ES2887211T3

ES2887211T3 - Sistema de soldadura láser con un cabezal de soldadura láser dotado de espejos móviles duales que proporcionan movimiento de haz con campo de visión limitado

Info

Publication number: ES2887211T3
Application number: ES16812628T
Authority: ES
Inventors: Yuri Grapov; Kris Pruyn; Felix Stukalin; Erik Hinrichsen
Original assignee: IPG Photonics Corp
Current assignee: IPG Photonics Corp
Priority date: 2015-06-19
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2021-12-22
Anticipated expiration: 2036-06-20
Also published as: WO2016205805A1; CA2989860A1; US11964341B2; US10751835B2; CA3208157A1; JP7113621B2; US20240261897A1; RU2017144104A; RU2711996C2; CN107708914B; CN107708914A; CA2989860C; EP3310518A1; EP3310518A4; US20200376594A1; EP3310518B1; EP3932608A1; JP2018520007A; PL3310518T3; CN113210854A

Abstract

Un sistema de soldadura láser (100) que comprende: un láser de fibra (112) que incluye una fibra de salida; un cabezal de soldadura láser (110) que comprende: un colimador (122) acoplado a la fibra de salida del láser de fibra (112); al menos un primer y segundo espejo móvil (132, 134) configurados de modo que reciban un haz láser colimado (116) desde el colimador (122); y una lente de enfoque (142) configurada de modo que enfoque el haz láser con relación a una pieza de trabajo mientras se mueve el haz; un sistema de control (160) para controlar al menos el láser de fibra y las posiciones de los espejos, comprendiendo el sistema de control (160) un controlador; caracterizado por que el sistema de control (160) incluye un software de control para permitir que el o los primeros y segundos espejos móviles (132, 134) muevan el haz (118) en un primer y segundo eje dentro únicamente de un campo de visión limitado definido por un ángulo de exploración de aproximadamente 1-2º.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de soldadura láser con un cabezal de soldadura láser dotado de espejos móviles duales que proporcionan movimiento de haz con campo de visión limitado

La presente invención hace referencia a la soldadura láser, y más en particular, a un sistema de soldadura láser dotado de un cabezal de soldadura láser con espejos móviles duales que proporcionan movimiento de haz.

INFORMACIÓN DE LOS ANTECEDENTES

Los láseres, tales como los láseres de fibra, se utilizan con frecuencia para aplicaciones de procesamiento de materiales tales como la soldadura. Un cabezal de soldadura láser convencional incluye un colimador, para colimar la luz láser, y una lente de enfoque para enfocar la luz láser hacia un área objetivo a soldar. El haz se puede mover con diversos patrones para facilitar la soldadura de dos estructuras a lo largo de una costura, por ejemplo, utilizando una técnica de soladura por agitación. Una manera de mover el haz para soldadura por agitación es rotar el haz utilizando ópticas con prisma rotativo para formar un patrón rotativo o en espiral. Otra manera de mover un haz para soldadura es pivotar o mover la totalidad del cabezal de soldadura en una etapa X-Y para formar un patrón en zigzag. Estos métodos convencionales de mover el haz para realizar patrones de soldadura no permiten movimientos rápidos y precisos del haz.

El documento US20110297654A1 (base para el preámbulo de la reivindicación 1) describe un aparato de soldadura láser con un robot multieje dotado de un brazo y un escáner sujeto a un extremo de la punta del brazo del robot multieje. El escáner incluye un sistema óptico que emite un haz láser sobre una pieza de trabajo. El escáner incluye un sistema de coordenadas preestablecido con un origen del sistema de coordenadas coincidente con un punto de intersección entre un eje óptico del haz láser y un elemento fijo del sistema óptico. Asimismo, en los documentos US2008/049285A1, JP 2011 173146 A y WO2014/138939 A1 se describen sistemas de procesamiento con láser.

COMPENDIO

La invención hace referencia a un sistema de soldadura láser tal como se define mediante la reivindicación 1, en el que el cabezal de soldadura láser incluye un colimador configurado de modo que se acople a una fibra de salida de un láser de fibra, y al menos un primer y segundo espejo móvil configurados de modo que reciban un haz láser colimado desde el colimador y muevan el haz en un primer y segundo eje dentro únicamente de un campo de visión limitado definido por un ángulo de exploración de aproximadamente 1-2°. El cabezal de soldadura láser también incluye una lente de enfoque configurada para enfocar el haz láser con relación a una pieza de trabajo mientras se mueve el haz.

Coherente con otra realización, un sistema de soldadura láser incluye un colimador configurado de modo que se acople a una fibra de salida de un láser de fibra, al menos un primer y segundo espejo móvil configurados de modo que reciban un haz láser colimado desde el colimador y muevan el haz en un primer y segundo eje, y al menos un primer y segundo sensor térmico próximos al primer y segundo espejo móvil, respectivamente, y configurados de modo que detecten una condición térmica. El sistema de soldadura láser también incluye una lente de enfoque configurada de modo que enfoque el haz láser.

Coherente con una realización adicional, un sistema de soldadura láser incluye un módulo de colimador que incluye un colimador configurado de modo que se acople a una fibra de salida de un láser de fibra, y un módulo de oscilación acoplado al módulo de colimador. El módulo de oscilación incluye al menos un primer y segundo espejo móvil configurados de modo que reciban un haz láser colimado desde el colimador y muevan el haz en un primer y segundo eje. El sistema de soldadura láser también incluye un módulo de bloque central acoplado al módulo de oscilación. El módulo de bloque central incluye al menos una lente de enfoque configurada de modo que enfoque el haz láser.

Coherente con otra realización más, un sistema de soldadura láser incluye un láser de fibra que incluye una fibra de salida y un cabezal de soldadura acoplado a la fibra de salida del láser de fibra. El cabezal de soldadura incluye un colimador configurado de modo que se acople con una fibra de salida de un láser de fibra, al menos un primer y segundo espejo móvil configurados de modo que reciban un haz láser colimado desde el colimador y muevan el haz en un primer y segundo eje, y una lente de enfoque configurada de modo que enfoque el haz láser. El sistema de soldadura láser también incluye un sistema de control para controlar al menos el láser de fibra y las posiciones de los espejos.

Coherente con otra realización más, un sistema de soldadura láser incluye un colimador configurado de modo que se acople con una fibra de salida de un láser de fibra, al menos un primer y segundo espejo móvil configurados de modo que reciban un haz láser colimado desde el colimador y muevan el haz en un primer y segundo eje, y una lente de enfoque configurada de modo que enfoque el haz láser. El sistema de soldadura láser también incluye al menos uno de un accesorio de asistencia de gas y un accesorio de cuchilla de aire próximos a la lente de enfoque para ayudar a la soldadura.

Coherente con otra realización más, un sistema de soldadura láser incluye un colimador configurado de modo que se acople con una fibra de salida de un láser de fibra, al menos un elemento óptico difractivo configurado de modo que reciba un haz láser colimado desde el colimador y conforme el haz láser colimado, y al menos un primer y segundo espejo móvil configurados de modo que reciban un haz láser conformado desde el elemento óptico difractivo y muevan el haz conformado en un primer y segundo eje. El sistema de soldadura láser también incluye una lente de enfoque configurada de modo que enfoque el haz láser con relación a una pieza de trabajo mientras se mueve el haz.

DESCRIPCIÓN BREVE DE LOS DIBUJOS

Estas y otras características y ventajas se comprenderán mejor mediante la lectura de la siguiente descripción detallada, considerada junto con los dibujos, donde:

La figura 1 es un diagrama de bloques esquemático de un sistema que incluye un cabezal de soldadura láser con espejos móviles duales, coherente con una realización de la presente divulgación.

La figura 1A es un diagrama esquemático de un haz láser enfocado con un rango relativamente pequeño de movimiento proporcionado por espejos duales con el fin de encontrar y/o hacer oscilar la costura, coherente con una realización de la presente divulgación.

Las figuras 2A-2D son diagramas esquemáticos que ilustran distintos patrones de oscilación que se pueden producir mediante un cabezal de soldadura que incluye espejos duales para el movimiento del haz, coherente con una realización de la presente divulgación.

La figura 3A es una micrografía de una pieza de trabajo soldada con un cordón de soldadura formado mediante un láser utilizando soldadura por agitación con un patrón de oscilación con la figura de un 8, coherente con una realización de la presente divulgación.

La figura 3B es una micrografía de una sección transversal de la pieza de trabajo soldada y del cordon de soldadura mostrados en la figura 3A.

La figura 3C es una micrografía de una pieza de trabajo soldada con un cordón de soldadura formado mediante un láser sin un patrón de oscilación.

La figura 3D es una micrografía de una sección transversal de la pieza de trabajo soldada y del cordón de soldadura mostrados en la figura 3C.

La figura 4 es una vista de un despiece de un cabezal de soldadura láser con espejos móviles duales para el movimiento del haz, coherente con una realización de la presente divulgación.

Las figuras 5 y 6 son vistas en perspectiva de un módulo de colimador utilizado en el cabezal de soldadura láser mostrado en la figura 4.

La figura 7 es una vista en perspectiva de un módulo de oscilación utilizado en el cabezal de soldadura láser mostrado en la figura 4.

La figura 8 es una vista de un despiece del módulo de oscilación utilizado en el cabezal de soldadura láser mostrado en la figura 4.

La figura 9 es una vista lateral de una sección transversal parcial del módulo de oscilación utilizado en el cabezal de soldadura láser mostrado en la figura 4.

La figura 10 es una vista en perspectiva del interior del módulo de oscilación con una abertura limitante refrigerada por agua y sensores térmicos.

La figura 11 es una vista de un despiece de un módulo de bloque central que incluye un foco y un alojamiento de ventana utilizado en el cabezal de soldadura láser mostrado en la figura 4.

La figura 12 es una vista de un despiece del foco y el alojamiento de ventana con una ventana protectora utilizados en el cabezal de soldadura láser mostrado en la figura 4.

Las figuras 13 y 14 son vistas en perspectiva del cabezal de soldadura láser mostrado en la figura 4 con el módulo de colimador, el módulo de oscilación y el módulo de bloque central ensamblados entre sí y emitiendo un haz enfocado. La figura 15 es un diagrama esquemático de la trayectoria del haz dentro del cabezal de soldadura láser mostrado en las figuras 13 y 14.

La figura 16 es un diagrama de bloques esquemático de un cabezal de soldadura láser con espejos móviles duales y ópticas difractivas, coherente con una realización de la presente divulgación.

Las figuras 17A y 17B ilustran una zona de haz circular y una zona de haz rectangular producidos por las ópticas difractivas, respectivamente.

La figura 17C ilustra una zona de haz con forma de donut producida mediante ópticas de conformado del haz.

Las figuras 18A-18C ilustran zonas de haz rectangular de distintos tamaños producidas mediante distintas ópticas difractivas.

La figura 19 ilustra un patrón de zonas de haz producido mediante un láser de fibra multihaz acoplado a un cabezal de soldadura láser, coherente con las realizaciones de la presente divulgación.

La figura 20 ilustra un patrón de zonas de haz conformadas producido mediante un láser de fibra multihaz acoplado a un cabezal de soldadura láser que incluye ópticas difractivas, coherente con las realizaciones de la presente divulgación.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

Un cabezal de soldadura láser con espejos móviles se utiliza para realizar operaciones de soldadura, por ejemplo, con patrones de oscilación. Los espejos móviles proporcionan un movimiento de oscilación de uno o más haces dentro de un campo de visión relativamente pequeño definido por un ángulo de exploración de 1 -2°. Los espejos móviles pueden ser espejos galvanométricos que se pueden controlar mediante un sistema de control que incluye un controlador galvo. El cabezal de soldadura láser también puede incluir un elemento óptico difractivo para conformar el haz o los haces que se mueven. De acuerdo con la presente invención, el sistema de control se utiliza para controlar el láser de fibra, por ejemplo, en respuesta a la posición de los haces con relación a la pieza de trabajo y/o a una condición detectada en el cabezal de soldadura, tal como una condición térmica próxima a uno de los espejos.

Haciendo referencia a la figura 1, un sistema de soldadura láser 100 incluye un cabezal de soldadura láser 110 acoplado a una fibra de salida 111 de un láser de fibra 112 (p. ej., con un conector 111a). El cabezal de soldadura láser 110 se utiliza para realizar la soldadura en una pieza de trabajo 102, mediante la soldadura de una costura 104 para formar un cordón de soldadura 106. El cabezal de soldadura láser 110 y/o la pieza de trabajo 102 se pueden mover uno con relación al otro a lo largo de la dirección de la costura 104. El cabezal de soldadura láser 110 puede estar situado en una plataforma con movimiento 114 para mover el cabezal de soldadura 110 con relación a la pieza de trabajo 102 a lo largo de al menos un eje, por ejemplo, a lo largo de la longitud de la costura 104. De manera adicional o como alternativa, la pieza de trabajo 102 puede estar situada en una plataforma con movimiento 108 para mover la pieza de trabajo 102 con relación al cabezal de soldadura láser 110.

El láser de fibra 112 puede incluir un láser de fibra de Iterbio capaz de generar un láser en el rango espectral del infrarrojo cercano (p. ej., 1060-1080 nm). El láser de fibra de Iterbio puede ser un láser de fibra de Iterbio con un único modo o múltiples modos de onda continua capaz de generar un haz láser con potencias de hasta 1 kW en algunas realizaciones y potencias más elevadas de hasta 50 kW en otras realizaciones. Algunos ejemplos del láser de fibra 112 incluyen los láseres de la serie YLR SM o la serie YLR HP comercializados por IPG Photonics Corporation. El láser de fibra 112 también puede incluir un láser de fibra multihaz, tal como el del tipo que se divulga en la solicitud internacional n.° PCT/US2015/45037, presentada el 13 de agosto de 2015 y con título Multibeam Fiber Laser System, que es capaz de suministrar de manera selectiva uno o más haces láser a través de múltiples fibras.

El cabezal de soldadura láser 110 incluye un colimador 122 para colimar el haz láser desde la fibra de salida 111, al menos un primer y segundo espejo móvil 132, 134 para reflejar y mover el haz colimado 116, y una lente de enfoque 142 para enfocar y suministrar un haz enfocado 118 a la pieza de trabajo 102. En la realización ilustrada, también se utiliza un espejo fijo 144 para dirigir el haz láser colimado 116 desde el segundo espejo móvil 134 hacia la lente de enfoque 142. El colimador 122, los espejos móviles 132, 134, y la lente de enfoque 142 y el espejo fijo 144 se pueden disponer en módulos independientes 120, 130, 140 que se pueden acoplar entre sí, tal como se describirá con más detalle a continuación. El cabezal de soldadura láser 110 también se puede construir sin el espejo fijo 144, por ejemplo, si los espejos 132, 134 se disponen de modo que la luz se refleje desde el segundo espejo 134 hacia la lente de enfoque 142.

Los espejos móviles 132, 134 pueden pivotar en torno a ejes 131, 133 diferentes para hacer que el haz colimado 116 se mueva y, por tanto, hacer que el haz enfocado 118 se mueva con relación a la pieza de trabajo 102 en al menos dos ejes 2, 4 perpendiculares diferentes. Los espejos móviles 132, 134 pueden ser espejos galvanométricos que se pueden mover mediante motores galvo, que pueden invertir su dirección de manera rápida. En otras realizaciones, se pueden utilizar otros mecanismos para mover los espejos, tales como motores paso a paso. La utilización de los espejos móviles 132, 134 en el cabezal de soldadura láser 110 permite que el haz láser 118 se mueva con precisión, de manera controlada y rápida con el fin de encontrar y seguir la costura y/o hacer oscilar el haz sin tener que mover la totalidad del cabezal de soldadura 110 y sin utilizar prismas rotativos.

De acuerdo con la presente invención, los espejos móviles 132, 134 mueven el haz 118 únicamente dentro de un campo de visión relativamente pequeño (p. ej., menos de 30x30 mm) mediante el pivotamiento del haz 118 dentro de un ángulo de exploración a de aproximadamente 1-2°, tal como se muestra en la figura 1A, lo que permite de ese modo que el haz oscile. Por el contrario, los cabezales de exploración láser convencionales proporcionan en general un movimiento del haz láser dentro de un campo de visión mucho mayor (p. ej., mayor de 50x50 mm y tan grande como 250x250 mm) y están diseñados para acomodar un campo de visión y ángulo de exploración mayores. Por tanto, la utilización de los espejos móviles 132, 134 para proporcionar únicamente un campo de visión relativamente pequeño en el cabezal de soldadura láser 110 parece contraproducente y contrario al sentido común de proporcionar un campo de visión más amplio cuando se utilizan escáneres galvo. Limitar el campo de visión y el ángulo de exploración proporciona ventajas cuando se utilizan espejos galvo en el cabezal de soldadura 110, por ejemplo, hace posibles velocidades más elevadas, lo que permite la utilización de componentes más económicos, tales como las lentes, y permitir su utilización con accesorios tales como una cuchilla de aire y/o accesorios de asistencia de gas.

Debido al menor campo de visión y ángulo de exploración en el cabezal de soldadura 110, el segundo espejo 134 puede ser sustancialmente del mismo tamaño que el primer espejo 132. Por el contrario, los escáneres galvo convencionales utilizan en general un segundo espejo mayor para proporcionar un mayor campo de visión y ángulo de exploración, y el segundo espejo mayor puede limitar la velocidad de movimiento en al menos un eje. Un segundo espejo 134 de menor dimensión (p. ej., aproximadamente el mismo tamaño que el del primer espejo 132) en el cabezal de soldadura 110 hace posible, por tanto, que el espejo 134 se mueva a velocidades más elevadas en comparación con espejos mayores en escáneres galvo convencionales que proporcionan mayores ángulos de exploración.

La lente de enfoque 142 puede incluir lentes de enfoque conocidas para utilizar en cabezales de soldadura láser y que tienen diversas longitudes focales que van, por ejemplo, desde 100 mm hasta 1000 mm. Los cabezales de exploración láser convencionales utilizan lentes de exploración multielemento, tal como una lente F theta, una lente de aplanamiento de campo o una lente telecéntrica, con diámetros mucho mayores (p. ej., una lente de 300 mm de diámetro para un haz de 33 mm de diámetro) para enfocar el haz dentro del mayor campo de visión. Debido a que los espejos móviles 132, 134 mueven el haz dentro de un campo de visión relativamente pequeño, no es necesario y no se utiliza una lente de exploración multielemento mayor (p. ej., una lente F theta). En un ejemplo de realización del cabezal de soldadura 110 coherente con la presente divulgación, se puede utilizar una lente de enfoque F300 plano convexa de 50 mm de diámetro para enfocar un haz que tiene un diámetro de aproximadamente 40 mm para su movimiento dentro de un campo de visión de aproximadamente 15x5 mm. La utilización de la lente de enfoque 142 más pequeña también permite accesorios adicionales, tal como una cuchilla de aire y/o accesorios de asistencia de gas, para utilizar en el extremo del cabezal de soldadura 110. Las mayores lentes de exploración necesarias para cabezales de exploración láser convencionales limitan la utilización de dichos accesorios.

Se pueden utilizar otros componentes ópticos en el cabezal de soldadura láser 110, tal como un divisor de haz para dividir el haz láser con el fin de proporcionar al menos dos zonas de haz para soldadura (p. ej., a cada lado de la soldadura). Algunos componentes ópticos adicionales también pueden incluir ópticas difractivas y pueden estar situados entre el colimador 122 y los espejos 132, 134, tal como se describirá con más detalle a continuación.

Se puede disponer una ventana protectora 146 delante de la lente 142 para proteger la lente y otras ópticas de los residuos producidos por los procesos de soldadura. El cabezal de soldadura láser 110 también puede incluir un accesorio del cabezal de soldadura 116, tal como una cuchilla de aire para proporcionar un flujo de aire a velocidad elevada a través de la ventana protectora 146 o la lente de enfoque 142 para retirar los residuos y/o un accesorio de asistencia de gas para suministrar gas protector de manera coaxial o fuera del eje al sitio de soldadura con el fin de suprimir la pluma de soldadura. Por tanto, el cabezal de soldadura láser 110 con espejos móviles se puede utilizar con accesorios de cabezal de soldadura existentes.

La realización ilustrada del sistema de soldadura láser 100 también incluye un detector 150, tal como una cámara, para detectar y localizar la costura 104, por ejemplo, en una ubicación por delante del haz 118. Aunque la cámara/el detector 150 se muestra de manera esquemática en un lado del cabezal de soldadura 110, la cámara/el detector 150 puede estar dirigido a través del cabezal de soldadura 110 para detectar y localizar la costura 104.

La realización ilustrada del sistema de soldadura láser 100 incluye además un sistema de control 160 para controlar el láser de fibra 112, la colocación de los espejos móviles 132, 134 y/o las plataformas con movimiento 108, 114, por ejemplo, en respuesta a unas condiciones detectadas en el cabezal de soldadura 110, una ubicación detectada de la costura 104 y/o un movimiento y/o una posición del haz láser 118. El cabezal de soldadura láser 110 puede incluir sensores, tales como un primer y segundo sensor térmico 162, 164, próximos al primer y segundo espejo móvil 132, 134 respectivos, para detectar las condiciones térmicas. El sistema de control 160 está conectado eléctricamente a los sensores 162, 164 para recibir datos con el fin de monitorizar las condiciones térmicas próximas a los espejos móviles 132, 134. El sistema de control 160 también puede monitorizar la operación de soldadura al recibir datos desde la cámara/el detector 150, por ejemplo, que representan una ubicación detectada de la costura 104.

El sistema de control 160 controla el láser de fibra 112, por ejemplo, desconectando el láser, cambiando los parámetros del láser (p. ej., la potencia del láser) o ajustando cualquier otro parámetro ajustable del láser. El sistema de control 160 puede provocar que el láser de fibra 112 se apague en respuesta a una condición detectada en el cabezal de soldadura láser 110. La condición detectada puede ser una condición térmica detectada por uno o ambos sensores 162, 164, indicativa de un mal funcionamiento de un espejo que da como resultado temperaturas elevadas u otras condiciones provocadas por el láser de alta potencia.

El sistema de control 160 puede provocar el apagado del láser de fibra 112 mediante la activación de un bloqueo de seguridad. Se configura un bloqueo de seguridad entre la fibra de salida 111 y el colimador 122, de modo que se active la condición de bloqueo de seguridad y se apague el láser cuando la fibra de salida 111 se desconecta del colimador 122. En la realización ilustrada, el cabezal de soldadura láser 110 incluye una trayectoria de bloqueo 166 que extiende la característica de bloqueo de seguridad a los espejos móviles 132, 134. La trayectoria de bloqueo 166 se extiende entre la fibra de salida 111 y el sistema de control 160, para permitir que el sistema de control 160 active la condición de bloqueo de seguridad en respuesta a condiciones potencialmente peligrosas detectadas en el cabezal de soldadura láser 110. En esta realización, el sistema de control 160 puede provocar la activación de la condición de bloqueo de seguridad por medio de la trayectoria de bloqueo 166 en respuesta a una condición térmica predefinida detectada por uno o ambos sensores 162, 164.

El sistema de control 160 también puede controlar los parámetros del láser (p. ej., la potencia del láser) en respuesta a un movimiento o una posición del haz 118 sin apagar el láser 112. Si uno de los espejos móviles 132, 134 mueve el haz 118 fuera del rango o demasiado despacio, el sistema de control 160 puede reducir la potencia del láser para controlar la energía de la zona del haz de manera dinámica con el fin de evitar que el láser la dañe. El sistema de control 160 puede controlar además la selección de haces láser en un láser de fibra multihaz.

El sistema de control 160 controla la colocación de los espejos móviles 132, 134 en respuesta a la ubicación detectada de la costura 104 desde la cámara/el detector 150, por ejemplo, para corregir la posición del haz enfocado 118 con el fin de encontrar, rastrear y/o seguir la costura 104. El sistema de control 160 puede encontrar la costura 104 mediante la identificación de una ubicación de la costura 104 utilizando los datos de la cámara/el detector 150, y moviendo a continuación uno o ambos espejos 132, 134 hasta que el haz 118 coincida con la costura 104. El sistema de control 160 puede seguir la costura 104 mediante el movimiento de uno o ambos espejos 132, 134 para ajustar o corregir la posición del haz 118 de manera continua, de modo que el haz coincida con la costura 104 a medida que el haz 118 se mueve a lo largo de la costura, para realizar la soldadura. El sistema de control 160 también puede controlar uno o ambos espejos móviles 132, 134 para proporcionar el movimiento de oscilación durante la soldadura, tal como se describe con más detalle a continuación.

Por tanto, el sistema de control 160 incluye, de acuerdo con la presente invención, un control del láser y un control de los espejos trabajando conjuntamente para controlar el láser y los espejos conjuntamente. El sistema de control 160 puede incluir, por ejemplo, hardware (p. ej., un ordenador de propósito general) y software conocido para su utilización a la hora de controlar los láseres de fibra y los espejos galvo. Por ejemplo, se puede utilizar software de control galvo existente y modificar para facilitar el control de los espejos galvo tal como se describe en la presente.

Las figuras 2A-2D ilustran ejemplos de patrones de oscilación que se pueden utilizar para realizar una soldadura por agitación de una costura 204. Tal como se utiliza en la presente, “oscilación” hace referencia a un movimiento reciprocante de un haz láser (p. ej., en dos ejes) y dentro de un campo de visión relativamente pequeño definido por un ángulo de exploración de menos de 10°. Las figuras 2A y 2B muestran un patrón circular y un patrón con la figura de un 8, respectivamente, que se forman de manera secuencial a lo largo de la costura 204. Las figuras 2C y 2D muestra un patrón en zigzag y un patrón ondulado, respectivamente, que se forma a lo largo de la costura 204. Aunque se ilustran ciertos patrones de oscilación, otros patrones de oscilación están dentro del alcance de la presente divulgación. Una ventaja de la utilización de espejos móviles en el cabezal de soldadura láser 110 es la posibilidad de mover el haz de acuerdo con diversos patrones de oscilación diferentes.

Las figuras 3A-3D ilustran una comparación de las soldaduras formadas por un patrón de oscilación con la figura de un 8 (figuras 3A y 3B) comparado con un haz no manipulado convencional (figuras 3C y 3D). En un ejemplo (figuras 3A y 3B), se sueldan dos piezas de aleación de aluminio 6061-T6 con una zona de haz de 2 mm de diámetro que se mueve con un patrón con la figura de un 8 a 90° con una oscilación de 300 Hz, una potencia de 2.75 kW, una velocidad de 3.5 m/min y con un hueco de 0.012 in. En el otro ejemplo (figuras 3C y 3D) se sueldan dos piezas de aleación de aluminio 6061-T6 con una zona de haz sin oscilación, una potencia de 2.0 kW, una velocidad de 3.5 m/min y con un hueco de 0.012 in. Tal como se muestra, se mejora la calidad de la soldadura en la superficie con la oscilación con la figura de un 8 en comparación con el haz no manipulado. En particular, se mejora la uniformidad a través de la soldadura, tal como se muestra en la figura 3A en comparación con la figura 3C. La sección transversal en la figura 3B también muestra menos reducción en el área de la soldadura (en comparación con la figura 3D), lo que se debe a que el patrón de oscilación con la figura de un 8 une el hueco de la costura 204 de manera más eficaz. Los sistemas y métodos de soldadura láser descritos en la presente también se pueden utilizar para mejorar la soldadura con materiales tales como el titanio, que en general son difíciles de soldar.

Las figuras 4-15 ilustran el cabezal de soldadura láser 410 con más detalle. Aunque se muestra una realización específica, se incluyen otras realizaciones del sistema de soldadura láser dentro del alcance de protección tal como se define en las reivindicaciones adjuntas. Tal como se muestra en la figura 4, el cabezal de soldadura láser 410 incluye un módulo de colimador 420, un módulo de oscilación 430 y un módulo de bloque central 440. El módulo de oscilación 430 incluye el primer y segundo espejo móvil analizados anteriormente y se acopla entre el módulo de colimador 420 y el módulo de bloque central 440.

Las figuras 5 y 6 muestran el módulo de colimador 420 con más detalle. Tal como se muestra en la figura 5, un extremo de entrada 421 del módulo de colimador 420 se configura de modo que se acople a un conector de fibra de salida e incluye un conector de bloqueo de fibra 425, que se conecta al conector de fibra de salida (no se muestra) para proporcionar un bloqueo de seguridad para cuando se desconecta la fibra de salida. Tal como se muestra en la figura 6, un extremo de salida 423 del módulo de colimador 420 se configura de modo que se acople al módulo de oscilación 430 (véase la figura 4) e incluye un conector de bloqueo de fibra 427 para extender la trayectoria de bloqueo de seguridad al interior del módulo de oscilación 430. El módulo de colimador 420 puede incluir un colimador (no se muestra) con un par fijo de lentes de colimador, tal como del tipo conocido para la utilización en cabezales de soldadura láser. En otras realizaciones, el colimador puede incluir otras configuraciones de lentes, tales como lentes móviles, capaces de ajustar el tamaño de la zona de haz y/o el punto focal.

Las figuras 7-10 muestran el módulo de oscilación 430 con más detalle. La realización ilustrada del módulo de oscilación 430 incluye una abertura de entrada 431, para acoplarse con el módulo de colimador 420, y una abertura de salida 433 para acoplarse con el módulo de bloque central 440 (véase la figura 4). La abertura de entrada 431 puede incluir una abertura limitante refrigerada por agua.

Tal como se muestra en la figura 8, la realización ilustrada del módulo de oscilación 430 también incluye un primer y segundo galvanómetro 436, 438 para mover los espejos galvo 432, 434 en torno a ejes perpendiculares diferentes. Se pueden utilizar galvanómetros conocidos utilizados en cabezales de exploración láser. Los galvanómetros 436, 438 pueden incluir unas conexiones 437 para conectarse a un controlador galvo (no se muestra). El controlador galvo puede incluir hardware y/o software para controlar los galvanómetros con el fin de controlar el movimiento de los espejos y, por tanto, el movimiento y/o colocación del haz láser. Se puede utilizar software de control galvo conocido y se puede modificar para proporcionar la funcionalidad descrita en la presente, por ejemplo, la búsqueda de costuras, los patrones de oscilación y la comunicación con el láser.

Tal como se muestra en la figura 7, el módulo de oscilación 430 incluye un conector de bloqueo de fibra 435 para conectarse al conector de bloqueo de fibra 427 del colimador. El módulo de oscilación 430 también incluye un conector de bloqueo de fibra galvo 437 para conectarse al controlador galvo. Por tanto, el bloqueo de seguridad se extiende hasta el módulo de oscilación 430 y hasta el controlador galvo. El controlador galvo se puede configurar de modo que active una condición de bloqueo de seguridad, por ejemplo, en respuesta a condiciones detectadas dentro del módulo de oscilación 430.

Tal como se muestra en las figuras 9 y 10, el módulo de oscilación 430 incluye unas sondas térmicas 462, 464 próximas a cada uno de los espejos 432, 434 respectivos. Las sondas térmicas 462, 464 detectan una condición térmica (p. ej., temperatura) en las ubicaciones respectivas dentro del módulo de oscilación 430 y pueden estar conectadas por medio de las conexiones galvo 437 al controlador galvo. Por tanto, el controlador galvo puede monitorizar las sondas térmicas 462, 464 para determinar si se produce una condición predefinida, tal como una temperatura elevada que indique una condición potencialmente peligrosa dentro del módulo de oscilación 430. Por ejemplo, si uno de los espejos móviles 432, 434 no funciona correctamente, el láser de alta potencia dirigido al interior del módulo de oscilación 430 puede no reflejarse de manera adecuada y puede provocar la condición peligrosa. Por tanto, el controlador galvo puede activar el bloqueo de seguridad para apagar el láser en respuesta a la condición peligrosa. Las sondas térmicas pueden incluir sensores conocidos, tales como láminas bimetálicas en el interior de cerámica.

La figura 11 muestra el módulo de bloque central 440 con más detalle. El módulo de bloque central 440 incluye un espejo fijo (no se muestra) que redirige el haz recibido desde el módulo de oscilación 430 hasta una lente de enfoque 442 y posteriormente hacia la pieza de trabajo. Tal como se muestra, el módulo de bloque central 440 incluye un alojamiento del bloque central 441 y un alojamiento del foco y la ventana 443 acoplado a un lateral del alojamiento del bloque central 441. Se puede acoplar un módulo de cámara (no se muestra) en un lateral opuesto del alojamiento del bloque central 441 para monitorizar el haz enfocado y/o la pieza de trabajo dentro del campo de visión proporcionado a través del alojamiento del foco y la ventana 443.

El alojamiento del foco y la ventana 443 contiene la lente de enfoque 442 y una ventana protectora 446. Tal como se muestra en figura 12, la ventana protectora 446 se puede extraer y sustituir. El alojamiento del foco y la ventana 443 también contiene un circuito de monitorización del estado de la ventana 470 con sensores tales como un termistor 472 y un fotodiodo 474, para monitorizar un estado de la ventana protectora 446. El alojamiento del bloque central 441 incluye además un conector de monitorización del estado 475 para conectarse al circuito de monitorización del estado 470 en el alojamiento del foco y la ventana 443, y un conector de monitorización de soldadura 477 para conectarse a un monitor del cabezal de soldadura (no se muestra).

Las figuras 13 y 14 muestran el cabezal de soldadura láser 410 ensamblado con cada uno de los módulos 420, 430, 440 acoplados entre sí y emitiendo un haz enfocado 418. Se colima un haz láser acoplado en el módulo de colimador 420 y el haz colimado es dirigido al módulo de oscilación 430. El módulo de oscilación 430 mueve el haz colimado utilizando los espejos y dirige el haz colimado en movimiento hacia el módulo de bloque central 440. A continuación, el módulo de bloque central 440 enfoca el haz en movimiento y se dirige el haz enfocado 418 hacia una pieza de trabajo (no se muestra).

La figura 15 muestra la trayectoria de un haz colimado 416 en el interior del módulo de oscilación 430 y del módulo de bloque central 440 cuando están acoplados entre sí. Tal como se muestra, la entrada de haz colimado 416 al módulo de oscilación se refleja desde el primer espejo galvo 432 hasta el segundo espejo galvo 434 y, a continuación, se refleja desde el espejo fijo 444 en el interior del módulo de bloque central y sale del módulo de bloque central. El espejo fijo 444 puede ser un espejo infrarrojo para permitir su utilización con una cámara de monitorización del haz 416.

Haciendo referencia a la figura 16, se describen con más detalle unas disposiciones adicionales de un cabezal de soldadura láser 1610 con espejos móviles y un sistema de soldadura láser. Esta disposición del cabezal de soldadura láser 1610 incluye además al menos un elemento óptico difractivo de conformado del haz 1626 para conformar el haz. El elemento óptico difractivo de conformado del haz 1626 está situado entre un colimador 1622 y los espejos móviles 1632, 1634 en el cabezal de soldadura 1610. El elemento óptico difractivo de conformado del haz 1626 conforma el haz colimado y el haz conformado se mueve a continuación mediante los espejos 1632, 1634, por ejemplo, tal como se describe anteriormente.

Un ejemplo del elemento óptico difractivo de conformado del haz 1682 incluye un elemento de conformado del haz tipo sombrero de copa que recibe un haz de entrada con un perfil Gaussiano y una zona de haz circular, tal como se muestra en la figura 17A, y produce un haz conformado con un perfil cuadrado o de “sombrero de copa” uniforme y una zona de haz rectangular o cuadrada, tal como se muestra en la figura 17B. Otros elementos ópticos difractivos de conformado de haz pueden incluir, sin carácter limitante, un elemento de división de haz difractivo que convierte un haz de entrada en una matriz unidimensional o bidimensional de haces pequeños, un elemento generador de anillos que conforma un haz de entrada en un anillo o una serie de anillos, y una lente espiral difractiva que conforma un haz de entrada en un anillo con forma de donut, tal como se muestra en la figura 17C.

Por tanto, se pueden utilizar distintos elementos ópticos difractivos de conformado del haz 1626 que proporcionan distintas formas y/o tamaños de haces. Una zona de haz con forma de donut también puede tener una distribución de potencia más uniforme al eliminar una concentración de alta potencia en el centro del haz. Tal como se muestra en las figuras 18A-18C, distintos elementos ópticos difractivos pueden proporcionar haces rectangulares con tamaños diferentes, lo que facilita de ese modo distintos “tamaños de barrido” y resoluciones para la soldadura y otras aplicaciones. Se pueden utilizar zonas de haz o “tamaños de barrido” más pequeños, por ejemplo, para áreas más pequeñas o alrededor de bordes donde se desea una resolución más elevada.

En una realización, el elemento óptico difractivo de conformado del haz 1626 está situado en un módulo de conformado del haz 1624, que se puede situar, de manera que se pueda desmontar, entre un módulo de colimador 1620 y un módulo de oscilación 1630, por ejemplo, tal como se describe anteriormente. Por tanto, se pueden utilizar de manera intercambiable módulos de conformado del haz 1624 con distintas ópticas difractivas en el cabezal de soldadura 1610. El módulo de conformado de haz 1624 también puede proporcionar una trayectoria de bloqueo de seguridad 1666, tal como se describe anteriormente.

En otra disposición más, el cabezal de soldadura 1610 se puede acoplar a un láser de fibra multihaz 1612 que puede suministrar de manera selectiva múltiples haces. Un ejemplo de un láser de fibra multihaz se describe con más detalle en la solicitud internacional n.° PCT/US2015/45037 presentada el 13 de agosto de 2015 y con título Multibeam Fiber Laser System. Los múltiples haces puede tener características diferentes tales como modos, potencias, densidades de energía, perfiles y/o tamaños diferentes. Por ejemplo, la figura 19 muestra múltiples haces con tamaños diferentes. Se pueden suministrar múltiples haces al mismo tiempo o se pueden suministrar haces individuales con características diferentes de manera independiente y selectiva en instantes diferentes, para proporcionar operaciones diferentes (p. ej., calentamiento, soldadura y procesamiento posterior). También se pueden conformar múltiples haces mediante las ópticas difractivas 1626 para producir múltiples haces conformados, por ejemplo, tal como se muestra en la figura 20. Por tanto, se pueden cambiar la forma y/o el tamaño de múltiples haces para operaciones o aplicaciones diferentes que utilicen el láser de fibra multihaz 1612 y/o elementos ópticos difractivos 1626 diferentes. Por ejemplo, para algunas aplicaciones de soldadura se pueden conformar uno o más haces con una forma de anillo o donut para proporcionar una distribución de potencia más uniforme.

En consecuencia, el sistema de soldadura láser con un cabezal de soldadura láser con espejos móviles, coherente con las realizaciones descritas en la presente, permite un mejor control sobre el movimiento, tamaño y/o forma de un haz láser utilizado para diversas aplicaciones de soldadura. Las realizaciones del sistema de soldadura láser que tienen un cabezal de soldadura láser con espejos móviles descritas en la presente se pueden utilizar, por tanto, para formar unas soldaduras más resistentes, más suaves y más uniformes.

Aunque en la presente se han descrito los principios de la invención, aquellos que son expertos en la técnica deben sobreentender que esta descripción se realiza únicamente a modo de ejemplo y no como una limitación del alcance de la invención tal como se define en las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de soldadura láser (100) que comprende:

un láser de fibra (112) que incluye una fibra de salida;

un cabezal de soldadura láser (110) que comprende:

un colimador (122) acoplado a la fibra de salida del láser de fibra (112);

al menos un primer y segundo espejo móvil (132, 134) configurados de modo que reciban un haz láser colimado (116) desde el colimador (122);

y

una lente de enfoque (142) configurada de modo que enfoque el haz láser con relación a una pieza de trabajo mientras se mueve el haz;

un sistema de control (160) para controlar al menos el láser de fibra y las posiciones de los espejos, comprendiendo el sistema de control (160) un controlador;

caracterizado por que

el sistema de control (160) incluye un software de control para permitir que el o los primeros y segundos espejos móviles (132, 134) muevan el haz (118) en un primer y segundo eje dentro únicamente de un campo de visión limitado definido por un ángulo de exploración de aproximadamente 1-2°.

2. El sistema de soldadura láser (100) de la reivindicación 1, donde el o los primeros y segundos espejos móviles (132, 134) se configuran de modo que permitan que el haz oscile.

3. El sistema de soldadura láser (100) de la reivindicación 1, donde los espejos móviles tienen aproximadamente el mismo tamaño.

4. El sistema de soldadura láser (100) de la reivindicación 1, donde los espejos móviles son espejos galvanométricos.

5. El sistema de soldadura láser (100) de la reivindicación 1, donde la lente de enfoque (142) no es una lente de exploración.

6. El sistema de soldadura láser (100) de la reivindicación 1, donde los espejos móviles se configuran de modo que muevan el haz láser colimado dentro únicamente de un campo de visión limitado que tiene una dimensión de menos de 30 x 30 mm.

7. El sistema de soldadura láser (100) de la reivindicación 1, que comprende además un accesorio de asistencia de gas próximo a la lente de enfoque (142) para suministrar gas a un sitio de soldadura durante la soldadura.

8. El sistema de soldadura láser (100) de la reivindicación 1, que comprende además una ventana protectora después de la lente de enfoque (142).

9. El sistema de soldadura láser (100) de la reivindicación 8, que comprende además una cuchilla de aire próxima a la ventana protectora.

10. El sistema de soldadura láser (100) de la reivindicación 1, que comprende además al menos un primer y segundo sensor térmico próximos al primer y segundo espejo, respectivamente.

11. El sistema de soldadura láser (100) de la reivindicación 1, que comprende además un detector para detectar una costura a soldar.

12. El sistema de soldadura láser (100) de la reivindicación 1, que comprende además una trayectoria de bloqueo de seguridad que se extiende desde el colimador (122) hasta cerca de los espejos.

13. El sistema de soldadura láser (100) de la reivindicación 1, que comprende, además:

un módulo de colimador (120) que incluye el colimador (122);

caracterizado por que comprende, además

un módulo de oscilación (130) acoplado al módulo de colimador (120), incluyendo el módulo de oscilación (130) el o los primeros y segundos espejos móviles (132, 134); y

un módulo de bloque central (140) acoplado al módulo de oscilación (130), incluyendo el módulo de bloque central (140) al menos la lente de enfoque (142).

14. El sistema de soldadura láser (100) de la reivindicación 13, donde el módulo de colimador incluye un conector de bloqueo de fibra para conectarse con un conector de bloqueo de acoplamiento en un conector de fibra de salida, de modo que se proporcione una condición de bloqueo de seguridad cuando el conector de fibra de salida no esté conectado al módulo de colimador, y donde el módulo de colimador y el módulo de oscilación incluyen conexiones de bloqueo de fibra configuradas de modo que proporcionen la condición de bloqueo de seguridad en respuesta a los sensores dentro del módulo de oscilación.

15. El sistema de soldadura láser (100) de la reivindicación 14, donde el módulo de oscilación incluye al menos un primer y segundo sensor térmico próximos al primer y segundo espejo, respectivamente, y donde la condición de bloqueo de seguridad se proporciona en respuesta a los sensores térmicos; o

donde el módulo de oscilación incluye un primer y segundo módulo galvo que incluyen espejos galvanométricos, donde los módulos galvo se configuran de modo que se conecten a un controlador galvo, y donde el módulo de oscilación incluye un conector de bloqueo de fibra configurado de modo que se conecte al controlador galvo.