CN105579185B - 能够抖动的激光加工系统 - Google Patents

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Abstract

激光加工系统和方法能够在加工位置保持一致激光束特性的同时移动激光束。激光加工系统产生沿着准直激光束的长度的至少一部分具有一致的Z轴功率密度的准直激光束，并且沿着X轴和Y轴中的一个抖动准直激光束。准直激光束的抖动方便在三维表面上的一致激光加工，例如，以在激光熔敷加工中提供一致的涂层沉积。激光加工系统可以包括光束传输系统，光束传输系统提供准直和准直激光的抖动以及准直光束的光束直径的调节。

Description

能够抖动的激光加工系统
技术领域
本发明涉及激光加工，更具体地，涉及能够抖动激光束同时在例如工件的三维表面上的加工位置保持一致激光束特性的激光加工系统和方法。
背景技术
激光器通常用于使用多种不同技术加工基板或基底材料(下文中称为工件)。激光加工的一个示例是激光熔敷加工，激光熔敷加工使用激光充分地加热工件以允许另外的材料粘附到工件的表面，从而在工件表面上沉积涂层。一种类型的激光熔敷加工在快速流动的气体流中夹带粉末颗粒，并且允许颗粒撞击在工件的由激光加热的区域中，使得颗粒通过塑性变形和粘接粘附到工件。激光熔敷加工的示例在公开号WO2013/061085和WO2013/061086的国际专利申请中更详细地说明，其通过引用完全并入本文。激光加工的其它示例包括激光焊接和激光材料去除或清洁。
激光加工中的一个挑战是以方便加工工件上更复杂的表面(如，三维表面)同时保持激光束的所需特性(例如，功率密度)的方式移动激光束的难度。现有激光加工系统不允许激光束以所需的响应时间和方向性移动。移动整个激光学头的激光加工系统，例如，不提供相对快的响应时间。一些现有的激光熔敷系统简单地沿一个方向进行光栅扫描，其需要更多的时间并且在诸如涡轮叶片的复杂的三维表面上可能无效。
另外，现有的激光加工系统通常聚集光束使得功率密度沿着光束的Z轴变化。在被聚焦的光束中，功率密度可能在沿着光束的长度的不同位置处显著地变化，因为功率密度与光束点的半径的平方负相关。因此，激光束的移动和/或加工三维表面可能导致在工件上不同加工位置处的例如功率密度的激光束特性的显著改变，由此不利地影响激光加工的一致性。虽然电流计扫描器已用于在激光熔敷系统中扫描激光束，但是这些系统经常不允许光束在加工位置处保持一致的功率密度。在某些激光熔敷加工中，例如，应当精确地控制由在粉末之前的激光束提供的温度分布。激光束的功率密度的变化可能改变温度分布，并且阻止涂层以所需的稠度沉积。
因此，需要能够移动激光束同时在诸如工件的三维表面上的加工位置保持一致激光束特性的激光加工系统和方法。
发明内容
根据实施例，提供一种用于激光加工工件的方法。该方法包括：产生沿着准直激光束的长度的至少一部分具有一致的Z轴功率密度的准直激光束；朝向工件引导准直激光束，以在工件上形成光束点；移动工件，使得光束点便于在工件移动时在工件的表面上加工；和沿着X轴和Y轴中的一个抖动准直激光束，使得光束点在工件移动时在工件上抖动。
根据另一个实施例，一种激光加工系统包括光纤激光器系统和光学地耦合到光纤激光器系统的光纤激光器输出的光束传输系统。光束传输系统包括准直透镜以产生准直激光束，并且至少一个准直透镜能够在Z轴上移动以改变准直光束的直径。激光加工系统还包括用于相对于准直透镜移动光纤激光器输出以在X轴和Y轴中的一个上抖动准直激光束的装置；用于支撑和移动工件的工件保持器；和用于控制工件保持器和用于相对于准直透镜移动光纤激光器输出的装置的运动的运动控制系统。
根据另一个实施例，一种光学头包括：壳体；光纤激光器连接器，用于在壳体的一个端部处将光纤激光器输出连接到壳体；和光束传输系统，定位在壳体中且光学地耦合到光纤激光器输出。光束传输系统包括：用于提供准直激光束的第一准直透镜和第二准直透镜以及用于提供准直激光束的最终准直的最终准直透镜。第一准直透镜和第二准直透镜中的至少一个能够在Z轴上移动，以改变准直激光束的直径。光学头还包括光学元件X-Y平台，定位在壳体中并且支撑准直透镜以便在X轴和Y轴上移动。
根据一个实施例，提供一种用于在工件上沉积包覆的激光熔敷方法。激光熔敷方法包括：产生准直激光束，所述准直激光束具有沿着准直激光束的长度的至少一部分一致的Z轴功率密度；朝向工件引导准直激光束，以在工件上提供光束点；朝向工件引导包覆材料，使得包覆材料在由光束点加热的区域上撞击工件的表面；并且移动工件，使得包覆材料在工件移动时在工件的表面上形成包覆层。
根据另一个实施例，一种激光熔敷系统包括：光纤激光器系统和光学地耦合到光纤激光器系统的光纤激光器输出的光束传输系统。光束传输系统包括准直透镜以产生准直激光束，并且至少一个准直透镜能够在Z轴上移动，以改变准直光束的直径。激光熔敷系统还包括用于相对于准直透镜移动光纤激光器输出以在X轴和Y轴中的一个上抖动准直激光束的机构；用于支撑和移动工件的工件保持器；用于控制工件保持器和用于相对于准直透镜移动光纤激光器输出的装置的运动的运动控制系统；激光熔敷系统还包括粉末传输系统，用于传输包覆粉末到工件，使得包覆粉末在由准直激光束加热的区域上撞击工件的表面。
根据又一实施例，一种集成的激光熔敷光学头包括：壳体；光纤激光器连接器，用于在壳体的一个端部处将光纤激光器输出连接到壳体；和光束传输系统，定位在壳体中并且光学地耦合到光纤激光器输出。光束传输系统包括用于提供准直激光束的第一准直透镜和第二准直透镜和用于提供准直激光束的最终准直的最终准直透镜。第一准直透镜和第二准直透镜中的至少一个能够在Z轴上移动，以改变准直激光束的直径。光学元件X-Y平台，定位在壳体中并且支撑准直透镜以便在X轴和Y轴上移动。集成的激光熔敷光学头还包括粉末传输系统，包括安装到壳体的粉末传输喷嘴，用于传输包覆粉末到工件，使得包覆粉末在由准直激光束加热的区域上撞击工件的表面。
附图说明
通过阅读下面的详细说明并结合附图，上述及其它特征和优点将被更好地理解，其中：
图1A是与本发明的实施例一致的在工件上的三维表面上抖动准直激光束的激光加工系统和方法的示意性透视图。
图1B是在图1A中所示的工件上的激光束点的示意性平面图。
图1C是在图1A中所示的工件上移动的具有一致的Z轴功率密度的准直激光束的示意性侧视图。
图2A-2D示出了与在本发明内容的实施例一致的通过在工件上抖动激光束点同时提供工件的协调运动而形成的激光加工图案的示例。
图3A是与本发明的一些实施例一致的激光加工系统的示意性透视图，该激光加工系统包括用于提供能够通过移动光学元件而被抖动的准直激光束的光束传输系统。
图3B是与本发明的其他实施例一致的激光加工系统的示意性透视图，该激光加工系统包括用于提供能够通过移动光纤激光器输出而被抖动的准直激光束的光束传输系统。
图4是用于提供能够被抖动的准直激光束的光束传输系统的实施例的透视图。
图5是图4中所示的光束传输系统的侧视图。
图6是图4中所示的光束传输系统的侧面剖视图。
图7是与本发明内容的实施例一致的激光熔敷系统的示意性侧视图，该激光熔敷系统包括用于提供能够被抖动的准直激光束的光束传输系统。
图8是用于在激光熔敷系统中使用的集成激光熔敷光学头的一个实施例的透视图。
图9是在图8中所示的集成激光熔敷光学头的侧面局部剖视图。
图10是图9中示出的集成激光熔敷光学头中的集成光学头的仰视图。
图11是沿着图9中XI-XI线截取的集成激光熔敷光学头的横截面视图。
图12是沿着图9中XII-XII线截取的集成激光熔敷光学头的横截面视图9。
图13是包括连同工件保持器被安装在壳体内的在图8-12中所示的集成激光熔敷光学头的激光熔敷系统的实施例的立体图。
具体实施例
与本文描述的实施例一致的激光加工系统和方法能够移动激光束，同时在加工位置处保持一致的激光束特性。激光加工系统产生沿着激光束的长度的至少一部分具有一致的Z轴的功率密度的准直激光束，并沿X和Y轴中的一个抖动准直激光束。准直激光束的抖动促进在三维表面上的一致的激光加工，例如，在激光熔敷加工中提供一致的涂层沉积。激光加工系统可以包括光束传输系统，光束传输系统提供准直和经准直的激光的抖动以及准直光束的光束直径的调节。
与本文描述的实施例一致的激光加工系统和方法可以用于各种应用和三维表面。激光加工应用的示例包括激光熔敷、焊接、清洁、去除材料、表面硬化和机械加工(例如，划线、切割或成形)。具有可能被加工的三维表面的工件的示例包括但不限于涡轮叶片、阀座和管道。
如本文中所使用的，“准直激光束”是指具有相对低的光束散度的激光束(例如，具有小于或等于1兆拉德(mRAd)的散度的10毫米直径的光束)，从而使光束半径在中度的传播距离内不经历显著变化。“准直激光束”并不需要具有零散度的精确的或完美的准直。如本文中所使用的，“一致的Z轴的功率密度”是指每激光束面积上的功率，其沿着300mm的工作范围中的激光束的Z轴的变化不超过±6％。“一致的Z轴功率密度”不要求功率密度沿着光束的Z轴是精确相同的。如本文中所使用的，“工件”是指正被激光束加工的一个或多个对象，并且可以包括正被一起加工(例如，通过焊接在一起)的多个对象。如本文所使用的，“三维表面”指的是在X，Y和Z轴中延伸的非平坦表面。如本文中所使用的，“抖动”是指沿着一个轴来回移动激光束相对短的距离(例如，±10毫米或更小)同时光束保持基本上垂直于工件。
参照图1A-1C中，与本文描述的实施例一致的激光加工方法及系统100使用准直激光束110以加工例如具有三维表面104的工件102。激光加工系统100通常包括光束传输系统130和产生激光输出的激光器系统120，所述光束传输系统130准直来自从激光器系统120的激光输出并且将经准直激光束110传输到工件102。激光加工系统100还可以包括能够保持或支撑工件并且在激光加工期间移动工件102的工件保持器140。工件保持器140可以包括能够沿多个不同的方向移动工件102的直线和/或旋转平台(stage)。
准直激光束110被引导在工件102的表面104处，在表面104上形成光束点112，如图1B所示。在光束点112处来自于激光束110的能量被用于加工工件102的表面104，例如，通过充分加热工件以粘附包覆材料、焊接或去除材料。在一个示例中，准直激光束110具有高斯光束轮廓。激光波长、光束功率、光束功率密度和光束轮廓可以变化并且通常取决于应用、工件的材料(多个材料)和/或在激光加工中使用的其他材料。
准直激光束110提供了一致的Z轴的功率密度以在不同的加工位置处(例如，在由激光束点112接触的三维表面104的不同位置处)保持一致的激光束特性。如图1C中所示，例如，在一个加工位置处的具有光束点112的准直激光束110在工件102的表面104上提供与在另一个加工位置处的具有光束点112a的准直激光束110a基本上相同的功率密度。在具有2毫米的光束直径和6千瓦的功率的一个示例中，功率密度将大约为191千瓦/平方厘米。在这个示例中，准直激光束110和110a在光束点112的加工位置和光束点112a的加工位置两者处的功率密度都应该是大约191千瓦/平方厘米。因此，准直激光束110可以在相对大的工作距离上提供一致的Z轴的功率密度，从而相比于使用具有沿着光束的Z轴显著地改变的功率密度的聚焦光束的激光加工系统提供优势。
激光器系统120可以包括具有任何合适的波长和功率以提供所需的激光加工的激光。特别地，激光器系统120可以包括能够产生具有相对高的功率的激光束的光纤激光器(fiber laser)。在激光熔敷系统的一个示例中，激光器系统120包括镱光纤激光器系统，镱光纤激光器系统能够产生具有1.07微米波长和在500瓦到50千瓦范围内的输出功率的激光束，诸如来自IPG光子公司的YLS-3000CT。对于大多数的应用，激光器系统120提供连续波(CW)激光输出，但是也可使用调制的或脉冲的激光器进行一些激光加工应用，例如，提供纹理表面。
准直激光束110可以沿X轴或Y轴抖动，如由箭头所指示，以促进多向、多轴的激光加工。在激光熔敷应用中，例如，可以使用抖动以在包覆粉末被施加给工件之前在工件104的较宽区域中提供期望的温度分布。也可以使用准直激光束110的抖动以允许连续的、多方向的包覆加工。在激光焊接的应用中，抖动可以被用于促进在比光束直径更宽的区域上焊接。抖动的方向、速度和程度可以根据工件102的表面104的应用和/或形状变化。在一个实施例中，抖动可以以10赫兹至100赫兹的相对快的响应时间在±10毫米范围内提供。如下面更详细描述，光束传输系统130可以包括用于抖动准直激光束110的各种类型的机构。
准直激光束110的直径(以及因此光束点112的直径)也可以改变，例如，对于不同的加工应用、对于不同的工件或对于在单个工件上的不同区域。如图1B中所示，例如，可以增加准直光束110的直径，以提供具有较大的直径的光束点112b。在一个示例中，直径可以在约2毫米至10mm内变化。如下更详细描述，光束传输系统130还可以包括能够改变准直激光束110的直径的准直光学元件。
工件保持器140也能够沿着X轴、Y轴和/或Z轴移动工件102和/或围绕这些轴中的任何一个旋转工件102。激光加工系统100还包括运动控制系统150，以控制准直激光束110的抖动和/或工件102的运动。运动控制系统150可以包括用于控制直线和/或旋转平台的任何类型的可编程运动控制系统(例如，被编程的计算机)。准直激光束110的抖动和工件102的运动可以通过运动控制系统150进行协调，以在工件102的表面104上产生多种激光加工图案(即，不止直线的)。
可以由使用工件102的协调运动抖动准直激光束110所创造的图案的示例在图2A-2D中示出。如图2A中所示，激光束可以被抖动以沿箭头108的方向移动光束点112，同时沿箭头106的方向移动工件，以形成蛇形图案。这种类型的图案可以在焊接应用中使用，例如，以桥接在被焊接在一起的两个对象(例如，被对接焊接的厚板)之间的间隙。换言之，抖动引起光束点112跨越间隙移动，使得基底材料被拉入焊缝。图2B示出所述蛇形图案的另一种变化，其中沿箭头108的方向的抖动的程度随着工件沿箭头106的方向的移动逐渐增加。抖动的程度也可以以其他方法变化以创造这种图案的其他变型。
如图2C所示，激光束可以被抖动，以沿箭头108或箭头109的方向移动光束点112，同时沿箭头106、107的方向移动工件，以形成螺旋形或漩涡图案。这种类型的图案可以在激光熔敷应用中使用，例如，通过在工件的中心处开始并且向外工作以沉积涂层。换言之，这种类型的图案可以有利地用于在多个方向上沉积涂层，其中使用相对连续的运动而不是仅沿一个方向使用其中系统必须停止并折回的常规光栅化图案。图2D示出通过沿箭头108或箭头109的方向抖动光束同时沿箭头106、107的方向移动工件而形成的一系列圆的图案的另一种变型。因此，准直激光束的抖动允许在包括三维表面的不同类型的表面的较宽范围上动态地提供包覆涂层的图案。
图3A和3B示出具有用于抖动可调节的准直激光束310的不同机构的激光加工系统300、300’的不同实施例。在这两种激光加工系统300、300’中，光束传输系统330包括准直透镜332、334和336。一对可调透镜332、334(例如，在望远镜装置中使用的)提供准直光束310，准直光束310的直径能够通过移动一个或两个透镜332、334调节。最终的准直透镜336是固定的，并且提供准直激光束310的最终准直。在一个示例中，第一准直透镜332能够在约8mm的范围内调节且第二准直透镜334能够在约40毫米的范围内调节，以提供在约2mm到10mm的范围内的光束直径的可调节度。在一个示例中，第一准直透镜332可以是凸透镜和第二准直透镜334可以是凹透镜。也可以使用能够准直激光束的其它透镜类型。
在一个实施例中，如图3A所示，可调节准直激光束310通过移动光束传输系统330的光学元件被抖动，而无需移动光纤激光器输出。在本实施例中，光束传输系统330的光学元件通过移动支撑准直透镜332、334、336的支撑结构331被移动。特别是，支撑结构331安装在光学元件X-Y平台360上，光学元件X-Y平台360提供沿着X轴和Y轴的直线移动，由此导致准直透镜332、334、336沿着X轴和Y轴的直线移动。
光纤激光器端接块324通过端接块连接器326光学地耦合到光束传输系统330并且被固定，使得准直镜片332、334、336移动，而不移动光纤激光器输出。在沿着X轴或Y轴的方向相对于光纤激光器输出移动准直透镜332、334、336导致从光束传输系统330输出的准直激光束310以沿着相应的X轴或Y轴在相反方向上光学地移动。光学元件X-Y平台360移动准直透镜332、334、336，例如，在足以在±10mm范围内移动准直激光束310的范围内。通过只移动光学元件而不移动包括光纤激光器输出的整个头部，准直激光束310可以以相对快的响应时间抖动。
在另一个实施例中，如图3B所示，可调节准直激光束310通过直接移动光纤激光器输出被抖动，无需移动光学元件。光纤激光器输出可以通过直接移动端接光纤激光器的端接块324或通过移动将端接块324连接到光束传输系统330的端接块连接器326被移动。在这个实施例中，光纤激光器输出X-Y平台328被耦合至端接块324或端接块连接器326，以提供导致从端接块324输出的光纤激光抖动的运动。在一个示例中，端接块324是石英块并且端接块连接器326是石英块保持器(QBH)连接器。在一个示例中，光纤激光器输出X-Y平台328包括一个或多个压电(PZT)电机或致动器。因此，移动端接块324或端接块连接器326以直接移动光纤激光器输出可以提供甚至更快的响应时间。
如上所述，仅通过移动光学元件或仅通过移动光纤激光器输出抖动准直激光束310还有助于在加工过程中保持光束的准直。因此，当加工过程中激光束被抖动时，准直激光束310的一致的Z轴功率密度可以被保持。虽然示出的实施例能够在X轴或Y轴上抖动，但是其他实施例可以使用仅在一个轴上提供直线移动的平台。
在这两个实施例中，准直激光束310的抖动可能与工件302的移动相协调。在图3A所示的系统中，运动控制系统350被连接至工件保持器X-Y平台340和光学元件X-Y平台360两者，用于控制平台340、360的移动和协调准直激光束310的抖动与工件的移动302。在图3B所示的系统中，运动控制系统350被连接至光纤激光器输出X-Y平台338和工件保持器X-Y平台340，用于控制平台338、340的移动和协调准直激光束310的抖动与工件302的移动。
参照图4-6，具有可动光学元件的光束传输系统430的一个实施例被更详细地描述。光束传输系统430包括支撑准直透镜432、434、436的支撑结构431。准直透镜432、434、436被固定在框架中并且由支撑结构431支撑，使得准直透镜432、434、436对齐，以允许激光束从第一准直透镜432穿过到最终准直透镜436。如在该实施例中所示，第一可调节透镜和第二可调节透镜432、434可以包括水冷镜片以防止由激光能量导致的开裂。
支撑结构431被支撑在X-Y线性平台460上，用于沿X-Y方向的移动，如上所述。X-Y线性平台460包括用于在X轴上提供直线运动的第一方向线性致动器462和用于在Y轴上提供直线运动的第二方向线性致动器464。在图示的实施例中，线性致动器462、464包括跨在马达驱动的丝杠上的托架。在其他实施例中，线性致动器可以包括能够以所需的响应时间提供直线运动的任何类型的致动器，包括但不限于，线性马达或压电(PZT)马达。
可调准直透镜432、434被分别地安装到Z轴托架433、435，用于在Z轴上移动。Z轴托架433、435被支撑结构431可滑动地支撑，并且分别通过安装到支撑结构431(参见图6)的线性致动器437、439在Z轴上移动。在图示的实施例中，线性致动器437、439包括马达驱动的丝杠。在其他实施例中，可以使用其它类型的线性致动器。
参照图7，示出并描述与本发明内容的实施例一致的激光熔敷系统700。激光熔敷系统700包括安装到内装诸如如上所述的光束传输系统730的光学壳体780的包覆材料传输系统770。光纤激光器的输出光纤722用端接块连接器726耦合到光学壳体780，使得光纤激光器输出(即，光纤端接块724)对准并光学耦合到位于光学壳体780内的光束传输系统730。
在本实施例中，包覆材料传输系统770包括喷嘴772，用于将包覆粉末材料和高速气体流一起传输到工件，例如，如在国际专利申请公开号WO2013/061085和WO2013/061086中描述的，其通过引用并入本文。包覆材料传输系统770被连接至粉末传输线774和气体传输线776，用于分别供给包覆粉末材料和气体。在其他实施例中，包覆材料传输系统可以被配置为传输其它形式的包覆材料，诸如丝线。
光学壳体780还包围光学元件X-Y平台760，用于在X轴或Y轴上移动所述光束传输系统730，如上所述。可替代地，壳体780可以包围光纤激光器输出X-Y平台728，用于移动光纤端接块连接器726或光纤端接块724。运动控制系统750可以控制光学元件X-Y平台760或光纤激光器输出X-Y平台728的运动，以控制工件702的移动与准直激光束710的抖动协调配合，如以上所讨论的。
在操作中，光束传输系统730可以在粉末材料之前将准直激光束710引导至工件702，并且可以被抖动，以在工件702上提供期望的温度分布。准直激光束710也可以与工件702的运动协调地在工件702上被抖动，从而例如在三维表面上以便于包覆的各种图案沉积涂层。
参照图8-12，更详细地描述集成的激光熔敷光学头800的一个实施例。集成的激光熔敷光学头800包括使用托架871安装到光学壳体880的包覆粉末传输系统870，光学壳体包围光束传输系统830(参见图11)。在本实施例中，如在图4-6中示出和如上所述，光束传输系统830包括用于抖动准直激光束的可动光学元件。石英块保持器(QBH)连接器826被连接到光学壳体880，使得石英块824对准并光学耦合到光束传输系统830(参见图11)。牺牲窗口882定位在光学壳体880的相对端以允许准直激光束被引导出光学壳体880到工件。
包覆粉末传输系统870包括喷嘴872，用于以高速传输包覆粉末材料与被加热的气体。虽然喷嘴872的位置相对于光学壳体880固定，但是由光束传输系统830提供的准直激光束的抖动允许激光束相对于撞击工件的粉末移动。
在本实施例中，监视系统壳体890还被安装到光学壳体880。监视系统壳体890包围用于监视包覆加工的监视系统，诸如用于监视加工区域的温度的高温计。
如图13所示，集成的激光熔敷光学头800可以相对于支撑并移动工件的工件保持器840被安装在壳体899之内。在图示的实施例中，工件保持器840是能够在X，Y和Z轴上旋转工件和移动工件的机器人臂。因此，当工件由工件保持器840移动和/或准直激光束在光学壳体880内抖动时集成的激光熔敷光学头800保持固定。
因此，与本文描述实施例一致的激光加工系统和方法，通过抖动激光束同时在加工位置处保持一致的激光束特性，能够加工更复杂的三维表面。
虽然已经在此描述的本发明的原理，本领域的技术人员理解，该描述仅通过示例的方式而不是作为对本发明的范围的限制。除本文所示和描述的示例性实施例以外，其他实施例被考虑在本发明的范围内。通过本领域的普通技术人员之一的修改和替代都被认为是在本发明的范围之内，其不受除下面的权利要求以外的限定。

Claims (30)

1.一种用于激光加工工件的方法，该方法包括如下步骤：
使用光束传输系统中的准直透镜产生沿着准直激光束的长度的至少一部分具有一致的Z轴功率密度的准直激光束；
朝向工件引导准直激光束，以在工件上形成光束点；
移动工件，使得光束点便于在工件移动时在工件的三维表面上加工；和
在未偏转和移动联接到光束传输系统的激光器输出端的情况下通过沿着X轴和Y轴移动准直透镜以抖动准直激光束，使得准直激光束沿着X轴和Y轴中的一个来回移动±10mm或更小的距离，同时准直激光束保持垂直于工件，使得光束点在工件移动时在工件上对应地抖动，从而在工件的三维表面上的不同加工位置处维持一致的激光束特性。
2.根据权利要求1所述的方法，其中产生准直激光束的步骤包括使激光器的输出光束穿过至少两个准直透镜。
3.根据权利要求2所述的方法，其中准直透镜中的至少一个能够在Z轴上移动以改变在工件上的光束点的直径。
4.根据权利要求1所述的方法，其中加工包括包覆。
5.根据权利要求1所述的方法，其中加工包括焊接。
6.根据权利要求1所述的方法，其中加工包括表面清洁。
7.根据权利要求1所述的方法，其中工件具有三维表面，并且其中准直激光束在三维表面上的不同的加工位置处提供一致的Z轴功率密度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，工件是涡轮叶片。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，工件是阀座。
10.根据权利要求1所述的方法，其中准直激光束在与工件的移动协调的情况下而被抖动，使得光束点在工件的三维表面上以连续的图案移动。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述图案是蛇形图案。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述图案是螺旋图案。
13.一种激光加工系统，包括：
光纤激光器系统；
光束传输系统，该光束传输系统光学地联接到光纤激光器系统的光纤激光器输出端，该光束传输系统包括准直透镜以产生准直激光束，其中至少一个准直透镜能够在Z轴上移动以改变准直激光束的直径；
用于相对于准直透镜移动光纤激光器输出端以抖动准直激光束的装置，所述装置抖动准直激光束使得准直激光束沿着X轴和Y轴中的一个来回移动±10mm或更小的距离，同时准直激光束保持垂直于工件，从而在工件的三维表面上的不同加工位置处维持一致的激光束特性；
用于支撑和移动工件的工件保持器；和
用于控制工件保持器和用于相对于准直透镜移动光纤激光器输出端的装置的运动的运动控制系统，
其中用于相对于准直透镜移动光纤激光器输出端的装置包括用于在不偏转和移动光纤激光器输出端的情况下移动准直透镜的光学元件X-Y平台。
14.一种光学头，包括：
壳体；
光纤激光器连接器，该光纤激光器连接器用于在壳体的一个端部处将光纤激光器输出端光学地连接到壳体；
光束传输系统，该光束传输系统定位在壳体中且光学地联接到光纤激光器输出端，该光束传输系统包括：
用于提供准直激光束的第一准直透镜和第二准直透镜，第一准直透镜和第二准直透镜中的至少一个能够在Z轴上移动以改变准直激光束的直径；和
用于提供准直激光束的最终准直的最终准直透镜；以及
光学元件X-Y平台，该光学元件X-Y平台定位在壳体中并且支撑准直透镜，以便在未偏转和移动光纤激光器输出端的情况下在X轴和Y轴上移动准直透镜，以抖动准直激光束使得准直激光束沿着X轴和Y轴中的一个来回移动±10mm或更小的距离，同时准直激光束保持垂直于工件，从而在工件的三维表面上的不同加工位置处维持一致的激光束特性。
15.根据权利要求14所述的光学头，还包括牺牲窗口，该牺牲窗口定位在壳体的另一端处，用于允许准直激光束传输出壳体。
16.根据权利要求14所述的光学头，还包括支撑结构和能够滑动地安装在支撑结构上以便在Z轴上移动的第一透镜托架和第二透镜托架，其中第一准直透镜和第二准直透镜被分别安装在第一透镜托架和第二透镜托架上，并且其中所述支撑结构被安装在光学元件X-Y平台上。
17.根据权利要求14所述的光学头，其中第一准直透镜和第二准直透镜分别包括凹透镜和凸透镜。
18.一种用于在工件上沉积包覆层的激光熔敷方法，该方法包括如下步骤：
使用准直透镜产生准直激光束，所述准直激光束具有沿着准直激光束的长度的至少一部分一致的Z轴功率密度；
朝向工件引导准直激光束，以在工件上提供光束点；
朝向工件引导包覆材料，使得包覆材料在由光束点加热的区域上撞击工件的三维表面；
移动工件，使得包覆材料在工件移动时在工件的三维表面上形成包覆层；并且
在未偏转和移动激光器输出端的情况下通过沿着X轴和Y轴移动准直透镜以抖动准直激光束，使得准直激光束沿着X轴和Y轴中的一个来回移动±10mm或更小的距离，同时准直激光束保持垂直于工件，使得光束点在工件移动时在工件上对应地抖动，从而在工件的三维表面上的不同加工位置处维持一致的激光束特性。
19.根据权利要求18所述的激光熔敷方法，其中准直激光束在三维表面上的不同的加工位置处提供一致的Z轴功率密度。
20.根据权利要求19所述的激光熔敷方法，其中工件是涡轮叶片。
21.根据权利要求18所述的激光熔敷方法，其中产生准直激光束的步骤包括使激光器的输出光束穿过至少两个准直透镜。
22.根据权利要求21所述的激光熔敷方法，其中准直透镜中的至少一个能够在Z轴上移动以改变在工件上的光束点的直径。
23.根据权利要求18所述的激光熔敷方法，其中准直激光束在与工件的移动协调的情况下而被抖动，使得光束点在工件的三维表面上以连续的图案移动。
24.根据权利要求23所述的激光熔敷方法，其中所述图案是螺旋图案。
25.根据权利要求18所述的激光熔敷方法，其中包覆材料是被夹带在气流中的粉末。
26.一种激光熔敷系统，包括：
光纤激光器系统；
光束传输系统，该光束传输系统光学地联接到光纤激光器系统的光纤激光器输出端，该光束传输系统包括准直透镜以产生准直激光束，其中至少一个准直透镜能够在Z轴上移动以改变准直激光束的直径；
用于相对于准直透镜移动光纤激光器输出端以抖动准直激光束的装置，所述装置抖动准直激光束使得准直激光束沿着X轴和Y轴中的一个来回移动±10mm或更小的距离，同时准直激光束保持垂直于工件，从而在工件的三维表面上的不同加工位置处维持一致的激光束特性；
用于支撑和移动工件的工件保持器；
用于控制工件保持器和用于相对于准直透镜移动光纤激光器输出端的装置的运动的运动控制系统；和
粉末传输系统，该粉末传输系统用于传输包覆粉末到工件，使得包覆粉末在由准直激光束加热的区域上撞击工件的三维表面，其中用于相对于准直透镜移动光纤激光器输出端的装置包括用于在不偏转和移动光纤激光器输出端的情况下移动准直透镜的光学元件X-Y平台。
27.根据权利要求26所述的激光熔敷系统，还包括包围所述光束传输系统的光学壳体，其中粉末传输系统被安装到光学壳体，以形成集成的激光熔敷光学头。
28.一种集成的激光熔敷光学头，包括：
壳体；
光纤激光器连接器，该光纤激光器连接器用于在壳体的一个端部处将光纤激光器输出端光学地连接到壳体；
光束传输系统，该光束传输系统定位在壳体中并且光学地联接到光纤激光器输出端，该光束传输系统包括：
用于提供准直激光束的第一准直透镜和第二准直透镜，第一准直透镜和第二准直透镜中的至少一个能够在Z轴上移动以改变准直激光束的直径；和
用于提供准直激光束的最终准直的最终准直透镜；
光学元件X-Y平台，该光学元件X-Y平台定位在壳体中并且支撑准直透镜，以便在未偏转和移动光纤激光器输出端的情况下在X轴和Y轴上移动准直透镜，以抖动准直激光束使得准直激光束沿着X轴和Y轴中的一个来回移动±10mm或更小的距离，同时准直激光束保持垂直于工件，从而在工件的三维表面上的不同加工位置处维持一致的激光束特性；和
粉末传输系统，该粉末传输系统包括安装到壳体的粉末传输喷嘴，用于传输包覆粉末到工件，使得包覆粉末在由准直激光束加热的区域上撞击工件的三维表面。
29.根据权利要求28所述的集成的激光熔敷光学头，还包括牺牲窗口，该牺牲窗口定位在壳体的另一端处，用于允许准直激光束传输出壳体。
30.根据权利要求28所述的集成的激光熔敷光学头，还包括支撑结构和能够滑动地安装在支撑结构上以便在Z轴上移动的第一透镜托架和第二透镜托架，其中第一准直透镜和第二准直透镜被分别安装在第一透镜托架和第二透镜托架上，并且其中所述支撑结构被安装在光学元件X-Y平台上。
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