CN107666982B - 多波束激光器系统和焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明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。

Description

多波束激光器系统和焊接方法
技术领域
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。
背景技术
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(rep rate)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，发明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(registration guide)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。
本发明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，本发明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。
发明内容
本发明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。在本发明的优选实施例中，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。
本发明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，本发明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。
本发明的激光器系统特别适用于焊接。因此，本发明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，本发明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是本发明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提供了用于本发明系统的模数控制示意图。
图5a提供了图3a中发现的本发明实施例的波束的聚焦图像的强度分布。
图5b提供了图3a中发现的本发明实施例的波束的非聚焦图像的强度分布。
图6a是当波束保持聚焦时几乎完成的点焊的照片。
图6b提供了在关于哪个光纤以及输出相对于彼此的持续时间和6a中的点焊的完整周期方面优选实施例的输出的顺序。
图6c提供了用于图6b的顺序程序的激光程序。
图6d是在图6a至图6c中记录的过程中产生的点焊的顶视图。
图6e是在图6a至图6c中记录的过程中产生的点焊的底视图。
图7a是当波束未聚焦时几乎完成的点焊的照片。
图7b提供了在关于哪个光纤以及输出相对于彼此的持续时间和7a中的点焊的单个点焊的完整周期连同焦点位置方面优选实施例的输出的顺序。
图7c提供了用于图7b的顺序程序的激光程序。
图7d是在图7a至图7c中记录的过程中产生的点焊的顶视图。
图7e是在图7a至图7c中记录的过程中产生的点焊的底视图。
图8a是本发明的点焊的截面图。
图8b是本发明产生的另一点焊的截面图。
图9a是本发明产生的两个点焊的顶视图。
图9b是本发明产生的两个点焊的底视图。
图10a是本发明的一个实施例的横截面图，其中三个光纤输出沿周向排列。
图10b是由图10a中阐述的配置产生的焊接的图片。
具体实施方式
现在详细参考本发明的实施例。在有可能的情况下，附图和说明书中使用相同或相似的附图标记来表示相同或相似的部件或步骤。附图为简化形式，且不是按精确比例绘制的。仅为了方便和清楚的目的，可以相对于附图使用方向性(上/下等)或运动(前进/后退等)术语。术语“耦合”和类似术语不一定表示直接和立即连接，而是还包括通过中间元件或设备的连接。
图1阐述了本发明的一个实施例，其中激光器系统10通过耦合到体光学器件34的传输光纤29a至29g传输三个不同的输出。优选地，传输光纤29a至29g通过熔接到体光学器件34而耦合到体光学器件34。优选地，传输光纤和体光学器件34由诸如石英的相同材料制成，使得它们具有相同的折射率。更优选地，体光学器件34和传输光纤中的每一个的折射率为1.45。
激光器系统10的壳体11包含激光器模块12、14、16、18、20、22和24。在本发明中，激光器模块12、14、16、18和20在传输光纤29a至29g中提供相同的输出。每个模块是1200W的镱光纤激光器模块。
为了便于构造，使用了合束器27a至27g。这些合束器在申请人拥有的国际专利申请No.PCT/US2014/018688中被更全面地描述，该申请通过引用整体并入本文。合束器21具有与光纤耦合器28光连通的输出光纤26。
在该实施例中，激光器模块提供1070nm的输出，因为它们的有源光纤是Yb，但是设想了任何种类的波长，从而设想了Er、Th、Ho、掺杂光纤或其一些组合，更不要说其中输出通过非线性光学晶体、拉曼光纤等频移的光纤激光器，假设点焊或摆动焊接配置需要由此产生的波长。
虽然在本发明中产生的光是多模的，因为这是应用所要求的内容，但是当特定应用需要时也可以提供单模光。这些模块之一，例如优选地在位于配置中心的序列中使用的第一光纤，可以优选地为单模，而形成六边形轮廓的外部激光器是多模的。
尽管本发明的激光器模块都是顺序操作的CW模块，但是取决于焊接应用的要求，可以替代准连续波激光器。实际上，预期的另一种配置包括使用用于中心点的CW模块，同时利用用于外围的激光输出的QCW模块。
图2提供了传输光纤29a至29d(29e至29g在后面)与体光学器件34的连接的分解截面图。在该实施例中，体光学器件34和传输光纤29a至29g被外覆盖件33包围以形成加工光缆。相应的光纤耦合到体光学器件34。更优选地，相应的光纤在熔接位置36处与体光学器件34熔接。
图3a提供了邻近其在体光学器件34上的熔接位置36的传输光纤29a至29g的横截面。如本领域普通技术人员可以理解的，七个光纤以预定的布置相对于彼此间隔开。在本发明的实施例中，全部七个光纤的外径为200μm。中间光纤具有50μm的较小芯径，而外围的传输光纤具有100μm的相等芯径。本发明不限于该实施例，而是发现该实施例产生最好的点焊。发现本发明的该特定实施例产生铝和各种铝合金的优质点焊和诸如
Figure GDA0002277310700000061
1500和22MnB5(
Figure GDA0002277310700000062
是ArcelorMittal的商标)的热成型钢。
由于现在以多种形状制造传输光纤，因此设想了可以使用不同形状的光纤以及不同直径的光纤，但是目前的配置似乎产生了令人满意的焊接。此外，本发明设想了传输光纤的附加环以及位于六个模块周边之外的相应激光器模块。优选地，传输光纤的附加环将包括与其各自的激光源进行光连通的19个传输光纤。
图3b提供了由来自图3a的传输光纤配置的聚焦输出处理的工件的照片。每个单独斑点的直径小于1毫米，焊接的总直径小于5毫米。
本发明的激光器模块可以优选地彼此独立地操作，但是仍然可以优选地经受统一的控制方案以允许对其输出的动态调整。图4提供了标准的控制格式，其中独立操作的激光器模块通过使用数模控制器被进一步控制。这将允许并行地控制独立操作的激光器模块。本领域普通技术人员将认识到，各种控制方案可以操作本发明的该优选实施例。例如，在本发明中，由IPG Laser GmbH出货的利用激光器的作为标准软件控制包提供的LaserNet软件被用于对来自这些模块的输出的功率和宽度进行编程。序列编辑器用来定时激活每个模块。如下面进一步描述的，图6a至图6b和图7a至图7b阐述了在约700ms内产生本发明的点焊。本发明能够提供完整点焊的范围在300毫秒和1秒之间，所述范围包括在优选实施例中所有7个光纤输出的激活。虽然考虑较慢的焊接时间，但它们不会与现有技术竞争。
图5a和图5b提供了本发明的两个操作变型的强度分布。图5a涉及使用本发明的聚焦操作，而图5b呈现了对于波束传输的特别散焦方法的图像。在这两种情况下，波束都是按顺序操作的，但是通过使输出散焦，与聚焦版本相比点焊变得更均匀。
关于集成本发明的激光器的最佳设备，优选地将其并入到不需要激光器单元的1类激光器系统中。实际上，本发明的唯一方法可以替代位于工厂地板上的电阻焊机，如果它们具有相同的安全记录(如果不是更好的安全记录)。因此，本发明的激光器系统最好配置在如2014年4月24日公布的PCT公开WO2014/063153、2014年4月24日公布的PCT公开WO2014/063151、2014年7月授权的美国专利8,766,136中所公开的1类激光器系统中，所述公开和专利的全部内容通过引用整体并入本文。
除了以上阐述的激光器系统之外，本发明进一步提供了一种产生激光点焊的改进方法，该方法通过使用多光纤输出允许从产生牢固的、可靠的和快速的焊接所需的设备中去除扫描仪，其中一旦被机器人引导到一个位置或者如果被预先定位，则所述多光纤输出不需要被移动。
在优选实施例中，激光器按顺序方式被激活。已经发现该方法有利于在镀锌钢、高强度钢以及铝和铝合金中形成焊接，因为这样的材料具有必须被汽化并被允许排气的涂层或氧化物。实际上，申请人的同时激活所有光纤激光输出的实验导致大量的飞溅，这导致比所需要的小的焊接池。
除了图6a至图6c和图7a至图7c所阐述的参数之外，申请人发现使用交叉射流产生了优良的点焊。图8a至图9b是这种焊接的代表。
图10a提供了本发明的一个实施例，其中三个输出沿周向排列。在该实施例中，光纤被顺序地烧制，但这不是本发明的要求。发现这种配置能够产生电镀锌钢、热浸镀锌钢以及铝和各种铝合金和诸如
Figure GDA0002277310700000081
1500和22MnB5(
Figure GDA0002277310700000082
是ArcelorMittal的商标)之类的热成型钢的优良焊接。
图10b是以图10a中所阐述的方式布置的优选实施例所产生的焊接的图片。
使用不超过常规的实验，本领域技术人员将认识到或能够确定本文所述的本发明的具体实施例的许多等同形式。所公开的原理图可以用于任何光成像系统，但是目前公开的结构和焊接方法的动力在于所公开的多波束激光器光纤传输系统。
因此，应当理解的是，前述实施例仅以示例的方式呈现，并且在所附权利要求及其等同形式的范围内，本发明可以以不同于具体描述的方式实施。本公开涉及本文所述的每一个单独的特征、系统、材料和/或方法。此外，如果这些特征、系统、材料和/或方法不相互矛盾，则两个或更多个这样的特征、系统、材料和/或方法的任何组合都被包括在本发明的范围内。

Claims (18)

1.一种多波束输出激光器系统，用于产生要传输到工件以对工件进行焊接的多个激光束输出，所述多波束输出激光器系统包括：
沿周向排列的至少四个间隔开的传输光纤，所述传输光纤熔接到不同的激光器模块的相应输出光纤，每个输出光纤是彼此独立地受控的，使得多个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，每一个所述传输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传输光纤接收不同的激光束输出并且输出不同的间隔开的激光束输出，
其中所述激光束输出被控制为按顺序而不是同时地提供给所述工件，但全部在一个时间范围内；以及
其中所述传输光纤中的一个传输光纤相对于其他传输光纤定位，使得其他传输光纤并置在所述一个传输光纤的周围，所述一个传输光纤的芯径小于所述其他传输光纤。
2.根据权利要求1所述的多波束输出激光器系统，其中每一个所述传输光纤熔接到所述体光学器件。
3.根据权利要求1所述的多波束输出激光器系统，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所述的多波束输出激光器系统，还包括加工光缆，所述加工光缆包围至少四个所述传输光纤和所述体光学器件。
5.根据权利要求1所述的多波束输出激光器系统，其中至少四个所述传输光纤中的多个传输光纤间隔开，使得它们表示多边形上的点。
6.根据权利要求1所述的多波束输出激光器系统，还包括在所述体光学器件下游的光学部件。
7.根据权利要求5所述的多波束输出激光器系统，其中六个传输光纤形成六边形的点，所述六个传输光纤全部围绕所述一个传输光纤。
8.根据权利要求1所述的多波束输出激光器系统，其中六个传输光纤形成六边形的点，所述六个传输光纤全部围绕所述一个传输光纤。
9.根据权利要求7或8所述的多波束输出激光器系统，还包括：附加的12个传输光纤，所述附加的12个传输光纤形成定位在形成六边形的点的所述六个传输光纤周围的十二边形的点。
10.根据权利要求8所述的多波束输出激光器系统，其中所述多波束输出激光器系统被构造为使得所述一个传输光纤是所述传输光纤中第一个向所述工件提供输出的传输光纤。
11.根据权利要求1所述的多波束输出激光器系统，其中所述传输光纤具有不同的外径。
12.根据权利要求1所述的多波束输出激光器系统，其中所述传输光纤是单模的。
13.根据权利要求1所述的多波束输出激光器系统，其中所述传输光纤是多模的。
14.根据权利要求1所述的多波束输出激光器系统，还包括1类激光器传输系统。
15.一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，所述激光器系统包括至少四个光纤激光器模块，所述至少四个光纤激光器模块以周向排列的至少四个间隔开的传输光纤进行传输，所述传输光纤熔接到不同的光纤激光器模块的相应输出光纤，每个光纤激光器模块配置为彼此独立地操作并提供不同的光纤激光束输出；
从不同的光纤激光器模块中的每一个启动不同的光纤激光束输出的序列，所有的光纤激光器模块配置为对所述工件进行焊接；以及
每个不同的光纤激光束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，不同的光纤激光束输出的组合有助于具有足够强度的预定焊接，
其中所述光纤激光束输出被控制为按顺序而不是同时地提供给所述工件，但全部在一个时间范围内；以及
其中所述传输光纤中的一个传输光纤相对于其他传输光纤定位，使得其他传输光纤并置在所述一个传输光纤的周围，所述一个传输光纤的芯径小于所述其他传输光纤。
16.根据权利要求15所述的方法，其中激活每个不同的光纤激光束输出的序列配置为提供点焊。
17.根据权利要求15所述的方法，其中激活每个不同的光纤激光束输出的序列配置为向所述多个工件提供缝焊。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述工件和激活每个不同的光纤激光束输出的序列配置为提供能够表征为摆动焊接的缝焊。
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