JP2021007985A - 可変ビーム形状を有するレーザを利用する材料処理 - Google Patents
可変ビーム形状を有するレーザを利用する材料処理 Download PDFInfo
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Abstract
Description
本願は、2016年7月15日に出願された米国仮特許出願第62/362,824号および2016年9月9日に出願された米国特許出願第15/261,096号の利益およびそれに対する優先権を主張するものであり、これらの各々の全体の開示は、参照により本明細書中に援用される。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
(項目1)
ワークピースを処理する方法であって、前記方法は、
レーザ出力ビームと前記ワークピースの表面との間に相対的運動を生じさせ、処理経路を画定することであって、前記レーザ出力ビームと平行な方向に沿った前記ワークピースの厚さは、前記処理経路に沿って変動し、前記レーザ出力ビームは、前記処理経路の少なくとも一部に沿って、前記ワークピースの表面を物理的に改変する、ことと、
その間、少なくとも部分的に、前記ワークピースの厚さに基づいて、前記レーザ出力ビームの形状を改変することと
を含む、方法。
(項目2)
前記レーザ出力ビームの形状は、前記ワークピースの厚さが増加するにつれて、集束スポットと環形との間で変動される、項目1に記載の方法。
(項目3)
前記レーザ出力ビームと平行な方向に沿った前記ワークピースの厚さは、少なくとも部分的に、前記レーザ出力ビームと前記ワークピースの表面との間の角度の変化に起因して変動する、項目1に記載の方法。
(項目4)
前記レーザ出力ビームの形状は、前記レーザ出力ビームと前記ワークピースの表面との間の角度を略一定に維持しながら、改変される、項目1に記載の方法。
(項目5)
前記レーザ出力ビームと前記ワークピースの表面との間の相対的運動の間、前記ワークピースの厚さを測定することをさらに含む、項目1に記載の方法。
(項目6)
前記レーザ出力ビームの形状は、前記ワークピースの組成に基づいて改変される、項目1に記載の方法。
(項目7)
前記レーザ出力ビームは、複数の波長から成る、項目1に記載の方法。
(項目8)
ワークピースを処理するためのシステムであって、前記システムは、
レーザ出力ビームの放出のためのビームエミッタと、
前記ワークピースに対して前記レーザ出力ビームの位置を変動させるための位置付けデバイスと、
前記レーザ出力ビームの形状を改変するための手段と、
前記位置付けデバイスおよび前記形状改変手段に結合されたコントローラであって、前記コントローラは、(i)前記ビームエミッタを動作させ、前記レーザ出力ビームに、前記ワークピースの少なくとも一部を横断して経路をトラバースさせ、その表面を物理的に改変させ、(ii)少なくとも部分的に、前記経路に沿った前記ワークピースの厚さに基づいて、前記レーザ出力ビームの形状を改変する、コントローラと
を備える、システム。
(項目9)
前記ビームエミッタは、そこから前記レーザ出力ビームが放出される処理ヘッドを備え、前記形状改変手段は、(i)前記処理ヘッド内の1つ以上の光学要素と、(ii)前記処理ヘッド内の前記光学要素のうちの少なくとも1つの位置を改変するための第2のコントローラとを備える、項目8に記載のシステム。
(項目10)
前記コントローラは、前記経路に沿って、前記ビームエミッタの出力パワーを変動させるように構成される、項目8に記載のシステム。
(項目11)
前記コントローラは、前記ワークピースの組成に基づいて、前記レーザ出力ビームの形状を変動させるように構成される、項目8に記載のシステム。
(項目12)
複数の記録を含むデータベースをさらに備え、前記複数の記録のそれぞれは、レーザ出力ビーム形状をワークピースパラメータと関連させる、項目8に記載のシステム。
(項目13)
前記ワークピースパラメータは、ワークピース厚およびワークピース組成のうちの少なくとも1つを備える、項目12に記載のシステム。
(項目14)
前記ビームエミッタは、
複数の離散入力ビームを放出するビーム源と、
前記複数の入力ビームを分散要素上に集束させるための集束光学と、
前記集束されたビームを受信し、前記受信された集束されたビームを分散させるための分散要素と、
部分反射出力結合器であって、前記部分反射出力結合器は、前記分散されたビームを受信し、前記分散されたビームの一部をそれを通して前記レーザ出力ビームとして伝送し、前記分散されたビームの第2の部分を前記分散要素に向かって反射させるように位置付けられる、部分反射出力結合器と
を備え、前記レーザ出力ビームは、複数の波長から成る、項目8に記載のシステム。
(項目15)
第1および第2のワークピースを処理点において継合する方法であって、前記第1および第2のワークピースは、前記処理点において、相互に重複および/または近接し、前記方法は、
レーザ出力ビームを前記処理点に近接して集束させ、前記第1または第2のワークピースのうちの少なくとも1つの一部を溶融し、それによって、前記第1および第2のワークピースをともに継合することと、
その間、前記レーザ出力ビームと前記第1および第2のワークピースとの間に相対的運動を生じさせずに、前記レーザ出力ビームの形状を変動させることと
を含む、方法。
(項目16)
前記レーザ出力ビームの形状は、集束スポットと環形との間で変動される、項目15に記載の方法。
(項目17)
前記レーザ出力ビームは、複数の波長から成る、項目15に記載の方法。
(項目18)
最小スポットサイズに集束可能なレーザ出力ビームを使用して、前記最小スポットサイズより大きい空間範囲を有する溶接を用いて、第1および第2のワークピースを継合する方法であって、前記方法は、
前記レーザ出力ビームを前記第1または第2のワークピースのうちの少なくとも1つ上に集束させ、その溶融を生じさせることと、
前記レーザ出力ビームと前記第1および第2のワークピースとの間に相対的運動を生じさせずに、前記レーザ出力ビームの形状を変動させ、前記溶接のサイズを増加させることと
を含む、方法。
(項目19)
前記レーザ出力ビームの形状は、集束スポットと環形との間で変動される、項目18に記載の方法。
(項目20)
前記レーザ出力ビームは、複数の波長から成る、項目18に記載の方法。
(項目21)
ワークピースを処理するためのシステムであって、前記システムは、
ビームエミッタと、
前記ワークピースに対して前記ビームエミッタのビーム位置を変動させるための位置付けデバイスと、
前記ビームの偏光を変動させるための可変偏光器と、
前記ビームの形状を変動させるためのビーム成形器と、
前記位置付けデバイス、前記偏光器、および前記ビーム成形器に結合されたコントローラであって、前記コントローラは、前記ワークピースの処理のために、前記ビームエミッタを動作させ、前記ビームに前記ワークピースの少なくとも一部を横断して経路をトラバースさせ、少なくとも部分的に、前記ワークピースの1つ以上の性質に基づいて、前記経路に沿って、前記ビームの偏光および/または形状を変動させる、コントローラと
を備える、システム。
(項目22)
前記コントローラは、前記ビームが前記経路をトラバースするにつれて、前記経路と略平行な偏光方向を有する、前記ビームの線形偏光を維持するように構成される、項目21に記載のシステム。
(項目23)
前記コントローラは、少なくとも部分的に、前記ワークピースの厚さに基づいて、前記ビームの偏光の偏心を変動させるように構成される、項目21に記載のシステム。
(項目24)
前記コントローラは、線形偏光状態と半径方向偏光状態との間で前記ビームの偏光を変動させるように構成される、項目21に記載のシステム。
(項目25)
前記可変偏光器は、波プレートおよび回転要素を備え、前記回転要素は、前記コントローラによって動作される、項目21に記載のシステム。
(項目26)
前記波プレートは、半波プレートまたは4分の1波プレートのうちの少なくとも1つを備える、項目25に記載のシステム。
(項目27)
前記ビームは、線形に偏光され、前記コントローラは、前記回転要素を動作させ、前記経路と平行な偏光方向を維持する、項目25に記載のシステム。
(項目28)
前記可変偏光器は、補償器プレートと、前記補償器プレートにわたって配置される固定複屈折ウェッジと、前記固定複屈折ウェッジにわたって配置される可動複屈折ウェッジと、平行移動要素とを備え、前記平行移動要素は、前記コントローラによって動作される、項目21に記載のシステム。
(項目29)
前記可変偏光器は、半径方向偏光コンバータを備える、項目21に記載のシステム。
(項目30)
前記コントローラにアクセス可能なメモリであって、前記メモリは、前記経路に対応するデータを記憶する、メモリと、
複数の材料に関する偏光データを記憶するためのデータベースと
をさらに備え、前記コントローラは、前記データベースにクエリし、前記ワークピースの材料に関する前記偏光データを取得し、少なくとも部分的に、前記偏光データに基づいて、前記ビームの偏光を変動させるように構成される、項目21に記載のシステム。
(項目31)
前記経路は、少なくとも1つの指向性変化を含む、項目21に記載のシステム。
(項目32)
前記ビームエミッタは、
複数の離散入力ビームを放出するビーム源と、
前記複数の入力ビームを分散要素上に集束させるための集束光学と、
前記集束されたビームを受信し、前記受信された集束されたビームを分散させるための分散要素と、
部分反射出力結合器であって、前記部分反射出力結合器は、前記分散されたビームを受信し、前記分散されたビームの一部をそれを通して前記ビームエミッタのビームとして伝送し、前記分散されたビームの第2の部分を前記分散要素に向かって反射させるように位置付けられる、部分反射出力結合器と
を備え、前記ビームエミッタのビームは、複数の波長から成る、項目21に記載のシステム。
(項目33)
前記ビーム成形器は、
前記ビームエミッタから受信されたビームをコリメートするためのコリメートレンズと、
前記コリメートされたビームを受信し、前記ビームを前記ワークピースに向かって集束させるための集束レンズと、
前記ビーム源と前記コリメートレンズとの間に配置された光学要素であって、前記光学要素は、前記ビームを受信し、その形状を改変させる、光学要素と、
前記ビームの経路内の前記光学要素の位置を変化させるためのレンズ操作システムと
を備え、前記コントローラは、前記レンズ操作システムを制御し、前記ビームの形状を変動させるように構成される、項目21に記載のシステム。
(項目34)
前記光学要素は、(i)切頭円錐形の形状を有する第1の表面と、(ii)前記第1の表面と反対の略平面の第2の表面とを有する、レンズを備える、項目33に記載のシステム。
(項目35)
前記光学要素は、(i)切頭円球形の形状を有する第1の表面と、(ii)前記第1の表面と反対の略平面の第2の表面とを有する、レンズを備える、項目33に記載のシステム。
(項目36)
前記光学要素は、メニスカスレンズを備える、項目33に記載のシステム。
(項目37)
前記レンズ操作システムは、前記光学要素を前記ビームの経路内で横方向に中心からずれて位置付けるように構成される、項目33に記載のシステム。
(項目38)
前記集束レンズと前記ワークピースとの間に配置される第2の光学要素をさらに備え、前記レンズ操作システムは、前記ビームの経路内の前記第2の光学要素の位置を変化させるように構成される、項目33に記載のシステム。
(項目39)
前記第2の光学要素は、(i)切頭円錐形の形状を有する第1の表面と、(ii)前記第1の表面と反対の略平面の第2の表面とを有する、レンズを備える、項目38に記載のシステム。
(項目40)
前記第2の光学要素は、(i)切頭円球形の形状を有する第1の表面と、(ii)前記第1の表面と反対の略平面の第2の表面とを有する、レンズを備える、項目38に記載のシステム。
(項目41)
前記第2の光学要素は、メニスカスレンズを備える、項目38に記載のシステム。
(項目42)
前記ビーム成形器は、
前記ビームエミッタから受信されたビームをコリメートするためのコリメートレンズと、
前記コリメートされたビームを受信し、前記ビームを前記ワークピースに向かって集束させるための集束レンズと、
前記ビーム源と前記コリメートレンズとの間に配置された第1および第2の光学要素であって、前記第1および第2の光学要素は、前記ビームを受信し、その形状を改変する、第1および第2の光学要素と、
(i)前記ビームの経路内の前記第1の光学要素の位置、(ii)前記ビームの経路内の前記第2の光学要素の位置、または(iii)前記第1および第2の光学要素間の距離のうちの少なくとも1つを変化させるためのレンズ操作システムと
を備え、前記コントローラは、前記レンズ操作システムを制御し、前記ビームの形状を変動させるように構成される、項目21に記載のシステム。
(項目43)
(i)前記第1の光学要素は、二重凹面アキシコンレンズを備え、(ii)前記第2の光学要素は、二重凸面アキシコンレンズを備える、項目42に記載のシステム。
(項目44)
前記レンズ操作システムは、約0mm〜約20mmの範囲内で前記第1および第2の光学要素間の距離を変化させるように構成される、項目42に記載のシステム。
(項目45)
前記第1の光学要素は、(i)略平面の第1の表面と、(ii)(a)凸面湾曲の第1の部分および(b)略平面の第2の部分を有する、前記第1の表面と反対の第2の表面とを有する、レンズを備え、
前記第2の光学要素は、(i)略平面の第1の表面と、(ii)(a)凹面湾曲の第1の部分および(b)略平面の第2の部分を有する、前記第1の表面と反対の第2の表面とを有する、レンズを備える、項目42に記載のシステム。
(項目46)
前記レンズ操作システムは、前記第1の光学要素または前記第2の光学要素のうちの少なくとも1つを前記ビームの経路内で横方向に中心からずれて位置付けるように構成される、項目42に記載のシステム。
Claims (32)
- ワークピースを処理するためのシステムであって、前記システムは、
ビームエミッタと、
前記ワークピースに対して前記ビームエミッタのビーム位置を変動させるための位置付けデバイスと、
前記ビームの偏光を変動させるための可変偏光器と、
前記ビームの形状を変動させるためのビーム成形器と、
前記位置付けデバイス、前記偏光器、および前記ビーム成形器に結合されたコントローラであって、前記コントローラは、前記ワークピースの処理のために、前記ビームエミッタを動作させ、前記ビームに前記ワークピースの少なくとも一部を横断する経路を通して移動させ、少なくとも部分的に、前記ワークピースの1つ以上の性質に基づいて、前記経路に沿って、前記ビームの偏光および/または形状を変動させる、コントローラと
を備える、システム。 - 前記コントローラは、前記ビームが前記経路を通して移動するにつれて、前記経路と略平行な偏光方向を有する、前記ビームの線形偏光を維持するように構成される、請求項1に記載のシステム。
- 前記コントローラは、少なくとも部分的に、前記ワークピースの厚さに基づいて、前記ビームの偏光の偏心を変動させるように構成される、請求項1に記載のシステム。
- 前記コントローラは、線形偏光状態と半径方向偏光状態との間で前記ビームの偏光を変動させるように構成される、請求項1に記載のシステム。
- 前記可変偏光器は、波プレートおよび回転要素を備え、前記回転要素は、前記コントローラによって動作される、請求項1に記載のシステム。
- 前記波プレートは、半波プレートまたは4分の1波プレートのうちの少なくとも1つを備える、請求項5に記載のシステム。
- 前記ビームは、線形に偏光され、前記コントローラは、前記回転要素を動作させ、前記経路と平行な偏光方向を維持する、請求項5に記載のシステム。
- 前記可変偏光器は、補償器プレートと、前記補償器プレートにわたって配置される固定複屈折ウェッジと、前記固定複屈折ウェッジにわたって配置される可動複屈折ウェッジと、平行移動要素とを備え、前記平行移動要素は、前記コントローラによって動作される、請求項1に記載のシステム。
- 前記可変偏光器は、半径方向偏光コンバータを備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記コントローラにアクセス可能なメモリであって、前記メモリは、前記経路に対応するデータを記憶する、メモリと、
複数の材料に関する偏光データを記憶するためのデータベースと
をさらに備え、前記コントローラは、前記データベースにクエリし、前記ワークピースの材料に関する前記偏光データを取得し、少なくとも部分的に、前記偏光データに基づいて、前記ビームの偏光を変動させるように構成される、請求項1に記載のシステム。 - 前記経路は、少なくとも1つの指向性変化を含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記ビームエミッタは、
複数の離散入力ビームを放出するビーム源と、
前記複数の入力ビームを分散要素上に集束させるための集束光学と、
前記集束されたビームを受信し、前記受信された集束されたビームを分散させるための分散要素と、
部分反射出力結合器であって、前記部分反射出力結合器は、前記分散されたビームを受信し、前記分散されたビームの一部をそれを通して前記ビームエミッタのビームとして伝送し、前記分散されたビームの第2の部分を前記分散要素に向かって反射させるように位置付けられる、部分反射出力結合器と
を備え、前記ビームエミッタのビームは、複数の波長から成る、請求項1に記載のシステム。 - 前記ビーム成形器は、
前記ビームエミッタから受信されたビームをコリメートするためのコリメートレンズと、
前記コリメートされたビームを受信し、前記ビームを前記ワークピースに向かって集束させるための集束レンズと、
前記ビーム源と前記コリメートレンズとの間に配置された光学要素であって、前記光学要素は、前記ビームを受信し、その形状を改変させる、光学要素と、
前記ビームの経路内の前記光学要素の位置を変化させるためのレンズ操作システムと
を備え、前記コントローラは、前記レンズ操作システムを制御し、前記ビームの形状を変動させるように構成される、請求項1に記載のシステム。 - 前記光学要素は、(i)切頭円錐形の形状を有する第1の表面と、(ii)前記第1の表面と反対の略平面の第2の表面とを有する、レンズを備える、請求項13に記載のシステム。
- 前記光学要素は、(i)切頭円球形の形状を有する第1の表面と、(ii)前記第1の表面と反対の略平面の第2の表面とを有する、レンズを備える、請求項13に記載のシステム。
- 前記光学要素は、メニスカスレンズを備える、請求項13に記載のシステム。
- 前記レンズ操作システムは、前記光学要素を前記ビームの経路内で横方向に中心からずれて位置付けるように構成される、請求項13に記載のシステム。
- 前記集束レンズと前記ワークピースとの間に配置される第2の光学要素をさらに備え、前記レンズ操作システムは、前記ビームの経路内の前記第2の光学要素の位置を変化させるように構成される、請求項13に記載のシステム。
- 前記第2の光学要素は、(i)切頭円錐形の形状を有する第1の表面と、(ii)前記第1の表面と反対の略平面の第2の表面とを有する、レンズを備える、請求項18に記載のシステム。
- 前記第2の光学要素は、(i)切頭円球形の形状を有する第1の表面と、(ii)前記第1の表面と反対の略平面の第2の表面とを有する、レンズを備える、請求項18に記載のシステム。
- 前記第2の光学要素は、メニスカスレンズを備える、請求項18に記載のシステム。
- 前記ビーム成形器は、
前記ビームエミッタから受信されたビームをコリメートするためのコリメートレンズと、
前記コリメートされたビームを受信し、前記ビームを前記ワークピースに向かって集束させるための集束レンズと、
前記ビーム源と前記コリメートレンズとの間に配置された第1および第2の光学要素であって、前記第1および第2の光学要素は、前記ビームを受信し、その形状を改変する、第1および第2の光学要素と、
(i)前記ビームの経路内の前記第1の光学要素の位置、(ii)前記ビームの経路内の前記第2の光学要素の位置、または(iii)前記第1および第2の光学要素間の距離のうちの少なくとも1つを変化させるためのレンズ操作システムと
を備え、前記コントローラは、前記レンズ操作システムを制御し、前記ビームの形状を変動させるように構成される、請求項1に記載のシステム。 - (i)前記第1の光学要素は、二重凹面アキシコンレンズを備え、(ii)前記第2の光学要素は、二重凸面アキシコンレンズを備える、請求項22に記載のシステム。
- 前記レンズ操作システムは、約0mm〜約20mmの範囲内で前記第1および第2の光学要素間の距離を変化させるように構成される、請求項22に記載のシステム。
- 前記第1の光学要素は、(i)略平面の第1の表面と、(ii)(a)凸面湾曲の第1の部分および(b)略平面の第2の部分を有する、前記第1の表面と反対の第2の表面とを有する、レンズを備え、
前記第2の光学要素は、(i)略平面の第1の表面と、(ii)(a)凹面湾曲の第1の部分および(b)略平面の第2の部分を有する、前記第1の表面と反対の第2の表面とを有する、レンズを備える、請求項22に記載のシステム。 - 前記レンズ操作システムは、前記第1の光学要素または前記第2の光学要素のうちの少なくとも1つを前記ビームの経路内で横方向に中心からずれて位置付けるように構成される、請求項22に記載のシステム。
- 第1および第2のワークピースを処理点において継合する方法であって、前記第1および第2のワークピースは、前記処理点において、相互に重複および/または近接し、前記方法は、
レーザ出力ビームを前記処理点に近接して集束させ、前記第1または第2のワークピースのうちの少なくとも1つの一部を溶融し、それによって、前記第1および第2のワークピースをともに継合することと、
その間、前記レーザ出力ビームと前記第1および第2のワークピースとの間に相対的運動を生じさせずに、前記レーザ出力ビームの形状を変動させることと
を含む、方法。 - 前記レーザ出力ビームの形状は、集束スポットと環形との間で変動される、請求項27に記載の方法。
- 前記レーザ出力ビームは、複数の波長から成る、請求項27に記載の方法。
- 最小スポットサイズに集束可能なレーザ出力ビームを使用して、前記最小スポットサイズより大きい空間範囲を有する溶接を用いて、第1および第2のワークピースを継合する方法であって、前記方法は、
前記レーザ出力ビームを前記第1または第2のワークピースのうちの少なくとも1つ上に集束させ、その溶融を生じさせることと、
前記レーザ出力ビームと前記第1および第2のワークピースとの間に相対的運動を生じさせずに、前記レーザ出力ビームの形状を変動させ、前記溶接のサイズを増加させることと
を含む、方法。 - 前記レーザ出力ビームの形状は、集束スポットと環形との間で変動される、請求項30に記載の方法。
- 前記レーザ出力ビームは、複数の波長から成る、請求項30に記載の方法。
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