多模激光在同一端帽中传播，结构紧凑简单。
通过把7根输入光纤精密排布于套筒内，再通过机械固定的方式与输出多包层光纤精密贴合。该合束器亦可用熔融拉锥的方式制作。
本发明的激光功率合成器亦可制作为19x1，共3层光纤，输出光纤为4包层光纤，纤芯20um，第一包层50um，第二包层100um～200um，该结构19x1可以输出功率20kW。
Claims (6)
1.一种激光加工系统，包括一个激光功率合成器、一个或若干个激光模块、一个激光耦合器以及激光传输系统，其特征在于：所述激光功率合成器为一端多根输入光纤以及另一端一根多包层输出光纤，所述激光传输系统为一根多包层光纤，一个或若干激光模块分别通过一根激光耦合器输入光纤与激光耦合器相连，激光耦合器分别通过若干根激光耦合器输出光纤与激光功率合成器的多根输入光纤端相连，激光功率合成器的一根多包层输出光纤端与激光传输系统相连到输出件。
2.如权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于：所述的激光功率合成器的多根输入光纤通过打绞、捆绑、热缩或者穿于同一石英管内，经熔融拉锥，使其成为一束光纤束。
3.如权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于：所述的激光功率合成器的多根输入光纤密排于同一金属或者陶瓷套管内，通过磨抛或镀膜方式成为一光纤束。
4.如权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于：所述的激光功率合成器的多根输入光纤束与一根多包层输出光纤通过熔接或机械固定方法结合在一起。
5.如权利要求2或3所述的激光加工系统，其特征在于：所述的激光功率合成器的光纤束的中部的光纤与多包层光纤的纤芯结合，光纤束的外部光纤与多包层光纤的包层结合。
6.如权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于：所述激光传输系统为多包层光纤，且多包层光纤与镀膜的石英棒熔接。
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