CN116323075A - 激光焊接处理中的束整形系统 - Google Patents

Abstract

一种用于变换具有平顶强度分布轮廓的MM束的束整形器，包括端块，该端块被熔合到沿着激光头内的路径输出MM束的光纤的下游端。束整形器还具有安装到端块的下游的激光头的准直器。然后，经准直的MM束被聚焦到工作区域上，其中，束腰部以高斯强度分布为特征。通过定位准直器，使得MM平顶束的高斯区域位于端块内并且位于准直器的焦平面中，可以在束腰部附近提供高斯区域。可选地，高斯区域可以通过使用衍射光学元件提供于腰部内，衍射光学元件将平顶分布轮廓变换成圆环形轮廓。

Description

激光焊接处理中的束整形系统

技术领域

本公开内容涉及激光的材料处理应用。具体地，本公开内容涉及包含于工业激光器中的束整形系统

背景技术

束整形是对束光学辐射的辐照度和相位进行重新分布的过程。束形状是决定束轮廓的传播性质的主要因素。束整形的应用尤其包括金属加工应用，以前使用常规的高通量热源(诸如反应气体射流、放电和等离子弧)来完成所述金属加工应用。在激光焊接中，两个相邻或堆叠的金属片通过在焊缝处熔化零件而被熔合在一起。

存在与包含于聚焦斑尺寸内的峰值功率密度水平相对应的三种基本的焊接模式：传导模式、过渡穿孔模式、以及熔透或穿孔模式。每种模式都有其优点和缺点。例如，在穿孔模式中，非常期望穿孔沿焊接区域具有恒定的宽度和深度。然而，在现实中，由于普通技术人员所熟知的所谓的穿孔坍缩现象，几乎不可能产生均匀的穿孔。穿孔过程的另一个有害特性是孔隙和裂纹的形成。总体而言，穿孔过程是不稳定的。传导模式以其稳定性著称，因为蒸发最小。然而，由于功率水平相对较低，焊接熔深比穿孔过程的焊接熔深小得多。为了获得期望的结果，必须形成非常大的热影响区域，所述热影响区域导致高热输入并因此导致工件的变形。在每种模式下，熔池特性依赖于激光参数，其中包括能量、注量和斑尺寸。

如普通技术人员公知的，由整形束的辐照度分布来限定束形状。单模(SM)束的辐照度(也称为强度或功率密度)在数学上由高斯函数描述，并且因此具有钟形形状。许多应用只能受益于高斯束，但是众所周知，单个SM激光的功率对于加工/焊接某些材料而言可能不够低。

为了克服这个问题，将来自相应的激光的多个SM输出组合成具有多于单个模式的单个束，并因此被进一步称为多模(MM)束。典型地，具有介于2和10甚至20之间的M²因子(模式数量的指示器)的MM输出束可以被称为低模(LM)束。然而，由于MM和LM束都具有一个以上的模式，所以在本公开内容的情境下，平顶激光束具有范围在2与20之间的M²因子，并且仍然被称为MM束。

由于沿着包括MM传输光纤的光路的跳动的模式，所以在光纤的下游端的MM束的最终强度轮廓具有平顶形状。MM束的平顶强度轮廓对于许多材料激光处理操作是有利的，因为在焦平面中在整个束上的强度基本上均匀分布。

沿着包括各种光学元件(诸如聚焦透镜)的路径进一步传播，MM束具有多个束区域，包括形成在聚焦透镜的焦平面中的束腰部。腰部是最窄的束区域，并且因此具有沿束的最高功率密度。虽然束腰部以相同的平顶强度分布为特征，但是位于束腰部之前的束区域具有可能不同于平顶形状的各个强度轮廓。这些前腰束区域中的一个前腰束区域与腰部间隔开较大距离，以准高斯强度轮廓为特征。束获得准高斯强度的束区域被进一步称为(上)高斯区域。传播束相对于其腰部是对称的。因此，第二高斯区域在腰部下游以与上部区域与腰部之间的距离相同的距离被间隔开。

基于激光的材料处理领域的普通技术人员很清楚，高斯束与高质量焊接相关联。由于其钟形强度分布轮廓，强度被不均匀地分布在整个束斑上，其中，在中心顶点区域中的最高强度向基周逐渐减小。这种轮廓在整个待激光处理的表面上产生平滑的温度梯度，因为它允许首先由前翼逐渐加热经辐照的区域，然后由强度峰值处理，并且最后由后翼逐渐冷却。这种热力学对相当多的材料处理方法是有吸引力的。无论形状如何，激光束都通过任何工业激光系统的最下游部件——激光头被传递到焊接区域。

图1示出典型地安装到机械臂上的示例性激光头25。激光头25包括束引导机构，在传输光纤22将MM平顶激光束10输出到激光头之后，束引导机构引导所述MM平顶激光束。光学机构包括端块15，该端块15被熔合到传输光纤22的下游端，所述传输光纤接收来自组合器的组合束10，所述组合器组合来自各个SM激光源的输出。如激光领域的普通技术人员所知，端块15通常由石英制成，并且被配置成防止光纤端部22燃烧，否则在范围介于数百瓦与数兆瓦之间的工业激光功率水平下燃烧是不可避免的。束10在入射到准直透镜或准直器1上之前，在传播通过并超过端块15时发散。准直器1是将从下游光纤端22发散的束10改变成平行射线的光学元件。因此，下游光纤端22被置在焦点上，即，与准直器1间隔开等于准直器焦距F1的距离。

具有焦距F2的聚焦透镜6将准直束10聚焦在表面12上，从而形成具有平顶强度轮廓的束腰部。聚焦束的高斯区域14与束的腰部间隔开。

与束发散相关的一个重要因素是景深(DOF)，所述景深与所谓的过程窗口密切相关。在材料处理的情境下，DOF是经激光处理的工件可以离开束腰部中心同时仍然保持聚焦束尺寸的距离。更具体地，它可以被定义为光学领域普通技术人员熟知的瑞利范围。在上文公开的机构中，最大瑞利范围位于束腰部中。高斯区域14中的瑞利范围比腰部中的瑞利范围小得多。由于下文解释的原因，小DOF在基于激光的材料处理应用中是不方便的。

为了在高斯区域14中操作，束10应该被散焦。这可以通过使聚焦透镜6和表面12相对于彼此移动来实现。然而，散焦的结果可能是不可接受的，因为每个区域14可能具有不足的能量，因为由该区域在表面上形成的斑很大。例如，如果光斑被散焦束10以大于10％来改变，则功率密度从根本上减小，因为密度和斑尺寸彼此二次相关。即使功率密度足够，高斯区域14中的DOF也很小。这意味着零件公差(待焊接的工件通常不是理想地均匀的)和/或机器人运动引起的误差都会严重影响焊接质量。因此，在通过使用束10的高斯区域14进行焊接期间，机器人的操作极难控制，这导致复杂的软件，从而转化为高制造成本。

将激光焊接设备配置为具有束整形系统将是非常有利的，所述束整形系统可以变换束10，使得其高斯区域14位于束腰部内。后者导致增大的自由度，从而最大限度地减少机器人运动错误的有害影响，增加能量。增大的自由度也有助于最大限度地减少对昂贵但并不总是均匀的工件的损坏。

因此，期望在基于激光的工业机器人焊接设备中提供一种束整形系统，所述束整形系统被配置成在待激光处理的工件表面上形成以高斯强度分布为特征的平顶MM束的腰部。

还存在对结合经改进的束整形系统的基于激光的材料处理的另一需求。

发明内容

所公开的设备被配置成考虑上述考虑因素中的至少一些。它通常包括激光源，优选光纤激光源或YAG源，其可以包括多个SM连续波(CW)、准CW或脉冲激光器，从而输出具有M²因子(其范围在2和20之间)且功率高达20kW的MM激光束，但是更高的功率是非常可能的。MM平顶激光束沿传输光纤被引导，所述传输光纤被熔接到安装到激光头的石英块，并被配置成防止光纤的端部燃烧。平顶激光束在石英块中扩展，通过引导光学器件沿一路径引导通过激光头，所述引导光学器件尤其可以包括准直器和聚焦透镜。优选地，但不是必须地，包括一对可移动式反射镜的扫描仪也被安装在激光头中，如在通过引用全部并入本文中的US20160368089和US20180369964中详细公开的那样。

激光头设置有本发明的束整形系统，所述束整形系统被配置成将具有平顶强度分布的激光束变换成高斯强度分布轮廓。与图1中示出的其中高斯区域远离束腰部的已知现有技术相反，本发明的机构提供将高斯区域放置在束腰部的附近或正好在束腰部内。

根据所公开的机构的一个方面，这是通过向束整形系统提供额外的衍射元件(诸如轴棱镜、均质器等)来实现的。轴棱镜透镜与会聚透镜不同，它被设计成将光源聚焦至光轴上的单个点，利用干涉以沿光轴产生聚焦线。在称为DOF的束重叠区域内，轴棱镜复制了贝塞尔束的性质，贝塞尔束是由功率彼此相等的环组成的束。

不出所料，贝塞尔束可以用贝塞尔函数在数学上描述，所述贝塞尔函数具有包括焦平面中的一组同心环的横切面强度轮廓。例如，对于零阶束，贝塞尔束强度轮廓具有以相对低的能量为特征的圆环形横切面；对于一阶，横切面在正中心具有光斑。

使用这样的衍射元件允许在不移位聚焦透镜的情况下重新创建具有非常接近束腰部的高斯强度的MM束的区域。换句话说，该机构形成了几乎邻近腰部甚至位于腰部内的高斯区域。与图1的现有技术机构相比，重新创建靠近腰部且实际上在腰部内的高斯区域增加了DOF并增大了能量。

在上文公开的机构中，传输光纤和准直器的下游端以准直器的焦距彼此间隔开。但是对于额外的衍射光学元件，高斯区域位于离腰部更远的地方，如参考图1的现有技术所论述的。

本发明的又一方面不涉及额外的衍射元件。与上文公开的光学机构相反，准直器以焦距不是与MM传输光纤的下游端，而是与顶帽束的高斯区域相距一焦距。因此，束腰部现在包括在目标表面上具有高斯分布轮廓而不是平顶强度轮廓的光斑。

这两个方面都适用于阶跃折射率MM光纤。然而，第二方面的本发明的机构与梯度纤维相关。后者不使用全内反射来引导光。相反，他们使用折射。光纤的折射率从其中心逐渐降低，最终下降到与芯部的边缘处的包层相同的值，其中，折射率渐变。可以在光纤端部、准直器和聚焦透镜之间建立相对位置，其中，形成在待处理表面上的束腰部的特征在于与增加的能量相关联的近似高斯强度分布轮廓。

附图说明

参考附图，将明白上述和其它特征，附图不是按比例绘制的。这些图提供了对各个方面和特征的说明和进一步理解，并构成本说明书的一部分，但不代表对任何特定机构或方面的限制。在附图中，出现在各图中的每个相同或几乎相同的部件由相似的数字表示。为清楚起见，并非每个部件都可能在每个图中标注。在这些图中：

图1示出已知的典型激光头的光学机构，所述激光头被配置成将平顶MM束引导到目标。

图2示出根据本发明的构思的本发明的激光头，所述激光头被配置成用MM束的高斯区域之一来加工待激光处理的工件。

图3示出图2的本发明的激光头的光学机构。

图4示出图3的光学机构的聚焦透镜下游的束和束的截面强度分布轮廓。

图5示出由图3的光学机构形成的束和束的各个平面的焊透深度。

图6示出根据本发明的构思而配置的经修改的束整形光学机构。

具体实施方式

本发明的构思在基于材料激光的处理操作中提供了更大的处理窗口，所述基于材料激光的处理操作通常需要使用高功率和高质量的MM束。通过本发明的光学机构来实现该构思，所述光学机构在整形束的腰部附近将非高斯强度轮廓变换为高斯强度轮廓。

图2示出根据本发明的构思配置并提供有本发明的光学机构的示例性激光头50。激光头50是工业激光系统的关键零件，其位于待激光处理的(多个)工件的上游。本发明的激光头尤其包括光学部件并且有时还包括电子部件、束整形光学机构元件，所述束整形光学机构元件包括准直透镜，所述准直透镜通常在激光束传输光纤22的下游端聚焦，并因此以一焦距与其间隔开。最简单地说，准直确保入射到准直器1的输入上的光线从其输出向下游彼此平行地传播。激光头50可以可选地具有两个旋转反射镜3和5、以及固定反射镜4。最终，准直束入射到聚焦透镜6上，所述聚焦透镜将束聚焦到待激光处理的工件的表面上。到目前为止，所示出的机构与图1的机构相同，图1示出用平顶形MM束进行激光处理的工件。所公开的束整形机构的目标是：1、用具有高斯轮廓的束辐照工件；以及2、使束的期望的高斯区域实际上放置在腰部附近，即，紧邻腰部区域或在腰部区域中。换句话说，所示出的机构包括光学元件的组合，这些光学元件被布置成将平顶或其它形状的MM束变换成高斯束，其中，能量和DOF与已知的现有技术相比都增加。

现在参考图2和图3，通过引入衍射光学元件2来实现本发明的构思，所述衍射光学元件被安装在准直器1与聚焦透镜6之间的任何地方，或者被安装在聚焦透镜6下游的非常短的距离处，这依赖于该透镜的焦距。例如，对于200mm的焦距，该距离不超过10mm。衍射元件2与聚焦透镜6的组合产生光具有高斯强度分布的区域20。换句话说，透镜-衍射元件双合件产生贝塞尔-高斯束。在所示出的机构中，衍射元件2提供高斯束区域20，所述高斯束区域实际上与束腰部相邻或在束腰部内，距聚焦透镜6的距离为F₂₁，该距离仅略短于图1中透镜6的焦距F₂。事实上，高斯区域14如此接近腰部，以至于这里高斯区域被认为位于包括经照射的表面12的腰部内。

衍射元件2尤其可以包括均质器、全息图器和轴棱镜。在所示出的结构中，元件2是光学领域普通技术人员公知的轴棱镜透镜。在本公开内容的情境下，轴棱镜2将束10的平顶强度轮廓变换成可以由贝塞尔函数数学地描述的束形状，并且在变换后的束的腰部内具有圆环形强度轮廓。具有高斯分布的经变换的MM贝塞尔束10的区域不是对称的，并且只有上部区域14具有期望的能量，这将在下文中论述。轴棱镜的工作原理对于任何合适的衍射光学部件都是通用的。

图4示出具有通过图2和图3的机构获得的沿衍射元件2与包括表面12的束腰部下游的平面之间的光路的各个强度轮廓的贝塞尔束的区域的平面图。如所示出的，最大顶部和底部束区域或平面1和9分别相隔40mm，并且相对于在平面4与5之间延伸的腰部被对称地定位。平面1、2和6-9都示出贝塞尔束的不同于高斯轮廓的不同轮廓。相反，各个平面3并且特别是4中的轮廓非常接近于高斯分布。平面4是最吸引人的部分，因为它实际上位于腰部内，这表明那里的能量接近最大值。至于平面5，虽然所示出的轮廓与高斯轮廓略有不同，但它仍然适用于预期目的。

图5示出DOF等于5mm，DOF是限定了其间的腰部的各个相邻平面4与5之间的差。有趣的是，机构相同但没有轴棱镜(诸如图1中示出的轴棱镜)，在高斯区域中仅提供1mm的DOF。当然，DOF依赖于激光头50的所有光学部件的各个参数，包括在本实验中为150mm的聚焦透镜6和等于100mm的准直器焦距、以及激光输出功率。最小斑尺寸(即，密度最高的斑尺寸)位于平面5内并且等于350μm。平面4具有近似等于平面5的斑尺寸的斑尺寸。相反，平面8以2500mm的斑尺寸为特征，并且是所示出的平面中最大的一个平面。

图6示出束整形器的另一种光学机构。虽然后者与图1的现有技术机构共享相同的光学元件，尤其包括端块15、准直透镜和聚焦透镜1和6，但它不具有对图2和图3的机构至关重要的衍射元件2。相反，它通过将准直器1从光纤端22向下游移位来利用具有高斯强度分布的区域的MM平顶束10。准直器被移位，使得端块15内的高斯区域与准直器间隔开与准直器1的焦距相对应的距离，而不是光纤端22。结果，在原始焦距F2处与透镜6间隔开的表面12上的束10的腰部以高斯强度分布区域为特征。

在所有先前公开的机构中使用的传输光纤22具有阶跃折射率光纤。然而，图4中示出的机构可以与梯度折射率光纤结合使用，根据定义，所述梯度折射率光纤不是SM光纤。使用梯度折射率光纤的图6的机构的操作与使用阶跃折射率光纤相同。

根据本发明的本文中公开的机构在它们的应用方面不限于在以下描述中阐述或在随附附图中图示的部件的构造和布置的细节。这些方面能够假设其它实施例，并且能够以各种方式实践或实施。本文提供的具体实现方式的示例仅用于说明性目的，而不旨在限制。具体地，结合任何一个或更多个实施例论述的动作、部件、元件和特征不旨在被排除在任何其它实施例中的类似角色之外。

此外，本文中使用的措辞和术语是出于描述的目的，并且不应该被认为是限制性的。对本文中以单数形式提及的系统和方法的示例、实施例、部件、元件或动作的任何引用也可以包括包含复数的实施例，并且对本文中的任何实施例、部件、元件或动作的任何复数引用也可以涉及仅包含单数个的实施例。单数或复数形式的参考并非旨在限制本公开内容的系统或方法、其部件、动作或元件。本文中“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“涉及”及其变体的使用意味着涵盖其后列出的术语及其等同物以及额外的术语。对“或”的引用可以被解释为包括在内，使得使用“或”描述的任何术语可以指示单个、多于一个、和所有描述的术语中的任何术语。

因此，已经描述了本发明的构思的几个机构，应理解，本领域技术人员将容易地想到各种改变、修改和改进。例如，本文公开的示例也可以用于其它情况。这种改变、修改和改进旨在成为本公开内容的一部分，并且旨在处于本文中论述的示例的范围内。因此，前文的描述和附图仅作为示例。

Claims (15)

1.一种用于变换具有非高斯强度分布轮廓的MM束的束整形器，包括：

端块，所述端块被熔合到光纤的下游端，所述光纤沿着一路径引导所述MM束；

准直器，所述准直器接收并准直所述端块的下游的所述MM束；以及

聚焦透镜，所述聚焦透镜位于固定位置并且在待激光处理的工件上的所述聚焦透镜的焦平面中形成束腰部，其中，所述束腰部具有高斯强度轮廓。

2.根据权利要求1所述的束整形器，其中，所述准直器与位于所述光纤的下游端和所述端块之间的界面间隔开等于所述准直器的焦距的距离，所述MM束具有平顶强度分布轮廓。

3.根据权利要求2所述的束整形器，还包括衍射光学元件，所述衍射光学元件在所述端块的下游与所述端块间隔开，并且被配置成将所述MM平顶束变换为贝塞尔束，其中，所述贝塞尔束的所述束腰部位于所述工件上的所述聚焦透镜的焦平面中并且具有高斯强度分布轮廓。

4.根据权利要求3所述的束整形器，其中，所述衍射光学元件位于所述准直器和聚焦透镜之间。

5.根据权利要求3所述的束整形器，其中，所述衍射元件位于所述准直透镜的下游。

6.根据权利要求3所述的束整形器，其中，所述衍射光学元件在轴棱镜、全息图器或均质器中。

7.根据权利要求3所述的束整形器，其中，所述端块、准直器、衍射光学元件和聚焦透镜安装到高功率光纤激光焊接系统的激光头的壳体。

8.根据权利要求1所述的束整形器，其中，所述准直器在所述端块的下游与所述端块间隔开，使得所述准直器的焦平面位于所述端块内并与具有高斯密度分布的所述MM束的高斯束区域重合，其中，高斯区域被聚焦在待激光处理的工件上的所述聚焦透镜的焦平面中。

9.根据权利要求1所述的束整形器，其中，熔合到所述光纤的下游端的所述端块、准直器和聚焦透镜安装到高功率光纤激光焊接系统的激光头的壳体。

10.根据权利要求9所述的束整形器，其中，所述光纤是阶跃折射率光纤或梯度折射率光纤。

11.根据权利要求1所述的束整形系统，还包括位于所述聚焦透镜上游并与所述准直器和聚焦透镜一起安装到激光头上的多个可移动式反射镜。

12.根据权利要求11所述的激光焊接设备，还包括支撑所述激光头的机械臂，所述光纤传输来自在CW、QCW或脉冲状态下操作的光纤激光器或YAG激光源的所述MM束。

13.一种变换具有非高斯强度分布轮廓的MM束的方法，包括：

在MM传输光纤中引导所述MM束；

将所述MM束耦合到激光头的端块中，所述激光块结合到所述传输光纤的下游端；

通过准直器准直所述激光头内的所述MM束；以及

通过所述激光头内的准直透镜将经准直的MM束聚焦到待激光处理的工件的表面上，从而在待激光处理的工件上形成所述MM束的腰部，其中，在不将所述聚焦透镜移位的情况下，在所述MM束的所述腰部附近形成以高斯强度分布为特征的所述MM束的区域。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，在所述MM束的所述腰部中形成具有高斯强度的束区域包括：

将所述准直器聚焦到所述传输光纤的下游端上；

将所述MM准直束变换成贝塞尔束；以及

聚焦所述贝塞尔束，使得所述MM束的高斯区域位于所述腰部内。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，在所述腰部中形成具有高斯强度的束区域包括：将所述准直器聚焦到所述端块内的所述MM束的高斯区域上。

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