CN117139771A - 用于激光焊接/钎焊的激光束亮度增强分束 - Google Patents

Abstract

激光加工头可用于接合(例如焊接、钎焊、锡焊等)工件。准直器使激光准直，所述激光传递到分束器。所述分束器在所述分束器的周边区域和内部区域上具有抗反射涂层和高反射涂层。所述分束器将所述准直光分成来自所述内部区域的中心光或内部光和来自所述周边区域的周边光。与所述分束器通信的主输出端将至少所述周边光引导成朝向所述工件的主光束。例如，缆线可邻近所述主光束馈送钎焊丝以将所述工件钎焊在一起。同时，与所述分束器通信的次级输出端将至少所述中心光引导成次级光束，所述次级光束可用于预热所述工件、后加热所述工件或从所述工件去除任何表面涂层。

Description

用于激光焊接/钎焊的激光束亮度增强分束

背景技术

某些接合工艺可用于将不同的工件接合在一起。例如，激光钎焊工艺通过用激光束熔化钎焊材料，使熔化的钎焊材料流入工件之间的接缝中，并在工件之间的接缝中形成接头，从而将不同的工件接合在一起。钎焊材料可为熔点低于工件材料的熔点的焊丝。钎焊丝位于激光束和被接合的工件之间，并在钎焊过程期间沿着工件的接缝移动以填充和形成接头。类似的接合工艺涉及使用由与工件中的至少一个相同的材料制成的填充焊丝将工件焊接在一起。

对于成功的接合(例如，钎焊或焊接)工艺，焊丝沿着接缝移动，同时工件中的至少一个上的力保持恒定。为此，可将焊丝或一些其他元件定位靠着一个或两个工件，以在焊丝被激光束熔化时施加力。

在一些实施方式中，主激光束用于创建主熔点以熔化用于钎焊、焊接等的焊丝，而第二激光束用于在主熔点前面创建一个或多个相对较小的加热点。加热点可用于预热工件和/或从工件上去除涂层。

为了创建小的加热点，激光加工头可使用与主激光源分开的独立激光源。代替使用单独的激光源，激光加工头可使用源自主激光束的第二激光束。在接合过程期间，需要相对较小的点才能有效加热，因此有两种解决方案可用。

在第一种解决方案中，用于预热或涂层去除的激光由用于聚焦主激光束的同一聚焦透镜输送。用于预热和/或涂层去除的激光通常非常靠近焊丝传递并且可能在运动期间(例如，在弯曲期间)接触焊丝，导致不稳定的预热并因此导致不稳定的接合过程。

在第二种解决方案中，主光束可分开，使得第二根光纤可将光的部分传输到第二聚焦单元，从而产生加热点。不幸的是，由于耦合到第二根光纤中的光的亮度较低，现有布置可能无法实现相对较小的点。

所需要的是一种在主钎焊/焊接点前面输送一个或多个加热点以便可使用相对较小且不干扰钎焊/焊接丝的加热点对工件进行预热的方式。

本公开的主题旨在克服上述问题中的一个或多个或至少降低上述问题中的一个或多个的影响。

发明内容

如本文所公开的，激光加工头用于将激光引导至工件。激光加工头包括准直器、分束器、主输出端和次级输出端。准直器设置在激光的光轴上，并且被配置成将激光准直成准直光。分束器设置在准直光中且具有至少两个部分。该至少两个部分包括抗反射部分和高反射部分。分束器被配置成将准直光分成来自至少两个部分中的第一者的第一光和来自至少两个部分中的第二者的第二光。主输出端设置成与分束器光通信，并且主输出端被配置成将至少第一光引导成朝向工件的主激光束。次级输出端设置成与分束器光通信，并且次级输出端被配置成将至少第二部分引导成与主激光束相邻的次级激光束。

如本文所公开的，激光加工头用于使用激光和焊丝将工件接合在一起。激光加工头包括准直器、分束器、主输出端、次级输出端和缆线。准直器设置在激光的光轴上，并且被配置成将激光准直成准直光。分束器设置在准直器和主输出端之间的光轴上。分束器在其周边区域上具有抗反射部分并且在其内部区域上具有高反射部分。周边区域围绕内部区域。抗反射部分被配置成至少部分地将准直光的周边光传递到主输出端，并且高反射部分被配置成至少部分反射准直光的内部光。主输出端设置在光轴上并且被配置成将穿过/来自分束器的任何准直光引导成朝向工件的主激光束。次级输出端设置成与分束器光通信。次级输出端被配置成将从分束器反射的任何准直光引导成与主激光束相邻的次级激光束。缆线被配置成将焊丝馈送到主激光束中。

如本文所公开的，激光加工头用于使用激光和焊丝将工件接合在一起。激光加工头包括准直器、分束器、主输出端、次级输出端和缆线。准直器设置在激光的光轴上，并且被配置成将激光准直成准直光。分束器设置在准直器和主输出端之间的光轴上。分束器在其内部区域上具有抗反射部分并且在其周边区域上具有高反射部分。周边区域围绕内部区域。抗反射部分被配置成至少部分地将准直光的周边光反射到主输出端，并且高反射部分被配置成至少部分传递准直光的内部光。主输出端设置在光轴上并且被配置成将从分束器反射的任何准直光引导成朝向工件的主激光束。次级输出端设置成与分束器的内部区域光通信。次级输出端被配置成将穿过/来自分束器的任何准直光引导成与主激光束相邻的次级激光束。缆线被配置成将焊丝馈送到主激光束中。

次级输出端可包括聚焦透镜和波导。聚焦透镜设置成与分束器光通信并且被配置成聚焦从分束器传送并入射到聚焦透镜的任何准直光。波导具有设置成与聚焦透镜光通信的输入端并且具有设置成朝向工件光通信的输出端。波导可包括光纤或一束微光纤，并且波导的输出端可包括微透镜、光学块、光束整形元件或平面尖端。

本文公开的方法用于将激光引导至工件。该方法包括：将激光沿着光轴准直成准直光；使用分束器将准直光分成第一光和第二光，所述分束器具有至少两个反射部分，包括抗反射部分和高反射部分；将第一光的至少一部分引导成朝向工件的主激光束；以及将第二光的至少一部分引导成朝向工件的次级激光束。

前述发明内容并不意图概述本公开的每个潜在实施方案或每个方面。

附图说明

图1A图示了根据本公开的激光输送系统。

图1B图示了根据本公开的激光加工头的透视图。

图2图示了用于将次级光束输送至工件的根据本公开的第一实施方案的具有次级光纤的激光加工头的示意图。

图3图示了根据本公开的第二实施方案的具有次级光纤的激光加工头的示意图。

图4图示了根据本公开的第三实施方案的具有次级光纤的激光加工头的示意图。

图5图示了具有本公开的替代布置的激光加工头的示意图。

图6图示了用于次级光纤的输出端的实施方案。

图7图示了具有布置在导线器上的次级光纤的组件。

图8A至图8E图示了根据本公开的分束器的平面图。

图9A至图9B图示了其横向取向被移动以改变激光的次级输出端的分束器的示意图。

具体实施方式

图1A图示了根据本公开的激光输送系统10。激光源12产生沿着光纤缆线14传播到激光加工头50的激光。根据所需的激光束质量，激光源12可为多模或单模激光器。单模激光器输送更高质量的激光束，但通常钎焊或焊接不需要如此高的质量。

激光加工头50可相对于工件WP移动和/或可使工件WP相对于其移动。例如，激光加工头50可通过龙门架系统、机械臂或本领域中使用的其他装置16移动。在内部，激光加工头50包括光学器件以将激光束LB中的激光能量聚焦到工件WP以实现钎焊、锡焊、焊接或一些其他接合工艺。

更详细地看，图1B示出了用于激光加工装置(未示出)的激光加工头50的透视图。并未示出激光加工头50的所有部件。通常，激光加工头50包括框架52、联接到框架52的支撑体54和联接到支撑体54的聚焦单元或臂56。在一种配置中，头50可为触觉的，使得臂56可横向移动并且可用于触觉接合，其中使用焊丝W的横向力来沿循接缝。在其他配置中，头50可为非触觉的，因此该元件56可只是聚焦单元。

激光加工头50可用于通过发射激光束LB来将工件WP1、WP2钎焊、锡焊、焊接或以其他方式接合在一起，以将工件WP1、WP2接合在一起。在本示例中，参考钎焊作为激光工艺，但是本公开的教导同样可很好地应用于其他接合工艺，诸如锡焊、焊接等。

激光缆线(未示出)连接到支撑体54以提供激光，该激光被导引通过头50以产生朝向工件WP1、WP2的激光束LB。用于激光缆线的接收器61仅示意性地示于图1B中。

送丝器20安装在框架52上并且通过焊丝输送缆线22馈送用于钎焊工艺的钎焊材料的可消耗焊丝。送丝器20在钎焊过程期间推进钎焊丝，并且送丝缆线22以平角将钎焊丝馈送至连接到头的臂56的端部58的焊丝出口24。

头50相对于待接合的示例工件WP1、WP2示出。激光钎焊头50包括框架52和联接到框架52的支撑体54以及其他特征。支撑体54可相对于框架52移动以辅助激光加工头50沿着工件WP1、WP2之间的接缝进行跟踪。然而，支撑体54也可相对于框架52是静止的。

臂56联接到支撑体54，并且支撑体54上的马达(未示出)可使臂56相对于支撑体54移动以促进臂56的端部58相对于工件WP1、WP2的适当定位。送丝器20联接到框架52并且通过焊丝输送缆线22馈送钎焊材料的可消耗焊丝。焊丝在臂56的端部58处从焊丝输送缆线22的焊丝输出端24延伸并且定位在主激光束LB的路径中。

在操作期间，激光束LB熔化焊丝，因此焊丝的材料可在工件WP1、WP2之间流动并接合所述工件。在典型操作期间，仅焊丝接触工件WP1、WP2并用于沿接缝跟踪。然而，在一些实施方式中，焊丝对于此来说太软了。因此，虽然在图1B中不可见，但可能需要来自固定元件的附加支撑，诸如跟踪指、针或另一延伸件，所述固定元件从臂56的端部58延伸以沿着接缝运行。在任何情况下，该过程可自动控制固定元件与工件WP1、WP2中的至少一个之间的力。

如图1B所示，激光钎焊头50包括位于臂56的端部58上的力传感器30。力传感器30可测量臂56的端部58上的力。测量的力可用于控制钎焊过程和臂56的端部58沿着工件WP1、WP2之间的接缝的跟踪。

为了将工件WP1、WP2钎焊在一起，次级激光束SB从头50内部的主激光束导出或分出。主激光束LB用于熔化从出口24馈送的可消耗焊丝的钎焊材料，而次级光束SB用于预热待连接的工件WP1、WP2。如所示，次级光纤40可将次级激光束SB从头50馈送至头的臂56的端部58。

除了预热工件WP1、WP2之外，次级激光束SB还可用于从工件WP1、WP2去除表面涂层的部分。待接合的工件WP1、WP2可能已经在接合点涂有防腐或其他类型的表面涂层，包括不需要的表面污染。表面涂层可能会对钎焊期间的接合过程产生不利影响，因为涂层例如在加热时可具有与工件(WP1、WP2)的材料不同的性质。这会导致在接缝处的涂层中形成气泡或夹杂物。这些影响可损害接合过程的质量。因此，次级光纤40输送指向工件WP1、WP2中的一个或两个的功率可缩放的单独激光束SB，以通过以下方式预处理工件WP1、WP2：(i)预热工件WP1、WP2和/或(ii)蒸发工件WP1、WP2上的表面涂层。当工件WP1、WP2具有使它们更难被钎焊材料等润湿的表面涂层时，这种布置可具有优势。

图2图示了激光加工头50的示意图，该激光加工头具有用于将次级光束SB朝向工件WP输送的第一布置。激光加工头50包括具有内部光学器件62的外壳60。外壳60可包括支撑体、臂和先前讨论的其他特征。在外壳60一端的接收器61可联接到激光缆线14，该激光缆线将高功率激光传导到外壳的内部中。

在操作期间，内部光学器件62准直并聚焦在外壳60中发射的高功率激光。例如，内部光学器件62可包括准直器64和聚焦透镜68。外壳60中的准直器64设置在外壳60中激光的光轴A上。准直器64被配置成将激光准直成准直光CB。

分束器70也设置在光轴A上。分束器70具有设置在分束器70的区域上的部分、涂层等。这些部分包括抗反射部分72并且包括高反射部分74。

具有这些抗反射部分72和高反射部分74的区域可包括周边区域和中心或内部区域。中心或内部区域通常设置在光轴A上或靠近光轴A(但是内部区域的位置可如本文所公开的那样进行调整)。就其本身而言，周边区域围绕内部区域。分束器70被配置成将准直光CB分成来自内部区域的中心或内部光和来自分束器70的周边区域的周边光。(对于下面的讨论，内部区域和内部光通常被描述为中心区域和中心光。然而，这并不意味着该区域位于分束器的中心或光位于光轴的中心。如下文所公开，其他布置也是可能的。)

提及抗反射通常意味着抗反射部分72倾向于不反射目标波长(subjectwavelength)或范围的激光。同样，提及高反射意味着高反射部分74倾向于反射目标波长或范围的激光。非反射率和反射率的值可取决于实施方式。通常，高反射部分74可被配置成反射50％或更多的入射光，但是可使用其他反射率值。实际上，可增加高反射部分74的表面积以反射激光，即使部分74具有较低的反射率值，这在一些应用中可能是有利的。50％的反射率将需要更大的中心或内部高反射部分74，并且进而将需要更大直径的光纤40。这种解决方案可能仅适用于预热所需光的部分较小(例如，小于10％)的情况。相反，对于大多数实施方式，对于高反射部分74，比50％高得多的反射率可能是优选的。总体而言，例如，高反射部74的反射率可在99.5％以上，而抗反射部72的反射率可在0.5％以下。

头50的主输出端55a设置成与分束器70光通信并且被配置成将至少周边光引导成朝向工件WP的主激光束LB。同时，头50的次级输出端55b设置成与分束器70光通信并且被配置成将至少中心部分引导到波导40中。

在本示例中，分束器70包括设置在分束器70的周边区域上的涂层等形式的抗反射部分72。分束器70还包括设置在分束器70的中心区域上的涂层等形式的高反射部分74。

部分72、74的涂层优选设置在分束器70的前表面上。同时，分束器70的背表面优选涂有AR涂层73。背表面的该涂层73不需要是光刻(lithographic)涂层，并且整个背表面可具有相同的AR涂层73。因为表面上的涂层72、73、74可在分束器70中诱导一些应力，所以优选在前表面和背表面二者上提供涂层72、73、74以抵消竞争应力。

高反射涂层74被配置成至少部分地将中心光反射到次级输出端55b。相比之下，抗反射涂层72被配置成至少部分地将周边光传递到主输出端55a。应当理解，穿过HR涂层74的任何光都将成为主激光束LB的一部分，但是被AR涂层72反射的光可错过透镜76并且将会丢失。因此，优选实施方案可针对AR涂层72使用低(<0.5％)反射率。

通常且如所示，主输出端55a包括设置在光轴A中的聚焦透镜68。聚焦透镜68被配置成将入射到其上的任何准直光CB聚焦成朝向工件WP的主激光束LB。此外，主输出端55a还可包括至少一个反射器66a-b，其设置在分束器70和聚焦透镜68之间的光轴A上。反射器66a-b被配置成反射入射到其上的任何准直光CB。

就其本身而言，次级光束SB的次级输出端55b包括聚焦透镜76和波导40。聚焦透镜76设置成与分束器70的中心区域上的高反射涂层74光通信，并且被配置成聚焦中心光。可为光纤的波导40具有设置成与聚焦透镜76光通信的输入端并且具有设置成朝向工件WP光通信的远端42。

如上所述，准直器64将来自激光缆线14的激光准直成准直光束CB。准直器64可具有准直激光的一个或多个透镜(未示出)。应当理解并且如这里所示，可使用用于准直器64的单个透镜来实现准直。在替代布置中，准直器64可例如使用两个或更多个透镜提供变焦准直。

聚焦透镜68将准直光束CB朝向一焦点聚焦成主激光束LB，该主激光束然后被引导朝向工件WP以实现激光工艺(诸如钎焊、焊接、锡焊等)的目的。外壳60的输出端69可包括任何适当的盖玻片、喷嘴、交叉射流、冷却等。其他布置是可能的。(对透镜、透镜元件、透镜组等的提及是可互换的，并且应当理解，任何所提及的透镜等都可包括一个或多个透镜光学器件——即，用以聚焦、分散或准直激光的透射光学器件。)

继前面涉及钎焊的示例之后，激光加工头50可为用于将工件WP的部件钎焊在一起的钎焊头。在钎焊的情况下，例如，头50可为固定光学钎焊系统的部件，其中头50被安装到诸如机器人或龙门架(16：图1)的装置，该装置被配置成使头50相对于待接合的工件WP移动。替代地，工件可相对于头50移动。

内部光学器件62还可包括位于接收器61和激光束LB从内部光学器件62射出的输出端69之间的若干其他部件，诸如其他透镜或反射镜。例如，头50可使用反射器或反射镜66a-b来导向或以其他方式操纵准直光束CB。

激光在进入准直器64之前从接收器61作为束锥或以锥形射出。激光被准直成准直光束CB，射出准直器64。准直光束CB被反射镜66a-b反射，该反射镜将准直光束CB引导到聚焦透镜68，该聚焦透镜最终将激光聚焦为从外壳的输出端69出去的主激光束LB。

如所述，设置在来自准直器64的准直光束CB中的分束器70包括围绕分束器表面的周边的抗反射(AR)涂层72并且包括朝向分束器表面中心的高反射(HR)涂层74。HR涂层74可具有卵形形状，使得以一定角度设置的卵形涂层74因此可将具有圆柱形状的次级激光束SB反射朝向用于次级光纤40的聚焦光学器件76。进而，次级光纤40将次级光束SB输送到输出端42，该输出端将次级光束SB引导至工件WP。该输出端42可包括任何适当的光学器件、盖玻片、交叉射流、冷却等。

在上述布置中，透镜76可将光聚焦到光纤40直至最大角度。任何超过该最大角度的光都不会被光纤40导向。如果朝向透镜76反射的封闭次级光束SB的直径较大，则需要增加透镜76的焦距以便不超过光的最大角度。较大的焦距导致透镜76的较大焦点，从而需要光纤40的较大芯。这适用于整个功率变化范围内的所有可能光束。为此，横向(水平)平移分束器70是调整次级光束SB的功率的优选方式。

在一种配置中，涂层72、74可为光刻结构化涂层并且可具有微米范围的精度以提供高功率分束。通常，涂层72、74可为合适衬底上的电介质涂层、金属涂层或金属-电介质涂层，其优选地对传输波长透明以减少吸收和加热。涂层72、74可通过热电子束蒸发、溅射、磁控溅射、离子束溅射、光刻、结构化和涂层的组合或其他技术来施加。

通常，光刻是指在衬底上彼此靠近地施加两种不同涂层的方式。光刻可涉及光蚀刻微影、光学光刻、阴影掩模和沉积以及其他工艺。例如，光蚀刻微影可在施加涂层的不同阶段期间使用光阻剂来掩蔽衬底的选定表面区域。原则上，光阻剂可施加到衬底的表面并且可被结构化成期望的形状以覆盖表面的一定区域。涂层部分中的一个(例如，AR或HR)可施加到衬底以粘附到暴露的表面区域。光阻剂可被显影和剥离，并且可对另一涂层部分(例如，HR或AR)重复该过程。

此外，可在整个区域上施加涂层部分(AR或HR)。光阻剂可被施加、结构化、显影，然后蚀刻掉以暴露选定区域以用于进一步的涂布步骤。在其他示例中，可在涂层材料沉积期间在衬底上使用阴影掩模以实现用于抗反射和高反射涂层的不同区域。可使用这些和其他工艺。

涂层72、74是优选的，使得可在用于分束器的单片衬底的表面上形成抗反射区域和高反射区域之间的清晰轮廓。分束器70仍可具有构造在一起以形成抗反射区域和高反射区域的部分、区段等。

在大多数情况下，激光最明亮的部分位于光轴A附近。具有HR涂层74的分束器70用于将激光的这个更明亮的部分耦合到次级光纤40中。通常，HR涂层74的表面积远小于AR涂层72的表面积，这是因为预热所需的光的部分可低于总激光的50％，并且因为仅使用光束的最强部分。由于高得多的局部亮度，透镜76的焦距可做得小，从而导致小焦点，并且次级光纤40可具有低于0.2mm的芯直径。次级光纤40的较小芯直径可产生小得多的加热点，可允许点的更好聚焦整形，并且可提供更好的光束整形以实现不同的点几何形状。作为附加优势，当使用来自准直光束CB的光轴A的中心光时，可需要显著更小的外耦合光学器件(例如，透镜76)。

分束器70以一定角度(例如，45度)放置在来自准直器64的准直光束CB中，使得圆柱形准直次级光束SB从具有HR涂层74的椭圆形或卵形中心区域朝向次级光纤40行进。耦合到次级光纤40中的光功率可通过使分束器70相对于准直主光束CB的中心轴A移动、移位、平移、旋转等来调整。分束器70的移动改变了由HR涂层74反射到透镜76和光纤40的中心光的量，这是因为准直光束CB中的强度通常随着到光轴A的距离而减小。可使用一个或多个致动器75(诸如马达、螺线管等)相对于准直光束CB调整分束器70的角度取向。改变分束器70的角度取向将倾向于将光反射离开固定透镜76。如下文参考图9A至图9B所讨论的，使用一个或多个致动器75(诸如马达、螺线管等)使分束器70偏离中心轴线A的横向平移可为优选的，使得反射的光总是穿过固定透镜76。

如所示，头50通常具有两个反射器或反射镜66a-b以在外壳60中导引准直光束CB。使用这种布置，这是因为反射器66b允许臂(56；图1B)旋转，同时保持LB聚焦在馈送线上。这种布置也部分地用于使得照相机或其他成像传感器32可基于从过程反射并通过出口69传递回到第二反射器66b的光来监测过程。图像传感器32可包括单独的透镜以将光集中在检测器表面上。作为替代布置，可使用代替这些反射器66a-b中的一个的分束器来分离准直光束CB。

例如，图3图示了激光加工头50的示意图，该激光加工头具有用于将次级光束SB朝向工件WP输送的第二布置。此处，头50中的反射器中的一个被根据本公开的分束器80代替。

分束器80包括围绕分束器80的周边的高反射(HR)涂层82并且包括朝向分束器80的中心的抗反射(AR)涂层84。(同样，涂层82、84优选设置在分束器80的前表面上。同时，分束器80的背表面优选地至少在光透过的表面的部分上具有AR涂层83。此外，如果适当，一个或多个致动器85可用于移动分束器80。)

头50包括具有反射器66b和聚焦透镜68的主输出端55a以将主激光束LB中的一部分激光引导朝向工件WP。头50还包括次级输出端55b以将次级激光束SB中的一部分激光引导朝向工件WP。此处，次级输出端55b包括聚焦透镜86和波导或光纤40。此处可使用与图2中的聚焦透镜相同的聚焦透镜86，正如可使用相同的波导或光纤40一样。

在分束器80上，AR涂层84可具有椭圆形形状或卵形形状，使得具有圆柱形的次级激光束SB朝向次级光纤40的聚焦光学器件86传递。涂层82、84可像以前那样结构化，但是涂层82、84被布置成在中心区域有AR涂层82以传递更明亮的中心光。HR涂层84布置在分束器80的周边区域中以反射主激光束LB的不太明亮的周边光。如所述，可移动分束器80以调控为预热提供的功率。移动分束器80可与移动透镜86和光纤40的入口相结合。作为替代方案，可使用耦合的第二反射镜。

图4图示了激光加工头50的示意图，该激光加工头具有用于将次级光束SB朝向工件WP输送的第三布置。这种布置类似于上文公开的布置，除了分束器80代替朝向激光加工头50的输出端69定位的反射器。(同样，涂层82、84优选设置在分束器80的前表面上。同时，分束器80的背表面优选地至少在光透过的表面的部分上具有AR涂层83。此外，如果适当，一个或多个致动器85可用于移动分束器80。)

头50包括具有反射器66a和聚焦透镜68的主输出端55a以将主激光束LB中的一部分激光引导朝向工件WP。在这种布置中，反射器66a也是次级光路的一部分。头50还包括次级输出端55b以将次级激光束SB中的一部分激光引导朝向工件WP。此处，次级输出端55b包括聚焦透镜86和波导或光纤40。

在输出端69具有分束器80的这种布置可能不是优选的，这是因为可在该位置使用成像传感器32(诸如照相机)，以对反射光成像以监测由激光束LB进行的过程。在该路径中包括分束器80可通过改变从过程返回的光到达成像传感器32的方式而使监控复杂化。此外，移动分束器80以调控预热的功率可能需要移动透镜86和光纤40的入口。

图5图示了具有替代布置的激光加工头50的示意图。在图5中，可使用类似于上文关于图2所讨论的分束器的分束器70。(同样，部分的涂层72、74优选地设置在分束器70的前表面上，并且分束器70的背表面优选地涂有AR涂层73。此外，如果适当，可使用一个或多个致动器75以移动分束器70。)此处，分束器70可定位在反射器66a-b之间的准直光束CB中。在一些情况下，反射器66a-b之间的距离优选较短，使得外壳60的整个尺寸可更紧凑，在这种情况下，另一种布置可为优选的。

在图5中，用于加热的光来自工艺的一侧，并且馈送线来自工艺的另一侧。换句话说，图5中的头50可在描绘(方向D)中向左移动，并且焊丝W的馈送可在激光束LB的该侧。因此，来自光纤40的光可提供接合过程的后加热。当然，此处的光纤40也可布置在另一侧以提供预热。然而，本文公开的任何布置都可布置用于预热、后加热或两者。

在其他替代方案中，多于一个分束器70、80可将多于一束次级光束SB分到多于一根次级光纤40，或者一个分束器70、80可将若干次级光束SB分离到若干光纤40。激光加工头50的相应改造也是本公开的主题。例如，可将分束器70/80、光学器件76/86、光纤40等的改造元件添加到现有的头50以配置头50以用于输送如本文公开的次级激光束SB。

根据待由次级光束SB产生的加热点，次级光纤40的输出端42可具有各种布置。如所述，输出端42可包括任何适当的光学器件、盖玻片、交叉射流、冷却等。通常，次级光纤40的输出端42可具有平面尖端(即，没有任何形式的光束整形元件的光纤尖端)。特别地，根据输出端42到工件的距离和所涉及的数值孔径，可使用平面尖端来产生可接受的光斑尺寸。例如，如果输出端42到工件的距离为80mm，而数值孔径仅为20毫弧度，则可形成3.2mm的光斑，而完全无需任何成像光学器件，诸如光束整形元件。替代地，光束整形元件可位于次级光纤40的输出端42处。此外，次级光纤40的次级光束SB的强度分布可在输出端42处调适以满足接头的要求。

次级光纤40的输出端42的可能实施方案在图6的放大图A、B和C中示出。在放大图A中，次级光纤40a的远端布置在用于输出端42的微透镜44a的前面。透镜44a可设置在连接到光纤40a的端部的端盖或外壳中。

在放大图B中，次级光纤40b包括在输出端42处暴露的微光纤44b。微光纤44b可分散或以其他方式引导用于加热点的激光的形状。微光纤44b也可分布在输出端42处，因此微光纤44ab与聚焦透镜(未示出)的组合可给出期望形状的预热点。在光纤40的输入端侧，微光纤44b可被捆束以形成用于透镜76的焦点的打包输入。

在放大图C中，光学块44c耦合到光纤40c的端部。光学块44c可配置成将次级光束整形为线或其他形状。如所示，例如，光学块44c可呈扇形展开，因此次级光束可形成光束线以蒸发涂层和/或加热工件。可使用其他配置。例如，可在光纤40的远端使用衍射光学元件。

如上所述，次级光束SB在被馈送到加工区域的焊丝附近的位置中邻近主激光束LB输送。图7图示了具有次级光纤40的组件，所述次级光纤布置在外壳臂56的端部58上的焊丝出口24处的导向件26上。机械紧固件或夹具90将次级光纤40附接到导向件26。如所示，导向件26连接到缆线22，其邻近主激光束LB输送焊丝W。导向件26可包括机械导向指28以接合工件，以便如本文所讨论的那样跟踪接缝并施加力。

图8A至图8E图示了根据本公开的分束器100的平面图。如上所述，本公开的分束器100可包括至少两个反射部分，包括抗反射部分和高反射部分。同样如上所述，至少两个反射部分可位于分束器100的至少两个区域(包括内部区域和周边区域)中。如进一步所述，区域的形状可具有圆形形状、椭圆形形状或卵形形状。当准直光束的中心部分可提供最高亮度时以及当设计旨在将最高亮度分到次级光束时，这种配置可最适合。分束器100的横向移动可调整将多少最高亮度(以及因此总功率)引导成次级光束。然而，如受益于本公开将理解的，其他配置是可能的。

首先，在一些实施方式中，可能不期望或不需要被引导成次级光束的准直光的部分包括中心光(即，最高亮度的光)。相反，根据实施方式由分束器100的HR部分或AR部分引导成次级光束的光可位于准直光束中的其他地方，诸如偏离分束器的中心。例如，根据光而定，来自分束器100的偏离部分的亮度可较低，但对于预热、后加热或本文公开的其他目的可能仍然足够。此外，虽然准直光束可倾向于在中心更明亮，但在准直光束中具有更平坦功率分布的激光可为可用的。

考虑到这种理解，图8A示出了具有至少两个部分102、104(例如，AR和HR部分)的分束器100，这两个部分位于与上述那些区域相当的周边区域和内部区域中。内部区域中的部分104可为HR部分，并且周边区域中的部分102可为AR部分。相反的布置也是可能的。因为分束器100相对于准直光束的光轴成角度，所以内部区域的部分104可具有卵形形状或椭圆形形状，如已经讨论的那样。然而，可根据需要配置部分102、104和区域的尺寸和形状。

在图8B中，分束器100再次具有至少两个反射部分102、106。第一“内部”部分106位于第二“周边”部分102内部，但第一部分106偏离分束器100的中心。第一部分106甚至可朝向分束器100的边缘布置，也如所绘示。第一部分106可为HR部分，并且第二部分102可为AR部分。相反的布置也是可能的。因为分束器100相对于准直光束的光轴成角度，所以内部部分106可具有卵形形状或椭圆形形状，如已经讨论的那样。然而，可根据需要配置部分和区域的尺寸和形状。

分束器100的部分可为自由整形的区域，并且具有抗反射和高反射部分的光刻区域的分束器100可对重定向光束进行整形。例如，图8C示出了具有自由整形类型的形状(诸如所示的半月形)(但可为任何其他形状)的内部部分108。也可使用环形、十字形等。在通过次级输出端的短光纤传输期间，诸如用于部分108中的一个的这种形状的特定形状可或多或少地保留在光中。这样，整形光可在激光光斑的近场外产生特定的功率分布。

图8D示出了部分中的一个(例如，内部部分110)如何可具有除圆形或椭圆形之外的形状。图8E示出了部分中的一个(例如，内部部分112)如何可包括若干离散部分，所述离散部分在给定的形状和取向上具有彼此相同或不同的反射率。部分102、104、106、108、110、112的形状可提供次级光束中的特定功率分布并且可基于分束器100的横向位置提供输送功率的梯度或离散阶梯。如具有部分102、104、106、108、110、112的这些示例显示，各种配置可用于本公开的分束器100，并且部分的形状可为对称的、不对称的、均匀的、非均匀的等。

如上所述，可改变本公开的分束器的取向以改变激光的次级输出端。例如，分束器的横向取向的变化可调整由HR涂层反射到透镜以输送到光纤的光量。

图9A至图9B图示了其横向取向被移动以改变激光的次级输出端的分束器120的示意图。耦合到次级光纤40中的光功率可通过使分束器120相对于准直主光束CB的光轴A平移来调整。该示例中的分束器120具有带有抗反射涂层122的周边部分并且具有带有高反射涂层124的内部或中心部分。

在图9A中，分束器120设定在横向位置x₀处，其中分束器120的中心与光轴A对齐。如所示，分束器120可设定成一定角度(例如，45度)，该角度可为固定的或可调整的。较大量的中心光CL被HR涂层124反射到透镜126和光纤40。在图9B中，分束器120的横向取向已被调整到另一个横向位置x₁，使得分束器的中心不与光轴A对齐。应当理解，HR涂层124仍然具有相同的尺寸，因此从HR涂层124朝向透镜126反射的次级光束的尺寸保持相同。然而，因为HR涂层124不再相对于光轴A居中，所以HR涂层124反射较少的中心光CL。因此，HR涂层124的离轴部分产生具有较低功率的反射光束的一部分。该移动可使用一个或多个致动器125，诸如马达、螺线管等。分束器120的横向取向的该变化调整由HR涂层124反射到透镜126以输送到光纤40的中心光CL的量。

以上对优选实施方案和其他实施方案的描述并不旨在限制或约束申请人所构想的发明概念的范围或适用性。受益于本公开将理解，根据所公开主题的任何实施方案或方面的上述特征可在所公开主题的任何其他实施方案或方面中单独或与任何其他描述的特征组合利用。

作为公开本文所含的发明概念的交换，申请人期望获得所附权利要求所提供的所有专利权。因此，所附权利要求旨在包括落入所附权利要求或其等同物的范围内的全部修改和改变。

Claims (25)

1.一种用于将激光引导至工件的激光加工头，所述激光加工头包括：

准直器，所述准直器设置在所述激光的光轴上，并且被配置成将所述激光准直成准直光；

分束器，所述分束器设置在所述准直光中并具有至少两个部分，所述至少两个部分包括抗反射部分和高反射部分，所述分束器被配置成将所述准直光分成来自所述至少两个部分中的第一者的第一光和来自所述至少两个部分中的第二者的第二光；

主输出端，所述主输出端设置成与所述分束器光通信，所述主输出端被配置成将至少所述第一光引导成朝向所述工件的主激光束；以及

次级输出端，所述次级输出端设置成与所述分束器光通信，所述次级输出端被配置成将至少所述第二部分引导成与所述主激光束相邻的次级激光束。

2.如权利要求1所述的激光加工头，其中所述准直器包括一个或多个透镜。

3.如权利要求1所述的激光加工头，其中所述分束器包括衬底；其中所述高反射部分包括在所述衬底上或在抗反射涂层顶部上光刻结构化的高反射涂层。

4.如权利要求1所述的激光加工头，其中所述分束器设置在相对于所述光轴的横向位置，所述横向位置相对于所述光轴可调整，所述横向位置被配置成调整由所述分束器分出的所述第一光、所述第二光或所述第一光和所述第二光的量。

5.如权利要求1所述的激光加工头，其中所述主输出端包括聚焦透镜，所述聚焦透镜设置在所述光轴上并且被配置成将从所述分束器传送并入射到所述聚焦透镜的任何所述准直光聚焦成朝向所述工件的所述主激光束。

6.如权利要求1所述的激光加工头，其中所述次级输出端包括：

至少一个聚焦透镜，所述至少一个聚焦透镜设置成与所述分束器光通信并且被配置成聚焦从所述分束器传送并入射到所述聚焦透镜的任何所述准直光；以及

至少一个波导，所述至少一个波导具有设置成与所述聚焦透镜光通信的输入端并且具有设置成朝向所述工件光通信的输出端。

7.如权利要求6所述的激光加工头，其中所述波导包括光纤或一束微光纤。

8.如权利要求6所述的激光加工头，其中所述波导的所述输出端包括微透镜、光学块、光束整形元件或平面尖端。

9.如权利要求1所述的激光加工头，

其中所述至少两个部分设置在所述分束器的至少两个区域上，所述至少两个区域包括周边区域和内部区域，所述周边区域围绕所述内部区域，所述分束器被配置成将所述准直光分成来自所述内部区域的内部光和来自所述周边区域的周边光；

其中所述主输出端被配置成将至少所述周边光作为所述第一光引导成朝向所述工件的所述主激光束；并且

其中所述次级输出端被配置成将至少所述内部光作为所述第二光引导成与所述主激光束相邻的所述次级激光束。

10.如权利要求9所述的激光加工头，其中所述分束器的所述内部区域包括椭圆形形状、卵形形状、对称形状、不对称形状、均匀形状或不均匀形状。

11.如权利要求9所述的激光加工头，其中所述分束器在其所述周边区域上包括所述抗反射部分并且在其所述内部区域上包括所述高反射部分，所述高反射部分被配置成至少部分地将所述内部光反射到所述次级输出端，所述抗反射部分被配置成至少部分地将所述周边光传递到所述主输出端。

12.如权利要求11所述的激光加工头，其中所述主输出端包括聚焦透镜，所述聚焦透镜设置在所述光轴中并被配置成将入射到其上的任何所述准直光聚焦成朝向所述工件的所述主激光束。

13.如权利要求12所述的激光加工头，其中所述主输出端包括至少一个反射器，所述至少一个反射器设置在所述分束器和所述聚焦透镜之间的所述光轴上并且被配置成反射从所述分束器传送并入射到所述聚焦透镜的任何所述准直光。

14.如权利要求11所述的激光加工头，其中所述次级输出端包括：

至少一个聚焦透镜，所述至少一个聚焦透镜设置成与所述分束器光通信并且被配置成聚焦从所述分束器传送并入射到所述聚焦透镜的任何所述准直光；以及

至少一个波导，所述至少一个波导具有设置成与所述聚焦透镜光通信的输入端并且具有设置成朝向所述工件光通信的输出端。

15.如权利要求9所述的激光加工头，其中所述分束器在其所述内部区域上包括所述抗反射部分并且在其所述周边区域上包括所述高反射部分，所述高反射部分被配置成至少部分地将所述周边光反射到所述主输出端，所述抗反射部分被配置成至少部分地将所述内部光传递到所述次级输出端。

16.如权利要求15所述的激光加工头，其中所述主输出端包括聚焦透镜，所述聚焦透镜设置在所述光轴中并且被配置成将从所述分束器传送并入射到所述聚焦透镜的任何所述准直光聚焦成朝向所述工件的所述主激光束。

17.如权利要求16所述的激光加工头，其中所述主输出端包括设置在所述分束器和所述聚焦透镜之间和/或所述准直器和所述分束器之间的所述光轴中的反射器，所述反射器被配置成至少部分地反射入射到其上的任何所述准直光。

18.如权利要求16所述的激光加工头，其中所述次级输出端包括：

聚焦透镜，所述聚焦透镜设置成与所述分束器光通信并且被配置成聚焦从所述分束器传送并入射到所述聚焦透镜的任何所述准直光；以及

波导，所述波导具有设置成与所述聚焦透镜光通信的输入端并且具有设置成朝向所述工件光通信的输出端。

19.一种用于使用激光和焊丝将工件接合在一起的激光加工头，所述激光加工头包括：

准直器，所述准直器设置在所述激光的光轴上，并且被配置成将所述激光准直成准直光；

分束器，所述分束器设置在所述准直光中并具有至少两个部分，所述至少两个部分包括抗反射部分和高反射部分，所述分束器被配置成将所述准直光分成来自所述至少两个部分中的第一者的第一光和来自所述至少两个部分中的第二者的第二光；

主输出端，所述主输出端设置成与所述分束器光通信，所述主输出端被配置成将至少所述第一光引导成朝向所述工件的主激光束；以及

次级输出端，所述次级输出端设置成与所述分束器光通信，所述次级输出端被配置成将至少所述第二部分引导成与所述主激光束相邻的次级激光束；以及

缆线，所述缆线被配置成将所述焊丝馈送到所述主激光束中。

20.如权利要求19所述的激光加工头，其中：

所述分束器在其周边区域上具有抗反射部分且在其内部区域上具有高反射部分，所述周边区域围绕所述内部区域，所述抗反射部分被配置成至少部分地将所述准直光的周边光到传递到所述主输出端，所述高反射部分被配置成至少部分地反射所述准直光的内部光；或

所述分束器在其内部区域上具有所述抗反射部分并且在其周边区域上具有所述高反射部分，所述周边区域围绕所述内部区域，所述高反射部分被配置成至少部分地将所述准直光的周边光反射到所述主输出端，所述抗反射部分被配置成至少部分地传递所述准直光的内部光。

21.一种将激光引导至工件的方法，所述方法包括：

将所述激光沿着光轴准直成准直光；

使用分束器将所述准直光分成第一光和第二光，所述分束器具有至少两个部分，包括抗反射部分和高反射部分；

将所述第一光的至少一部分引导成朝向所述工件的主激光束；以及

将所述第二光的至少一部分引导成朝向所述工件的次级激光束。

22.如权利要求21所述的方法，所述方法还包括将焊丝输送到所述主激光束；并且其中将所述第一光的至少所述部分引导成朝向所述工件的所述主激光束包括用所述主激光束熔化所述焊丝。

23.如权利要求21所述的方法，其中使用所述分束器将所述准直光分成所述第一光和所述第二光包括：

反射来自所述分束器的内部区域中的所述高反射部分的所述第二光，并使所述第一光传递通过所述分束器的周边区域中的所述抗反射部分；或

反射来自所述分束器的周边区域中的所述高反射部分的所述第一光，并使所述第二光传递通过所述分束器的内部区域中的所述抗反射部分。

24.如权利要求21所述的方法，其中将所述第二光的至少所述部分引导成朝向所述工件的所述次级激光束包括：

在制作接头之前使用所述次级激光束预热所述工件；或

在制作接头之后使用所述次级激光束加热所述工件。

25.如权利要求21所述的方法，所述方法还包括通过垂直于所述光轴平移所述分束器来调整引导成所述次级光束的所述第二光的量。