JP6594861B2

JP6594861B2 - ディザリング可能なレーザー処理システム

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Publication number: JP6594861B2
Application number: JP2016516556A
Authority: JP
Inventors: ジョセフ・レオ・ダラローサ; ベン・アマー; ディヴィッド・スクワイアズ
Original assignee: アイピージーフォトニクスコーポレーション
Priority date: 2013-09-24
Filing date: 2014-09-24
Publication date: 2019-10-23
Anticipated expiration: 2034-09-24
Also published as: CA2924823A1; JP2019162669A; EP3049212B1; WO2015048111A1; JP2016537199A; CN105579185B; EP3049212A1; US20160228988A1; CN105579185A; CA2924823C; US11141815B2; CH710428B1; EP3049212A4; ZA201601996B; AU2014326818A1; AU2014326818B2

Description

本発明は、レーザー処理に係り、特に、処理位置、例えばワークピースの三次元表面上における一貫したレーザービーム特性を維持しながら、レーザービームをディザリングすることができるレーザー処理システム及び方法に関する。

レーザーは多様な方法で基板又はベース物質（以下ワークピースと称する）を処理するのに一般的に用いられている。レーザー処理の一例はレーザークラッディングプロセスであり、レーザーを用いて他の物質がワークピースの表面に接着するのに十分なようにワークピースを加熱することによって、ワークピースの表面上にコーティングを堆積させる。レーザークラッディングプロセスの一つのタイプは、流れの速い気流中に粉末粒子を同伴させて、粒子が塑性変形及び結合を介してワークピースに接着するように、レーザーによって加熱された領域内のワークピースに粒子が当たるようにする。レーザークラッディングプロセスの例は、参照として完全に本願に組み込まれる特許文献１及び特許文献２に詳細に説明されている。レーザー処理の他の例として、レーザー溶接や、レーザー物質除去又はクリーニングが挙げられる。

レーザー処理における課題の一つは、レーザービームの所望の特性（例えばパワー密度）を維持しながら、ワークピース上のより複雑な表面（例えば、三次元表面）の処理を促進するようにレーザービームを移動させることの困難性である。既存のレーザー処理システムはレーザービームを所望の応答時間及び指向性で移動させることができない。例えばレーザーヘッド全体を移動させるレーザー処理システムは、比較的高速応答時間を提供するものではない。一部の既存のレーザークラッディングシステムは、一方向に単純にラスター走査を行うが、これは時間がかかり、また、タービンブレード等の複雑な三次元表面に対しては有効ではない。

更に、既存のレーザー処理システムは、パワー密度がビームのＺ軸に沿って変化するようにビームを集束させることが多い。パワー密度はビームスポットの半径の二乗に反比例するので、集束ビームにおいて、パワー密度がビームの長さ方向に沿った異なる位置において顕著に異なり得る。従って、レーザービームの移動及び／又は三次元表面の処理は、ワークピース上の異なる処理位置におけるパワー密度等のレーザービーム特性の顕著な変化をもたらすことによって、レーザー処理の一貫性に悪影響を与え得る。ガルボスキャナーがレーザークラッディングシステムにおいてレーザービームを走査するのに用いられてはいるが、そのシステムは、複数の処理位置においてビームが一貫したパワー密度を維持するようにすることができないことが多い。特定のレーザークラッディングプロセスでは、例えば、粉末の前にレーザービームによって与えられる温度プロファイルを正確に制御しなければならない。レーザービームのパワー密度の変化は温度プロファイルを変化させて、コーティングが所望の一貫性で堆積することの妨げとなり得る。

国際公開第２０１３／０６１０８５号国際公開第２０１３／０６１０８６号

従って、処理位置、例えばワークピースの三次元表面上における一貫したレーザービーム特性を維持しながら、レーザービームを移動させることができるレーザー処理システム及び方法が必要とされている。

一実施形態によると、ワークピースをレーザー処理するための方法が提供される。本方法は、コリメートされたレーザービームの長さの少なくとも一部に沿って一貫したＺ軸パワー密度を有するコリメートされたレーザービームを提供するステップと、コリメートされたレーザービームをワークピースに向けて、ワークピース上にビームスポットを形成するステップと、ワークピースが移動しながらビームスポットがワークピースの表面上の処理を促進するようにワークピースを移動させるステップと、ワークピースを移動させながらビームスポットがワークピース上でディザリングされるように、Ｘ軸及びＹ軸の一方に沿ってコリメートされたレーザービームをディザリングするステップと、を含む。

他の実施形態によると、レーザー処理システムは、ファイバーレーザーシステムと、ファイバーレーザーシステムのファイバーレーザー出力に光学的に結合されたビーム伝送システムとを含む。ビーム伝送システムは、コリメートされたレーザービームを生成するためのコリメート用レンズを含み、コリメート用レンズのうち少なくとも一つはコリメートされたビームの直径を変化させるようにＺ軸に沿って移動可能である。また、レーザー処理システムは、Ｘ軸及びＹ軸の一方に沿ってコリメートされたレーザービームをディザリングするようにコリメート用レンズに対して相対的にファイバーレーザー出力を移動させるための機構と、ワークピースを支持及び移動させるためのワークピースホルダーと、ワークピースホルダー及びコリメート用レンズに対して相対的にファイバーレーザー出力を移動させるための機構の運動を制御するための運動制御システムとを更に含む。

更なる実施形態によると、光学ヘッドは、筐体と、筐体の一端において筐体にファイバーレーザー出力を接続するためのファイバーレーザーコネクターと、筐体内に位置し且つファイバーレーザー出力に光学的に結合されたビーム伝送システムとを含む。ビーム伝送システムは、コリメートされたレーザービームを提供するための第一のコリメート用レンズ及び第二のコリメート用レンズと、コリメートされたレーザービームの最終的なコリメーションを提供するための最後のコリメート用レンズとを含む。第一のレンズ及び第二のレンズの少なくとも一方は、コリメートされたレーザービームの直径を変化させるようにＺ軸に沿って移動可能である。また、光学ヘッドは、筐体内に位置し且つＸ軸及びＹ軸に沿った移動用にコリメート用レンズを支持する光学系Ｘ‐Ｙステージも含む。

一実施形態によると、ワークピース上にクラッディング層を堆積させるためのレーザークラッディング方法が提供される。レーザークラッディング方法は、コリメートされたレーザービームの長さの少なくとも一部に沿って一貫したＺ軸パワー密度を有するコリメートされたレーザービームを発生させるステップと、コリメートされたレーザービームをワークピースに向けて、ワークピース上にビームスポットを提供するステップと、ビームスポットによって加熱された領域において、クラッディング物質がワークピースの表面に当たるように、クラッディング物質をワークピースに向けるステップと、ワークピースが移動しながらクラッディング物質がワークピースの表面上にクラッディング層を形成するように、ワークピースを移動させるステップとを含む。

他の実施形態によると、レーザークラッディングシステムは、ファイバーレーザーシステムと、ファイバーレーザーシステムのファイバーレーザー出力に光学的に結合されたビーム伝送システムとを含む。ビーム伝送システムは、コリメートされたレーザービームを生成するための複数のコリメート用レンズを含み、コリメート用レンズのうち少なくとも一つは、コリメートされたビームの直径を変化させるようにＺ軸に沿って移動可能である。また、レーザークラッディングシステムは、Ｘ軸及びＹ軸の一方に沿ってコリメートされたレーザービームをディザリングするようにコリメート用レンズに対して相対的にファイバーレーザー出力を移動させるための機構と、ワークピースを支持及び移動させるためのワークピースホルダーと、ワークピースホルダー及びコリメート用レンズに対して相対的にファイバーレーザー出力を移動させるための機構の運動を制御するための運動制御システムとを更に含む。レーザークラッディングシステムは、コリメートされたレーザービームによって加熱された領域において、クラッディング粉末がワークピースの表面に当たるように、クラッディング粉末をワークピースに伝送するための粉末伝送システムを更に含む。

更なる実施形態によると、集積レーザークラッディング光学ヘッドは、筐体と、筐体の一端において筐体をファイバーレーザー出力に接続するためのファイバーレーザーコネクターと、筐体内に位置し且つファイバーレーザー出力に光学的に結合されたビーム伝送システムとを含む。ビーム伝送システムは、コリメートされたレーザービームを提供するための第一のコリメート用レンズ及び第二のコリメート用レンズと、コリメートされたレーザービームの最終的なコリメーションを提供するための最後のコリメート用レンズとを含む。第一のレンズ及び第二のレンズの少なくとも一方は、コリメートされたレーザービームの直径を変化させるようにＺ軸に沿って移動可能である。また、集積レーザークラッディング光学ヘッドは、筐体内に位置し且つＸ軸及びＹ軸に沿った移動用にコリメート用レンズを支持する光学系Ｘ‐Ｙステージも含む。集積レーザークラッディング光学ヘッドは、コリメートされたレーザービームによって加熱された領域において、クラッディング粉末がワークピースの表面に当たるように、クラッディング粉末をワークピースに伝送するために筐体に取り付けられた粉末伝送ノズルを含む粉末伝送システムを更に含む。

上記の及び他の特徴及び利点は、図面と共に以下の詳細な説明を読むことによってより良く理解されるものである。

本開示の実施形態に係るワークピースの三次元表面上でコリメートされたレーザービームをディザリングするレーザー処理システム及び方法の概略斜視図である。図１Ａに示されるワークピース上のレーザービームスポットの概略平面図である。一貫したＺ軸パワー密度で図１Ａに示されるワークピースを横切るコリメートされたレーザービームの概略側面図である。本開示の実施形態に係るワークピースの調整された運動を提供しながらワークピース上のレーザービームスポットをディザリングすることによって形成されるレーザー処理パターンの例を示す。本開示の実施形態に係るワークピースの調整された運動を提供しながらワークピース上のレーザービームスポットをディザリングすることによって形成されるレーザー処理パターンの例を示す。本開示の実施形態に係るワークピースの調整された運動を提供しながらワークピース上のレーザービームスポットをディザリングすることによって形成されるレーザー処理パターンの例を示す。本開示の実施形態に係るワークピースの調整された運動を提供しながらワークピース上のレーザービームスポットをディザリングすることによって形成されるレーザー処理パターンの例を示す。本開示の一部実施形態に係る光学系を移動させることによってディザリング可能なコリメートされたレーザービームを提供するためのビーム伝送システムを含むレーザー処理システムの概略斜視図である。本開示の他の実施形態に係るファイバーレーザー出力を移動させることによってディザリング可能なコリメートされたレーザービームを提供するためのビーム伝送システムを含むレーザー処理システムの概略斜視図である。ディザリング可能なコリメートされたレーザービームを提供するためのビーム伝送システムの一実施形態の斜視図である。図４に示されるビーム伝送システムの側面図である。図４に示されるビーム伝送システムの側断面図である。本開示の実施形態に係るディザリング可能なコリメートされたレーザービームを提供するためのビーム伝送システムを含むレーザークラッディングシステムの概略側面図である。レーザークラッディングシステムで使用される集積レーザークラッディング光学ヘッドの一実施形態の斜視図である。図８に示される集積レーザークラッディング光学ヘッドの部分側断面図である。図９に示される集積レーザークラッディング光学ヘッドの集積光学ヘッドの底面図である。図９の線ＸＩ‐ＸＩに沿った集積レーザークラッディング光学ヘッドの断面図である。図９の線ＸＩＩ‐ＸＩＩに沿った集積レーザークラッディング光学ヘッドの断面図である。ワークピースホルダーと共に筐体内に取り付けられた図８〜図１２に示される集積レーザークラッディング光学ヘッドを含むレーザークラッディングシステムの一実施形態の斜視図である。

本願の実施形態に係るレーザー処理システム及び方法は、複数の処理位置における一貫したレーザービーム特性を維持しながら、レーザービームを移動させることができる。レーザー処理システムは、レーザービームの長さの少なくとも一部に沿って一貫したＺ軸パワー密度を有するコリメートされたレーザービームを発生させ、Ｘ軸及びＹ軸の一方に沿ってコリメートされたレーザービームをディザリングする。コリメートされたレーザービームのディザリングは、三次元表面上における一貫したレーザー処理を促進して、例えば、レーザークラッディングプロセスにおけるコーティングの一貫した堆積を提供する。レーザー処理システムは、コリメートされるレーザーのコリメーション及びディザリングの両方を提供し、更にはコリメートされたビームのビーム直径の調整を提供するビーム伝送システムを含み得る。

本願の実施形態に係るレーザー処理システム及び方法は、多様な応用及び多様な三次元表面に使用可能である。レーザー処理応用の例として、レーザークラッディング、溶接、クリーニング、物質除去、表面硬化、機械加工（例えば、スクライビング、切断、整形）が挙げられる。処理可能な三次元表面を有するワークピースの例として、タービンブレード、弁座、パイプが挙げられるがこれらに限定されるものではない。

本願において、“コリメートされたレーザービーム”とは、ビーム半径が適度な伝播距離内において顕著に変化しないような比較的低いビーム発散を有するレーザービーム（例えば、発散１ｍｒａｄ以下の直径１０ｍｍのビーム）のことを称する。“コリメートされたレーザービーム”は、発散がゼロの厳密な又は完全なコリメーションを要するものではない。本願において、“一貫したＺ軸パワー密度”は、３００ｍｍの動作範囲内においてレーザービームのＺ軸に沿って±６％よりも大きく変化しないレーザービームの面積当たりのパワーを意味する。“一貫したＺ軸パワー密度”は、ビームのＺ軸に沿って厳密に同じパワー密度を要するものではない。本願において、“ワークピース”とは、レーザービームによって処理される一以上の物体のことを称し、互いに処理される複数の物体（例えば、互いに溶接されるもの）を含み得る。本願において、“三次元表面”とは、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に沿って平坦ではない表面のことを称する。本願において、“ディザリング”とは、ビームをワークピースに対して実質的に垂直にしたままで、一つの軸に沿って比較的短距離（例えば、±１０ｍｍ以下）でレーザービームを前後に移動させることを称する。

図１Ａ〜図１Ｃを参照すると、本願の実施形態に係るレーザー処理方法及びシステム１００は、コリメートされたレーザービーム１１０を用いて、例えば三次元表面１０４を有するワークピース１０２を処理する。レーザー処理システム１００は一般的に、レーザー出力を発生させるレーザーシステム１２０と、レーザーシステム１２０からのレーザー出力をコリメートして、コリメートされたレーザービーム１１０をワークピース１０２に伝送するレーザー伝送システム１３０とを含む。また、レーザー処理システム１００は、ワークピースをホールド又は支持して、レーザー処理中にワークピース１０２を移動させることができるワークピースホルダー１４０も含み得る。ワークピースホルダー１４０は、複数の異なる方向にワークピース１０２を移動させることができるリニア及び／又は回転ステージを含み得る。

コリメートされたレーザービーム１１０は、ワークピース１０２の表面１０４に向けられて、図１Ｂに示されるように表面１０４上にビームスポット１１２を形成する。ビームスポット１１２におけるレーザービーム１１０からのエネルギーを用いて、ワークピース１０２の表面１０４を処理し、例えば、クラッディング物質を接着させる、溶接を行う、又は物質を除去するのに十分なようにワークピースを加熱することによって処理する。一例では、コリメートされたレーザービーム１１０は、ガウス型ビームプロファイルを有する。レーザー波長、ビームパワー、ビームパワー密度、及びビームプロファイルは多様なものであり得て、一般的には、応用、ワークピースの物質、及び／又はレーザー処理で用いられる他の物質に依存している。

コリメートされたレーザービーム１１０は、異なる処理位置、例えば、レーザービームスポット１１２が接触する三次元表面１０４の異なる位置における一貫したレーザービーム特性を維持する一貫したＺ軸パワー密度を提供する。例えば、図１Ｃに示されるように、或る一つの処理位置におけるビームスポット１１２でのコリメートされたレーザービーム１１０は、他の処理位置におけるビームスポット１１２ａでのコリメートされたレーザービーム１１０ａと実質的に同じワークピース１０２の表面１０４上のパワー密度を提供する。ビーム直径２ｍｍ及びパワー６ｋＷの一例では、パワー密度は略１９１ｋＷ／ｃｍ^２となる。この例では、ビームスポット１１２の処理位置及びビームスポット１１２ａの処理位置におけるコリメートされたレーザービーム１１０、１１０ａのパワー密度はどちらも略１９１ｋＷ／ｃｍ^２となる。従って、コリメートされたレーザービーム１１０は、比較的大きな動作距離にわたって一貫したＺ軸パワー密度を提供することによって、ビームのＺ軸に沿って顕著に変化するパワー密度を有する集束ビームを用いるレーザー処理システムに対する利点を与え得る。

レーザーシステム１２０は、所望のレーザー処理を与えるように適切な波長及びパワーのレーザーを含み得る。特に、レーザーシステム１２０は、比較的高いパワーのレーザービームを発生させることができるファイバーレーザーを含み得る。レーザークラッディングシステムの一例では、レーザーシステム１２０は、波長１．０７μｍで、５００Ｗから５０ｋＷの範囲内の出力パワーを有するレーザービームを発生させることができるイッテルビウムファイバーレーザーシステムを含み、例えば、ＩＰＧフォトニクス社製のＹＬＳ‐３０００ＣＴが挙げられる。大抵の応用では、レーザーシステム１２０は連続波（ＣＷ，ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｗａｖｅ）レーザー出力を提供するが、一部のレーザー処理応用、例えば、テクスチャー化表面を提供するための応用では、変調レーザー又はパルスレーザーを用い得る。

コリメートされたレーザービーム１１０は、矢印で示されるように、Ｘ軸又はＹ軸に沿ってディザリングされ、多重方向、多重軸のレーザー処理を促進し得る。例えば、レーザークラッディング応用では、ワークピースにクラッディング粉末を適用するのに先立って、ディザリングを用いて、ワークピース１０４の広範な領域に所望の温度プロファイルを提供し得る。また、コリメートされたレーザービーム１１０のディザリングを用いて、連続的で多重方向のクラッディングプロセスを可能にすることもできる。レーザー溶接応用では、ディザリングを用いて、ビーム直径よりも広い領域にわたる溶接を促進し得る。ディザリングの方向、速度及び広がりは、応用、及び／又はワークピース１０２の表面１０４の形状に依存して異なり得る。一例では、ディザリングは、１０Ｈｚから１００Ｈｚの比較的高速応答時間で、±１０ｍｍの範囲で提供され得る。以下で詳述するように、ビーム伝送システム１３０は、コリメートされたレーザービーム１１０をディザリングするための多様なタイプの機構を含み得る。

コリメートされたレーザービーム１１０の直径（つまりは、ビームスポット１１２の直径）は、異なる処理応用、異なるワークピース、又は単一のワークピースの異なる領域に対しても変更され得る。例えば、図１Ｂに示されるように、コリメートされたビーム１１０の直径は、より大きな直径のビームスポット１１２ｂを提供するように増大され得る。一例では、直径は、略２ｍｍから１０ｍｍの範囲内で変更され得る。以下で詳述するように、ビーム伝送システム１３０は、コリメートされたレーザービーム１１０の直径を変化させることができるコリメート用光学系も含み得る。

ワークピースホルダー１４０は、Ｘ軸、Ｙ軸及び／又はＺ軸に沿ってワークピース１０２を移動させること、及び／又は、これらの軸の一つの周りでワークピース１０２を回転させることもできる。レーザー処理システム１００は、コリメートされたレーザービーム１１０のディザリング、及び／又は、ワークピース１０２の移動を制御する運動制御システム１５０を更に含む。運動制御システム１５０は、リニア及び／又は回転ステージを制御するのに用いられる任意のタイプのプログラム可能運動制御システム（例えば、プログラムされたコンピューター）を含み得る。コリメートされたレーザービーム１１０のディザリング及びワークピース１０２の移動は、ワークピース１０２の表面１０４上に多様なレーザー処理パターン（つまり、直線以外のもの）を生成するように運動制御システム１５０によって調整され得る。

ワークピース１０２の調整された移動と共にコリメートされたレーザービーム１１０をディザリングすることによって生成可能なパターンの例が図２Ａ〜図２Ｄに示されている。図２Ａに示されるように、ワークピースを矢印１０６の方向に移動させながら、ビームスポット１１２を矢印１０８の方向に移動させるようにレーザービームをディザリングすると、蛇行パターンが形成される。このタイプのパターンは溶接応用で用いられ得て、例えば、互いに溶接される二つの物体の間のギャップを架橋する（例えば、厚い板が突合せ溶接される）。つまり、ディザリングは、ビームスポット１１２がギャップを横切るようにして、ベース物質を溶接部に入れる。図２Ｂは、この蛇行パターンの他のバリエーションを示し、ワークピースが矢印１０６の方向に移動するにつれて、矢印１０８の方向におけるディザの広がりが徐々に大きくなっている。ディザの広がりを別の方法に変更して、このパターンの他のバリエーションを生成することもできる。

図２Ｃに示されるように、矢印１０６、１０７の方向にワークピースを移動させながら、矢印１０８又は矢印１０９の方向にビームスポット１１２を移動させるようにレーザービームをディザリングすると、螺旋又は渦パターンが形成される。このタイプのパターンはレーザークラッディング応用において使用され得て、例えば、ワークピースの中心から開始して外側に向けてコーティングを堆積させる。つまり、このタイプのパターンを用いると、システムを停止させて戻さなければならない一方向のみでの従来のラスタパターンの代わりに、比較的連続的な運動で多重方向にコーティングを堆積させることができる。図２Ｄは、ワークピースを矢印１０６、１０７の方向に移動させながら、矢印１０８又は矢印１０９の方向にビームをディザリングすることによって形成される一組の円のパターンという他のバリエーションを示す。従って、コリメートされたレーザービームのディザリングは、三次元表面を含む多様なタイプの表面に対するクラッディングコーティングを動的に提供するパターンを可能にする。

図３Ａ及び図３Ｂは、調整可能なコリメートされたレーザービーム３１０をディザリングするための異なる機構を備えたレーザー処理システム３００、３００’の異なる実施形態を示す。両方のレーザー処理システム３００、３００’において、ビーム伝送システム３３０は、コリメート用レンズ３３２、３３４、３３６を含む。一対の調整可能なレンズ３３２、３３４（例えば、望遠鏡配置で用いられる）が、レンズ３３２、３３４の一方又は両方を移動させることによって直径調整可能なコリメートされたビーム３１０を与える。最後のコリメート用レンズ３３６は固定されて、コリメートされたレーザービーム３１０の最終的なコリメーションを与える。一例では、第一のコリメート用レンズ３３２は略８ｍｍの範囲で調整可能であり、第二のコリメート用レンズ３３４は略４０ｍｍの範囲で調整可能であり、略２ｍｍから１０ｍｍの範囲のビーム直径の調整性を与える。一例では、第一のコリメート用レンズ３３２は凸レンズであり、第二のコリメート用レンズ３３４は凹レンズであり得る。レーザービームをコリメートさせることができる他のレンズタイプも使用可能である。

図３Ａに示される一実施形態では、調整可能なコリメートされたレーザービーム３１０は、ファイバーレーザー出力を移動させずに、ビーム伝送システム３３０の光学系を移動させることによって、ディザリングされる。この実施形態では、コリメート用レンズ３３２、３３４、３３６を支持する支持構造３３１を移動させることによって、ビーム伝送システム３３０の光学系を移動させる。特に、支持構造３３１は、光学系Ｘ‐Ｙステージ３６０に取り付けられ、その光学系Ｘ‐Ｙステージ３６０は、Ｘ軸及びＹ軸に沿った直線移動を与えることによって、Ｘ軸及びＹ軸に沿ったコリメート用レンズ３３２、３３４、３３６の直線移動を生じさせる。

ファイバーレーザー終端ブロック３２４は、終端ブロックコネクター３２６によってビーム伝送システム３３０に光学的に結合され、また、ファイバーレーザー出力を移動させずにコリメート用レンズ３３２、３３４、３３６を移動させるように固定される。ファイバーレーザー出力に対して相対的にＸ軸又はＹ軸のいずれかに沿った方向にコリメート用レンズ３３２、３３４、３３６を移動させることで、ビーム伝送システム３３０から出力されたコリメートされたレーザービーム３１０をＸ軸又はＹ軸に沿った逆方向に光学的に移動させる。光学系Ｘ‐Ｙステージ３６０は、例えばコリメートされたレーザービーム３１０を±１０ｍｍの範囲内で移動させるのに十分な範囲内で、コリメート用レンズ３３２、３３４、３３６を移動させる。ファイバーレーザー出力を含むヘッド全体を移動させずに、光学系のみを移動させることによって、コリメートされたレーザービーム３１０を比較的高速応答時間でディザリングし得る。

図３Ｂに示される他の実施形態では、光学系を移動させずに、ファイバーレーザー出力を直接移動させることによって、調整可能なコリメートされたレーザービーム３１０をディザリングする。ファイバーレーザーを終端させる終端ブロック３２４を移動させることによって、又は終端ブロック３２４をビーム伝送システム３３０に接続する終端ブロックコネクター３２６を移動させることによって、ファイバーレーザー出力を直接移動させ得る。この実施形態では、ファイバーレーザー出力Ｘ‐Ｙステージ３２８は、終端ブロック３２４又は終端ブロックコネクター３２６のいずれかに結合されて、終端ブロック３２４からのファイバーレーザー出力のディザリングを生じさせる移動を与える。一例では、終端ブロック３２４は石英ブロックであり、終端ブロックコネクター３２６は石英ブロックホルダー（ＱＢＨ，ｑｕａｒｔｚｂｌｏｃｋｈｏｌｄｅｒ）コネクターである。一例では、ファイバーレーザー出力Ｘ‐Ｙステージ３２８は一つ以上の圧電（ＰＺＴ）モーター又はアクチュエーターを含む。終端ブロック３２４又は終端ブロックコネクター３２６を移動させて、ファイバーレーザー出力を直接移動させることは、更なる高速応答時間を提供し得る。

上述のように光学系のみを移動させること又はファイバーレーザー出力のみを移動させることによってコリメートされたレーザービーム３１０をディザリングすることは、処理中のビームのコリメーションを維持するのにも役立つ。従って、レーザービームが処理中にディザリングされる際に、コリメートされたレーザービーム３１０の一貫したＺ軸パワー密度を維持することができる。図示された実施形態はＸ軸又はＹ軸のいずれかにおけるディザリングを可能にするものであるが、他の実施形態では、単一軸における直線移動を提供するステージを使用し得る。

いずれの実施形態においても、コリメートされたレーザービーム３１０のディザリングは、ワークピース３０２の移動に合わせて調整され得る。図３Ａに示されるシステムでは、運動制御システム３５０は、ステージ３４０、３６０の移動を制御して、ワークピース３０２の移動と共にコリメートされたレーザービーム３１０のディザリングを調整するためにワークピースホルダーＸ‐Ｙステージ３４０及び光学系Ｘ‐Ｙステージ３６０の両方に結合される。図３Ｂに示されるシステムでは、運動制御システム３５０は、ステージ３３８、３４０の移動を制御して、ワークピース３０２の移動と共にコリメートされたレーザービーム３１０のディザリングを調整するためにファイバーレーザー出力Ｘ‐Ｙステージ３３８及びワークピースホルダーＸ‐Ｙステージ３４０の両方に結合される。

図４〜図６を参照して、可動光学系を備えるビーム伝送システム４３０の一実施形態を詳述する。ビーム伝送システム４３０は、コリメート用レンズ４３２、４３４、４３６を支持する支持構造４３１を含む。コリメート用レンズ４３２、４３４、４３６はフレーム内に固定され、支持構造体４３１によって支持されて、レーザービームが第一のコリメート用レンズ４３２から最後のコリメート用レンズ４３６まで通過することができるように、コリメート用レンズ４３２、４３４、４３６が整列される。この実施形態で図示されるように、第一及び第二の調整可能なレンズ４３２、４３４は、レーザーエネルギーの結果としてのひび割れを防止するように水冷式レンズを含み得る。

支持構造４３１は、上述のようなＸ‐Ｙ方向の移動用のＸ‐Ｙリニアステージ４６０上に支持される。Ｘ‐Ｙリニアステージ４６０は、Ｘ軸に沿った直線運動を提供するための第一方向リニアアクチュエーター４６２と、Ｙ軸に沿った直線運動を提供するための第二方向リニアアクチュエーター４６４とを含む。図示される実施形態では、リニアアクチュエーター４６２、４６４は、モーター駆動の送りネジ上に乗ったキャリッジを含む。他の実施形態では、リニアアクチュエーターは、所望の応答時間で直線運動を提供することができる任意のアクチュエーターを含み得て、リニアモーターや圧電（ＰＺＴ）モーターが挙げられるが、これらに限られない。

調整可能なコリメート用レンズ４３２、４３４はそれぞれＺ軸に沿った移動のためのキャリッジ４３３、４３５に取り付けられる。Ｚ軸キャリッジ４３３、４３５は、支持構造４３１によってスライド可能に支持されて、支持構造４３１に取り付けられたリニアアクチュエーター４３７、４３９によってそれぞれ移動させられる（図６を参照）。図示される実施形態では、リニアアクチュエーター４３７、４３９はモーター駆動の送りねじを含む。他の実施形態では、他のタイプのリニアアクチュエーターが用いられ得る。

図７を参照すると、本開示の実施形態に係るレーザークラッディングシステム７００が示されている。レーザークラッディングシステム７００は、例えば上述のようなビーム伝送システム７３０を収容する光学筐体７８０に取り付けられたクラッディング物質伝送システム７７０を含む。ファイバーレーザーの出力ファイバー７２２は、終端ブロックコネクター７２６で光学筐体７８０に結合されて、ファイバーレーザー出力（つまり、ファイバー終端ブロック７２４）が、光学筐体７８０内でビーム伝送システム７３０に対して整列されて且つ光学的に結合される。

この実施形態では、クラッディング物質伝送システム７７０は、例えば参照として本願に組み込まれる特許文献１及び特許文献２に記載されているように、クラッディング粉末物質を高速ガスと共にワークピースに伝送するためのノズル７７２を含む。クラッディング物質伝送システム７７０は、クラッディング粉末物質を供給するための粉末伝送ライン７７４と、ガスを供給するためのガス伝送ライン７７６とに結合される。他の実施形態では、クラッディング物質伝送システムは、ワイヤ等の他の形態のクラッディング物質を伝送するように構成され得る。

光学筐体７８０は、上述のようにＸ軸又はＹ軸に沿ってビーム伝送システム７３０を移動させるための光学系Ｘ‐Ｙステージ７６０も収容する。代わりに、筐体７８０は、ファイバー終端ブロックコネクター７２６又はファイバー終端ブロック７２４のいずれかを移動させるためのファイバーレーザー出力Ｘ‐Ｙステージ７２８を収容し得る。運動制御システム７５０は、光学系Ｘ‐Ｙステージ７６０又はファイバーレーザー出力Ｘ‐Ｙステージ７２８の運動を制御して、上述のように、コリメートされたレーザービーム７１０のディザリングに合わせてワークピース７０２の移動を制御し得る。

動作時には、ビーム伝送システム７３０は、粉末物質の前にワークピース７０２にコリメートされたレーザービーム７１０を向けて、ワークピース７０２上の所望の温度プロファイルを提供するようにディザリングされ得る。また、コリメートされたレーザービーム７１０は、ワークピース７０２の運動に合わせてワークピース７０２上でディザリングされて、例えば三次元表面上でのクラッディングを促進する多様なパターンでコーティングを堆積させ得る。

図８〜図１２を参照して、集積レーザークラッディング光学ヘッド８００の一実施形態を詳述する。集積レーザークラッディング光学ヘッド８００は、ビーム伝送システム８３０を収容する光学筐体８８０にブラケット８７１で取り付けられたクラッディング粉末伝送システム８７０を含む（図１１を参照）。この実施形態では、ビーム伝送システム８３０は、図４〜図６に示して上述したようなコリメートされたレーザービームをディザリングするための可動光学系を含む。石英ブロックホルダー（ＱＢＨ）コネクター８２６が光学筐体８８０に接続されて、石英ブロック８２４がビーム伝送システム８３０に対して整列されて光学的に結合される（図１１を参照）。犠牲窓８８２が光学筐体８８０の反対端に位置して、コリメートされたレーザービームをワークピースへと光学筐体８８０の外に向けることができる。

クラッディング粉末伝送システム８７０は、クラッディング粉末物質を、高速の加熱ガスと共に伝送するためのノズル８７２を含む。ノズル８７２の位置は、光学筐体８８０に対して固定されているが、ビーム伝送システム８３０によって提供されるコリメートされたレーザービームのディザリングが、ワークピースに当たる粉末に対して相対的にレーザービームを移動させることを可能にする。

この実施形態では、監視システム筐体８９０も光学筐体８８０に取り付けられる。監視システム筐体８９０は、クラッディング処理を監視するための監視システム、例えば、処理領域の温度を監視するためのパイロメーターを収容する。

図１３に示されるように、集積レーザークラッディング光学ヘッド８００は、筐体８９９内において、ワークピースを支持及び移動させるワークピースホルダー８４０に取り付けられ得る。図示される実施形態では、ワークピースホルダー８４０は、ワークピースを回転させること及びＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸に沿ってワークピースを移動させることができるロボットアームである。従って、集積レーザークラッディング光学ヘッド８００が固定されたままとなる一方で、ワークピースがワークピースホルダー８４０によって移動され、及び／又は、コリメートされたレーザービームが光学筐体８８０内でディザリングされる。

以上のように、本願の実施形態に係るレーザー処理システム及び方法は、複数の処理位置における一貫したレーザービーム特性を維持しながら、レーザービームをディザリングすることによって複雑な三次元表面を処理することができる。

本発明の原理について説明してきたが、この説明は例示のためだけのものであって、本発明の範囲を限定するものではないことを当業者は理解されたい。本願で示され説明された例示的な実施形態に加えて、他の実施形態も本発明の範囲内で想定される。当業者による修正及び置換は、特許請求の範囲以外によっては限定されることのない本発明の範囲内にある。

１００レーザー処理システム
１０２ワークピース
１０４三次元表面
１２０レーザーシステム
１３０ビーム伝送システム
１４０ワークピースホルダー
１５０運動制御システム

Claims

ワークピースをレーザー処理するための方法であって、
コリメートされたレーザービームの長さの少なくとも一部に沿って一貫したＺ軸パワー密度を有するコリメートされたレーザービームを発生させるステップと、
前記コリメートされたレーザービームをワークピースに向けて、前記ワークピース上にビームスポットを形成するステップと、
前記ワークピースを移動させながら前記ビームスポットが前記ワークピースの表面上の処理を促進するように、前記ワークピースを移動させるステップと、
前記ワークピースを移動させながら前記ビームスポットが前記ワークピース上でディザリングされるように、Ｘ軸及びＹ軸の一方に沿って前記コリメートされたレーザービームをディザリングするステップと、を備え、
前記コリメートされたレーザービームをディザリングするステップが、
ビーム伝送システムに光学的に結合されたファイバーレーザー出力を移動させずに、前記ビーム伝送システムの光学系を移動させることを含むか、又は、
ファイバーレーザー出力に光学的に結合されたビーム伝送システムの光学系を移動させずに、ファイバーレーザー出力を移動させることを含む、方法。
前記コリメートされたレーザービームを発生させるステップが、少なくとも二つのコリメート用レンズにレーザー出力を通すことを含む、請求項１に記載の方法。
前記コリメート用レンズのうち少なくとも一つが、前記ワークピース上のビームスポットの直径を変化させるようにＺ軸に沿って移動可能である、請求項２に記載の方法。
処理がクラッディング、溶接、又は表面クリーニングを含む、請求項１に記載の方法。
前記ワークピースが三次元表面を有し、前記コリメートされたレーザービームが、前記三次元表面上の異なる複数の処理位置において一貫したＺ軸パワー密度を提供する、請求項１に記載の方法。
前記ワークピースがタービンブレード、又は弁座である、請求項５に記載の方法。
前記ビームスポットが前記ワークピースの表面上の連続的なパターンで移動するように、前記コリメートされたレーザービームが前記ワークピースの移動に合わせてディザリングされる、請求項１に記載の方法。
前記パターンが蛇行パターン、又は螺旋パターンである、請求項７に記載の方法。
ファイバーレーザーシステムと、
前記ファイバーレーザーシステムのファイバーレーザー出力に光学的に結合されたビーム伝送システムであって、コリメートされたレーザービームを生成するための複数のコリメート用レンズを含み、前記コリメート用レンズのうち少なくとも一つが前記コリメートされたレーザービームの直径を変化させるようにＺ軸に沿って移動可能である、ビーム伝送システムと、
Ｘ軸及びＹ軸の一方に沿って前記コリメートされたレーザービームをディザリングするように前記コリメート用レンズに対して相対的に前記ファイバーレーザー出力を移動させるための手段と、
ワークピースを支持及び移動させるためのワークピースホルダーと、
前記ワークピースホルダーと、前記コリメート用レンズに対して相対的に前記ファイバーレーザー出力を移動させるための手段との運動を制御するための運動制御システムと、を備え、
前記コリメート用レンズに対して相対的に前記ファイバーレーザー出力を移動させるための手段が、
前記ファイバーレーザー出力を移動させずに、前記コリメート用レンズを移動させるための光学系Ｘ‐Ｙステージを含むか、又は、
前記コリメート用レンズを移動させずに、前記ファイバーレーザー出力を移動させるためのファイバーレーザー出力Ｘ‐Ｙステージを含む、レーザー処理システム。
筐体と、
前記筐体の一端において前記筐体にファイバーレーザー出力を接続するためのファイバーレーザーコネクターと、
前記筐体内に位置し、前記ファイバーレーザー出力に光学的に結合されたビーム伝送システムであって、
コリメートされたレーザービームを提供するための第一のコリメート用レンズ及び第二のコリメート用レンズであって、該第一のコリメート用レンズ及び該第二のコリメート用レンズのうち少なくとも一方が前記コリメートされたレーザービームの直径を変化させるようにＺ軸に沿って移動可能である、第一のコリメート用レンズ及び第二のコリメート用レンズ、及び、
前記コリメートされたレーザービームの最終的なコリメーションを提供するための最後のコリメート用レンズを備えたビーム伝送システムと、
前記筐体内に位置し、Ｘ軸及びＹ軸に沿った移動用に前記コリメート用レンズを支持する光学系Ｘ‐Ｙステージと、
支持構造と、
Ｚ軸に沿った移動用に前記支持構造にスライド可能に取り付けられた第一のレンズキャリッジ及び第二のレンズキャリッジと、を備え、
前記第一のコリメート用レンズが前記第一のレンズキャリッジに取り付けられ、前記第二のコリメート用レンズが前記第二のレンズキャリッジに取り付けられ、前記支持構造が前記光学系Ｘ‐Ｙステージに取り付けられている、光学ヘッド。
前記コリメートされたレーザービームが前記筐体の外に出るようにするために前記筐体の他端に位置する犠牲窓を更に備える請求項１０に記載の光学ヘッド。
前記第一のコリメート用レンズが凹レンズを含み、前記第二のコリメート用レンズが凸レンズを含む、請求項１０に記載の光学ヘッド。
ワークピース上にクラッディング層を堆積させるためのレーザークラッディング方法であって、
コリメートされたレーザービームの長さの少なくとも一部に沿って一貫したＺ軸パワー密度を有するコリメートされたレーザービームを発生させるステップと、
前記コリメートされたレーザービームをワークピースに向けて、前記ワークピース上にビームスポットを提供するステップと、
前記ビームスポットによって加熱された領域において、クラッディング物質が前記ワークピースの表面に当たるように、クラッディング物質を前記ワークピースに向けるステップと、
前記ワークピースを移動させながら前記クラッディング物質が前記ワークピースの表面上にクラッディング層を形成するように、前記ワークピースを移動させるステップと、
前記ワークピースを移動させながら前記ビームスポットが前記ワークピース上でディザリングされるように、Ｘ軸及びＹ軸の一方に沿って前記コリメートされたレーザービームをディザリングするステップと、を備え、
前記コリメートされたレーザービームをディザリングするステップが、
ビーム伝送システムに光学的に結合されたファイバーレーザー出力を移動させずに、前記ビーム伝送システムの光学系を移動させることを含むか、又は、
ファイバーレーザー出力に光学的に結合されたビーム伝送システムの光学系を移動させずに、前記ファイバーレーザー出力を移動させることを含む、レーザークラッディング方法。
前記ワークピースが三次元表面を有し、前記コリメートされたレーザービームが前記三次元表面上の異なる複数の処理位置において一貫したＺ軸パワー密度を提供する、請求項１３に記載のレーザークラッディング方法。
前記ワークピースがタービンブレードである、請求項１４に記載のレーザークラッディング方法。
前記コリメートされたレーザービームを発生させるステップが、少なくとも二つのコリメート用レンズにレーザー出力を通すことを含む、請求項１３に記載のレーザークラッディング方法。
前記コリメート用レンズのうち少なくとも一つが、前記ワークピース上の前記ビームスポットの直径を変化させるようにＺ軸に沿って移動可能である、請求項１６に記載のレーザークラッディング方法。
前記ビームスポットが前記ワークピースの表面上の連続的なパターンで移動するように、前記コリメートされたレーザービームが前記ワークピースの移動に合わせてディザリングされる、請求項１３に記載のレーザークラッディング方法。
前記パターンが蛇行パターンである、請求項１８に記載のレーザークラッディング方法。
前記クラッディング物質が、気流中に同伴された粉末である、請求項１３に記載のレーザークラッディング方法。
ファイバーレーザーシステムと、
前記ファイバーレーザーシステムのファイバーレーザー出力に光学的に結合されたビーム伝送システムであって、コリメートされたレーザービームを生成するための複数のコリメート用レンズを含み、前記コリメート用レンズのうち少なくとも一つが前記コリメートされたレーザービームの直径を変化させるようにＺ軸に沿って移動可能である、ビーム伝送システムと、
Ｘ軸及びＹ軸の一方に沿って前記コリメートされたレーザービームをディザリングするように前記コリメート用レンズに対して相対的に前記ファイバーレーザー出力を移動させるための手段と、
ワークピースを支持及び移動させるためのワークピースホルダーと、
前記ワークピースホルダーと、前記コリメート用レンズに対して相対的に前記ファイバーレーザー出力を移動させるための手段との運動を制御するための運動制御システムと、
前記コリメートされたレーザービームによって加熱された領域において、クラッディング粉末が前記ワークピースの表面に当たるように、クラッディング粉末を前記ワークピースに伝送するための粉末伝送システムと、を備え、
前記コリメート用レンズに対して相対的に前記ファイバーレーザー出力を移動させるための手段が、
前記ファイバーレーザー出力を移動させずに、前記コリメート用レンズを移動させるための光学系Ｘ‐Ｙステージを含むか、又は、
前記コリメート用レンズを移動させずに、前記ファイバーレーザー出力を移動させるためのファイバーレーザー出力Ｘ‐Ｙステージを含む、レーザークラッディングシステム。
前記ビーム伝送システムを収容する光学筐体を更に備え、前記粉末伝送システムが、集積レーザークラッディング光学ヘッドを形成するように前記光学筐体に取り付けられている、請求項２１に記載のレーザークラッディングシステム。
筐体と、
前記筐体の一端において前記筐体にファイバーレーザー出力を接続するためのファイバーレーザーコネクターと、
前記筐体内に位置し、前記ファイバーレーザー出力に光学的に結合されたビーム伝送システムであって、
コリメートされたレーザービームを提供するための第一のコリメート用レンズ及び第二のコリメート用レンズであって、該第一のコリメート用レンズ及び該第二のコリメート用レンズのうち少なくとも一方が前記コリメートされたレーザービームの直径を変化させるようにＺ軸に沿って移動可能である、第一のコリメート用レンズ及び第二のコリメート用レンズ、及び、
前記コリメートされたレーザービームの最終的なコリメーションを提供するための最後のコリメート用レンズを備えるビーム伝送システムと、
前記筐体内に位置し、Ｘ軸及びＹ軸に沿った移動用に前記コリメート用レンズを支持する光学系Ｘ‐Ｙステージと、
前記コリメートされたレーザービームによって加熱された領域において、クラッディング粉末がワークピースの表面に当たるように、クラッディング粉末を前記ワークピースに伝送するために前記筐体に取り付けられた粉末伝送ノズルを含む粉末伝送システムと、
支持構造と、
Ｚ軸に沿った移動用に前記支持構造にスライド可能に取り付けられた第一のレンズキャリッジ及び第二のレンズキャリッジと、を備え、
前記第一のコリメート用レンズが前記第一のレンズキャリッジに取り付けられ、前記第二のコリメート用レンズが前記第二のレンズキャリッジに取り付けられ、前記支持構造が前記光学系Ｘ‐Ｙステージに取り付けられている、集積レーザークラッディング光学ヘッド。
前記コリメートされたレーザービームが前記筐体の外に出るように前記筐体の他端に位置する犠牲窓を更に備える請求項２３に記載の集積レーザークラッディング光学ヘッド。