TWI599427B - 加熱產生均勻熔池之裝置 - Google Patents

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TWI599427B
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Description

加熱產生均勻熔池之裝置
本揭露係關於一種加熱產生均勻熔池之裝置，詳而言之，係將高斯光束轉換成減弱之高斯光束與環狀光束之組合的裝置。
習知之以高斯或平頂光束熔解固化材料之方式進行雷射送粉熔覆製程技術(可應用於3D列印)或焊接雖能快速有效熔解固化材料，但由於高斯光斑的中心點能量集中，會導致過高的溫度而使材料產生沸騰汽化，從而於汽化分子脫離表面時會造成反衝壓(recoil pressure)而推擠熔池，故常造成材料噴濺和表面凹陷的缺陷。並且，由於高斯光束之中心點能量較高，所形成的焊道會近似橢圓形，故雷射送粉熔覆製程熔解區或焊道重疊率相對較高，甚至高達50%，因此製程生成率相對偏低。
因此，如何設計一種加熱產生均勻熔池之裝置，特別是，可避免材料產生沸騰汽化，同時使焊道均勻並降低焊道或雷射送粉熔覆製程熔解區之重疊率，實為目前本技術領域人員急迫解決之技術問題。
本揭露係提出一種加熱產生均勻熔池之裝置，係包括：產生能量束之來源單元；位於該能量束之能量路徑中以調整該能量束之直徑的縮擴束單元；位於該能量路徑中的平頂錐狀透鏡組，且該縮擴束單元係位於產生該能量束之來源單元與該平頂錐狀透鏡組之間，而該平頂錐狀透鏡組至少包含二平頂錐狀透鏡；以及位於該能量束之能量路徑中的聚焦透鏡，且該平頂錐狀透鏡組係位於該縮擴束單元與該聚焦透鏡之間，而該聚焦透鏡將該能量束聚焦。
本揭露之加熱產生均勻溶池之裝置，其中，該二平頂錐狀透鏡係第一平頂錐狀透鏡及第二平頂錐狀透鏡，該第一平頂錐狀透鏡具有相對之第一頂面及第一底面，而該第一頂面與該第一底面之間以第一圓錐狀側面連接，且該第一圓錐狀側面與該第一底面之間具有第一夾角，並且，該第二平頂錐狀透鏡具有相對之第二頂面及第二底面，而該第二頂面與該第二底面之間以第二圓錐狀側面連接，且該第二圓錐狀側面與該第二底面之間具有第二夾角。
本揭露之加熱產生均勻溶池之裝置，其中，該第一頂面與該第二頂面係彼此面對設置，且該第一底面與該第二底面之間具有距離。
本揭露之加熱產生均勻溶池之裝置，其中，入射該平頂錐狀透鏡組之高斯光束圖案的直徑除以入射該平頂錐狀透鏡組之頂面的直徑的比值係介於1至10之間。
本揭露之加熱產生均勻溶池之裝置，其中，該二平頂 錐狀透鏡之間的距離係更介於40mm至85mm之間。
本揭露之加熱產生均勻溶池之裝置，其中，該第一頂面或該第二頂面之直徑係介於1mm至5mm。
本揭露之加熱產生均勻溶池之裝置，其中，該第一夾角或該第二夾角之角度係介於5度至40度。
本揭露之加熱產生均勻溶池之裝置，其中，該第一平頂錐狀透鏡之第一頂面、第一底面及第一夾角係與該第二平頂錐狀透鏡之第二頂面、第二底面及第二夾角相同或不同。
本揭露之加熱產生均勻溶池之裝置，其中，入射該平頂錐狀透鏡組之能量束的圖案係高斯光束圖案或多模態光束圖案。
本揭露之加熱產生均勻溶池之裝置，其中，入射該平頂錐狀透鏡組之高斯光束圖案的直徑係介於3mm至40mm。
本揭露之加熱產生均勻溶池之裝置，其中，出射該平頂錐狀透鏡組之能量束的圖案係強度減弱之高斯光束圖案與環狀圖案的結合。
本揭露之加熱產生均勻溶池之裝置，其中，該聚焦透鏡之直徑係大於入射該聚焦透鏡之環狀圖案之直徑。
本揭露之加熱產生均勻溶池之裝置，其中，該聚焦透鏡具有焦距，該聚焦透鏡將該能量束投射於材料中，且該材料表面離焦的距離係介於正負20mm。
本揭露之加熱產生均勻溶池之裝置，其中，該來源單 元產生之能量束形式為點狀來源或準直之光源。
本揭露之加熱產生均勻溶池之裝置，其中，該縮擴束單元係第一凸透鏡，或該第一凸透鏡與第二凸透鏡之組合，或者該第一凸透鏡、該第二凸透鏡與凹透鏡，又或者該第二凸透鏡與該凹透鏡之組合。
本揭露之加熱產生均勻溶池之裝置，更包括第三凸透鏡，係位於產生該能量束之來源單元與該縮擴束單元之間。
本揭露之加熱產生均勻熔池之裝置，其中，該能量束係高能量射線、可見光、不可見光、微波或其組合之能量束。
本揭露之加熱產生均勻熔池之裝置，其中，該來源單元產生之能量束係雷射、點光源或雷射經光纖單元出射之光源。
本揭露之加熱產生均勻熔池之裝置，其中，該二平頂錐狀透鏡間之距離可調整。
本揭露之加熱產生均勻熔池之裝置，其中，改變該入射平頂錐狀透鏡組之高斯光束圖案的直徑、入射該平頂錐狀透鏡組之高斯光束圖案的直徑對比入射該平頂錐狀透鏡組之頂面直徑的比例、該二平頂錐狀透鏡之間的距離、該材料離該聚焦透鏡中心之距離或其組合，而得到所須要之輸出的環狀圖案能量對比總入射能量之比例、入射該材料表面之高斯光束圖案的直徑、入射該材料表面之環狀圖案的直徑、入射該材料表面之環狀圖案的環狀寬度或其組合。
本揭露係提出另一種加熱產生均勻熔池之裝置，係包 括：位於外加之能量束之能量路徑中的縮擴束單元，以調整該外加之能量束的直徑；位於該能量路徑中的平頂錐狀透鏡組，且該縮擴束單元係位於該外加之能量束的來源與該平頂錐狀透鏡組之間，而該平頂錐狀透鏡組至少包含二平頂錐狀透鏡；以及位於該外加之能量束之能量路徑中的聚焦透鏡，且該平頂錐狀透鏡組係位於該縮擴束單元與該聚焦透鏡之間，而該聚焦透鏡將該能量束聚焦。
本揭露係提出又一種加熱產生均勻熔池之裝置，係包括：位於外加之能量束之能量路徑中的縮擴束單元，以調整該外加之能量束的直徑；位於該能量路徑中的平頂錐狀透鏡組，且該縮擴束單元係位於該外加之能量束的來源與該平頂錐狀透鏡組之間，而該平頂錐狀透鏡組至少包含二平頂錐狀透鏡；以及位於該外加之能量束之能量路徑中的聚焦透鏡，且該平頂錐狀透鏡組係位於該縮擴束單元與該聚焦透鏡之間，而該聚焦透鏡將該能量束聚焦；其中，該二平頂錐狀透鏡係分別為第一平頂錐狀透鏡及第二平頂錐狀透鏡，該第一平頂錐狀透鏡具有相對之第一頂面及第一底面，而該第一頂面與該第一底面之間以第一側面連接，並且，該第二平頂錐狀透鏡具有相對之第二頂面及第二底面，而該第二頂面與該第二底面之間以第二側面連接，且其中，該第一頂面與該第二頂面係彼此面對設置。
相較於習知技術，本揭露所提出之加熱產生均勻熔池之裝置可利用平頂錐狀透鏡組而將入射該平頂錐狀透鏡組之高斯光束圖案或多模態光束圖案轉化成強度減弱之高斯 光束圖案與環狀圖案的結合，從而避免材料熔化時過熱而產生氣化噴濺的問題，且能得到近似矩形之焊道且降低焊道重疊率。
1‧‧‧加熱產生均勻熔池之裝置
10‧‧‧縮擴束單元
101‧‧‧第一凸透鏡
102‧‧‧第二凸透鏡
103‧‧‧凹透鏡
11‧‧‧平頂錐狀透鏡組
111‧‧‧第一平頂錐狀透鏡
111a‧‧‧第一底面
111b‧‧‧第一頂面
111c‧‧‧第一側面
111d‧‧‧第一夾角
112‧‧‧第二平頂錐狀透鏡
112a‧‧‧第二底面
112b‧‧‧第二頂面
112c‧‧‧第二側面
112d‧‧‧第二夾角
12‧‧‧聚焦透鏡
13‧‧‧第三凸透鏡
2‧‧‧來源單元
20‧‧‧能量束
21‧‧‧高斯光束圖案
22‧‧‧圖案
221‧‧‧強度減弱之高斯光束圖案
222‧‧‧環狀圖案
3‧‧‧材料
D‧‧‧距離
第1A、1B、1C-1至1C-5及1D-1至1D-4圖係本揭露加熱產生均勻熔池之裝置的能量路徑圖；第2A-1、2B-1、2C-1及2D-1圖係本揭露加熱產生均勻熔池之裝置所輸出的光束圖案、能量分佈、焊道形狀和焊道重疊率的示意圖，且第2A-2、2B-2、2C-2及2D-2圖則係先前技術之加熱產生熔池之裝置所輸出的光束圖案、能量分佈、焊道形狀和焊道重疊率的示意圖；第3圖係以先前技術加熱產生熔池之裝置所輸出的光束圖案(高斯光束圖案)、先前技術加熱產生熔池之裝置所輸出的光束圖案(平頂光束圖案)及本揭露加熱產生均勻熔池之裝置所輸出的光束圖案之光強度分布圖；第4圖係由上至下分別為高斯光束圖案、平頂光束圖案及本揭露加熱產生均勻熔池之裝置所輸出的光束圖案對材料加熱的熱分布圖；第5A圖係本揭露加熱產生均勻熔池之裝置所輸出的環狀圖案能量對比總入射能量之比例與入射平頂錐狀透鏡組之高斯光束圖案的直徑對比入射平頂錐狀透鏡組之頂面直徑的比例之關係圖，且第5B圖係本揭露加熱產生均勻熔池之裝置所輸出的環狀圖案能量對比總入射能量之比例與入射平頂錐狀透鏡組之高斯光束圖案的直徑之關係圖； 第6圖係入射平頂錐狀透鏡組之高斯光束圖案的直徑不同之情況下，入射平頂錐狀透鏡組之高斯光束圖案的直徑對比入射平頂錐狀透鏡組之頂面直徑的比例與二平頂錐狀透鏡之間的距離的關係圖；第7A至7E圖係二平頂錐狀透鏡之間的距離不同的情況下，入射平頂錐狀透鏡組之高斯光束圖案的直徑對比入射平頂錐狀透鏡組之頂面直徑的比例分別為1.2、2.5、5、7.5及10時，不同比例造成入射材料表面之環狀圖案的直徑與材料離聚焦透鏡中心之距離(即離焦之距離)的關係變化圖；以及第8A-1至8A-3圖係不同材料離聚焦透鏡中心之距離(即離焦之距離)及入射平頂錐狀透鏡組之高斯光束圖案的直徑對比入射平頂錐狀透鏡組之頂面直徑的比例的情況下，入射材料表面之高斯光束圖案的直徑與二平頂錐狀透鏡之間的距離的關係圖，且第8B-1至8B-3圖係不同入射平頂錐狀透鏡組之高斯光束圖案的直徑對比入射平頂錐狀透鏡組之頂面直徑的比例之情況下，入射材料表面之環狀圖案的環狀寬度與二平頂錐狀透鏡之間的距離的關係圖。
以下藉由特定的具體實施形態說明本揭露之技術內容，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本揭露之優點與功效。然本揭露亦可藉由其他不同的具體實施形態加以施行或應用。
請參照第1A、1B、1C-1至1C-5及1D-1至1D-4圖， 係本揭露加熱產生均勻熔池之裝置1的能量路徑圖，其中，第1C-2至1C-5及1D-2至1D-4圖則為本揭露加熱產生均勻熔池之裝置的來源單元至入射平頂錐狀透鏡組之前的能量路徑放大說明圖。能量束可由來源單元2發出或由外部施加，且來源單元2處之能量束的圖案可為高斯光束圖案21或多模式光束圖案(未顯示)，接著能量束入射縮擴束單元10後再入射平頂錐狀透鏡組11，從而於出射平頂錐狀透鏡組11後產生強度減弱之高斯光束圖案221與環狀圖案222的結合之能量束的圖案22，隨後能量束又入射聚焦透鏡12而使能量束聚焦(以聚焦之圖案22的形式)，進一步而言，能量束可聚焦投射於材料3中，以在材料3中加熱產生均勻熔池。
如上所述之能量束可為高能量射線、可見光、不可見光、微波或其組合之能量束，且該能量束可為外加之能量束，特定而言，可為可見光或不可見光。而來源單元2產生之能量束形式可為點狀來源或準直之光源，特定而言，該能量束可為雷射、點光源或雷射經光纖單元出射之光源。
如上所述之縮擴束單元10與來源單元2產生之能量束形式之組合可具有多種組合，以將入射縮擴束單元10之高斯光束圖案21的直徑擴大輸出，特定而言，擴大輸出並入射至平頂錐狀透鏡組11之高斯光束圖案21的直徑可為3mm至40mm。而縮擴束單元10與來源單元2產生之能量束形式之組合可為：(1)來源單元2產生之能量束形式為點光源(一般點光源、超出準直距離之雷射或雷射經光纖單元 出射之光源)且縮擴束單元10為第一凸透鏡101、(2)來源單元2產生之能量束形式為點光源或準直光源且縮擴束單元10為第一凸透鏡101與第二凸透鏡102之組合、(3)來源單元2產生之能量束形式為準直之光源(例如雷射或點光源經透鏡轉成之平行光)且縮擴束單元10為第一凸透鏡101及第二凸透鏡102與凹透鏡103之組合、(4)來源單元2產生之能量束形式為點光源且縮擴束單元10為第一凸透鏡101與第二凸透鏡102之組合及於來源單元2與第一凸透鏡101之間更包括第三凸透鏡13、或者(5)來源單元2產生之能量束形式為點光源且縮擴束單元10為第一凸透鏡101和第二凸透鏡102與凹透鏡103之組合及於來源單元2與第一凸透鏡101之間更包括第三凸透鏡13，然而，本揭露可視光學設計需要而採取其它種類縮擴束單元10及配合之額外光學元件。
請參閱第1B圖，若來源單元2產生之能量束形式為點光源且縮擴束單元10為第一凸透鏡101的情況下，第一凸透鏡101可位於能量束之能量路徑中，以調整該能量束之直徑，且來源單元2產生之能量束可為一般點光源、超出準直距離之雷射或雷射經光纖單元出射之光源。
而如上所述之平頂錐狀透鏡組11可位於該能量路徑中，且第一凸透鏡101係位於該能量束之來源單元2與該平頂錐狀透鏡組11之間，而平頂錐狀透鏡組11至少包含二平頂錐狀透鏡(第一平頂錐狀透鏡111及第二平頂錐狀透鏡112)，以使入射平頂錐狀透鏡組11之具有高斯光束圖 案的能量束20的圖案於出射平頂錐狀透鏡組11時轉化成強度減弱之高斯光束圖案221與環狀圖案222的結合之能量束的圖案。本揭露之第一平頂錐狀透鏡111具有相對之第一頂面111b及第一底面111a，而第一頂面111b與第一底面111a之間以第一側面111c連接，且第一側面111c與第一底面111a之間具有第一夾角111d，並且，第二平頂錐狀透鏡112具有相對之第二頂面112b及第二底面112a，而第二頂面112b與第二底面112a之間以第二側面112c連接，且第二側面112c與第二底面112a之間具有第二夾角112d。另外，本揭露之第一平頂錐狀透鏡111及第二平頂錐狀透鏡112可具有多種設計的值或設置方式，舉例而言，第一頂面111b與第二頂面112b可彼此面對設置，且第一平頂錐狀透鏡111與第二平頂錐狀透鏡112之間具有距離，特定而言，第一底面111a與第二底面112a之間具有距離D，且距離D可調整，更特定而言，距離D之距離可介於40mm至85mm之間。且舉例而言，第一頂面111b或第二頂面112b之直徑可介於1mm至5mm之間。又舉例而言，第一夾角111d或第二夾角112d之角度可介於5度至40度之間。另舉例而言，第一平頂錐狀透鏡111之第一頂面111b、第一底面111a及第一夾角111d的值可與第二平頂錐狀透鏡112之第二頂面112b、第二底面112a及第二夾角112d相同或不同。
如上所述之聚焦透鏡12可位於能量束之能量路徑中，且平頂錐狀透鏡組11可位於第一凸透鏡101與聚焦透 鏡12之間，而聚焦透鏡12可將強度減弱之高斯光束圖案221與環狀圖案222的結合之能量束的圖案聚焦投射於材料3中，以在材料3中加熱產生均勻熔池，從而避免材料3熔化時過熱而產生氣化噴濺。另外，聚焦透鏡12之直徑可大於入射聚焦透鏡12之環狀圖案222之直徑，且材料3與聚焦透鏡12之間的距離亦可調整，即在聚焦透鏡12具有焦距的情況下，材料3表面離焦的距離可介於正負20mm之間。
請參閱第1C-1圖，若來源單元2產生之能量束形式為準直光源(例如在準直距離內之雷射)且縮擴束單元10為第一凸透鏡101與第二凸透鏡102所組成縮擴束單元10的情況下，第一凸透鏡101與第二凸透鏡102可位於能量束之能量路徑中，以調整該能量束之直徑。另外，可於第一凸透鏡101與第二凸透鏡102之間設置光圈(Aperture)，其位置可位於第一凸透鏡101與第二凸透鏡102之間的光線交會處(未圖示此情況)，以過濾能量束除高斯光束圖案以外之其它模態(mode)的圖案。
請參閱第1C-2及1C-5圖，若來源單元2產生之能量束形式為點光源(一般點光源、超出準直距離之雷射或雷射經光纖單元出射之光源)，則縮擴束單元10可為第一凸透鏡101與第二凸透鏡102之組合，或者第一凸透鏡101與凹透鏡103之組合，且加熱產生均勻熔池之裝置1更包括位於來源單元2與縮擴束單元10之間的第三凸透鏡13，以將點光源轉換成平行光而入射縮擴束單元10。請參閱第 1D-1圖，若來源單元2產生之能量束形式為準直之光源且縮擴束單元10為第一凸透鏡101、凹透鏡103與第二凸透鏡102所組成縮擴束單元10的情況下，第一凸透鏡101、凹透鏡103與第二凸透鏡102可位於能量束之能量路徑中，以調整該能量束之直徑。
請參閱第1D-2至1D-4圖，若來源單元2產生之能量束形式為點光源且縮擴束單元10為第一凸透鏡101、凹透鏡103與第二凸透鏡102所組成縮擴束單元10的情況下，加熱產生均勻熔池之裝置1更包括位於來源單元2與縮擴束單元10之間的第三凸透鏡13，以將點光源轉換成平行光而入射縮擴束單元10，且可調整凹透鏡103之位置以調整該能量束之不同出射直徑。
請參閱第2A-1、2B-1、2C-1及2D-1圖，其係本揭露加熱產生均勻熔池之裝置所輸出的光束圖案、能量分佈、焊道形狀和焊道重疊率的示意圖，而第2A-2、2B-2、2C-2及2D-2圖則係先前技術之加熱產生熔池之裝置所輸出的光束圖案、能量分佈、焊道形狀和焊道重疊率的示意圖。其中，如第2A-1及2B-1圖所示本揭露加熱產生均勻熔池之裝置所輸出的光束圖案及能量分佈為強度減弱之高斯光束圖案與環狀圖案的結合，所造成之焊道形狀(即熔化之材料的形狀)和焊道重疊率則如第2C-1及2D-1圖所示，形成的熔池深度相對較均勻，故形成的焊道也近似矩形，若以強度減弱之高斯光束圖案與環狀圖案的結合進行焊接時，可以因為焊道近似矩形而降低焊道重疊率，藉此提升製程 的生成率，或在雷射送粉批覆製程時，亦可達成同樣效果。然而，如第2A-2及2B-2圖所示以先前技術加熱產生熔池之裝置所輸出的光束圖案(高斯光束圖案)及能量分佈則會造成如第2C-2及2D-2圖所示的焊道及焊道重疊率，從而得到焊道近似橢圓形且造成雷射送粉熔覆製程的焊道重疊率相對較高而導致製程生成率相對偏低的缺點。
請參閱第3圖，其係以先前技術加熱產生熔池之裝置所輸出的光束圖案(高斯光束圖案)、先前技術加熱產生熔池之裝置所輸出的光束圖案(平頂光束圖案)及本揭露加熱產生均勻熔池之裝置所輸出的光束圖案之光強度分布圖，而第4圖則由上至下分別為高斯光束圖案、平頂光束圖案及本揭露加熱產生均勻熔池之裝置所輸出的光束圖案對材料加熱的熱分布圖。由第4圖可知，若材料為鐵(鐵的熔點為1538℃，沸點是2862℃)，則高斯光束圖案及平頂光束圖案所加熱之鐵皆會達到沸點(2862℃)，故會產生沸騰汽化之反衝壓所造成熔池材料噴濺和熔池凹陷的缺陷，反之，本揭露的加熱產生均勻熔池之裝置所輸出的光束圖案則僅到達熔點以上及沸點以下，故不會產生以上缺陷。
請參閱第5A圖，其係本揭露加熱產生均勻熔池之裝置所輸出的環狀圖案能量對比總入射能量之比例與入射平頂錐狀透鏡組之高斯光束圖案的直徑與入射平頂錐狀透鏡組之頂面直徑(入射平頂錐狀透鏡組之頂面直徑即入射平頂錐狀透鏡組之首面平頂錐狀透鏡的頂面直徑，該頂面可為第一頂面或第二頂面)的比例之關係圖。可注意的是，不 同入射平頂錐狀透鏡組之高斯光束圖案的直徑與入射平頂錐狀透鏡組之頂面直徑的比值可以改變光束穿透和折射的比例，從而得到不同所輸出的環狀圖案能量對比總入射能量之比例，而入射平頂錐狀透鏡組之高斯光束圖案的直徑與入射平頂錐狀透鏡組之頂面直徑的比值可介於1至10之間。更進一步而言，如第5B圖所示，不同直徑之雷射光束可以改變光束穿透和折射的比例，其中，穿透光束會形成強度減弱之高斯光束圖案，折射光束則形成環狀圖案，兩者的比例由平頂錐狀透鏡的頂面半徑r和底面半徑R之圓面積比決定，可表示如下(1)式。若入射平頂錐狀透鏡組之高斯光束圖案的直徑越大，環狀圖案所佔的總能量比值會增加，其中光束尺寸5-10mm範圍中的變化最大，超過10mm以上則變化趨緩，故在設計上可供縮擴束單元的光束放大倍率之參考。
(輸出的環狀圖案能量-強度減弱之高斯光束圖案能量)/總入射能量=(R2-r2)/R2 (1)
請參閱第6圖，其係入射平頂錐狀透鏡組之高斯光束圖案的直徑不同之情況下，入射平頂錐狀透鏡組之高斯光束圖案的直徑與入射平頂錐狀透鏡組之頂面直徑的比例與二平頂錐狀透鏡之間的距離的關係圖。值得注意的是，由於光束通過第一片平頂錐狀透鏡後，外圍折射光束的部分會有一折射角度，而第二片平頂錐狀透鏡和第一平頂錐狀透鏡的距離(即二平頂錐狀透鏡之間的距離)必需限制在一範圍內，因為若第二片平頂錐狀透鏡距離太近，折射光束 會有一部分進入平頂錐狀透鏡之平頂區域，使其產生的折射最後無法產生平行環形光束輸出而成為非預期折射光束；若第二片平頂錐狀透鏡距離太遠，折射光束會有一部分超出平頂錐狀透鏡之可接收範圍，以上兩種狀況都會造成能量損失，因此第二片平頂錐狀透鏡的位移有一範圍限制，即第6圖之陰影區域為距離之可操作範圍。而須注意的是，若平頂錐狀透鏡組之幾何尺寸改變，其範圍亦會隨著更改。
請參閱第7A至7E圖，其係二平頂錐狀透鏡之間的距離不同的情況下，入射平頂錐狀透鏡組之高斯光束圖案的直徑對比入射平頂錐狀透鏡組之頂面直徑的比例分別為1.2、2.5、5、7.5及10時，不同二平頂錐狀透鏡之間的距離造成入射材料表面之環狀圖案的直徑與材料離聚焦透鏡中心之距離(即離焦之距離)的關係變化圖。其中可見出射平頂錐狀透鏡組之環狀圖案的直徑與材料離聚焦透鏡中心之距離的關係大致呈V形分布，且可變化入射平頂錐狀透鏡組之高斯光束圖案的直徑、材料離聚焦透鏡中心之距離、入射平頂錐狀透鏡組之頂面直徑及/或二平頂錐狀透鏡之間的距離以得到所須要之入射材料表面之環狀圖案的直徑，從而進一步變化焊道之形狀及熱分佈等特性。
請參閱第8A-1至8A-3圖，其係不同材料離聚焦透鏡中心之距離(即離焦之距離)及入射平頂錐狀透鏡組之高斯光束圖案的直徑對比入射平頂錐狀透鏡組之頂面直徑的比例的情況下，在不同之材料離聚焦透鏡中心之距離的條件 下入射材料表面之高斯光束圖案的直徑與二平頂錐狀透鏡之間的距離的關係圖。可注意的是，改變二平頂錐狀透鏡之間的距離不會變化入射材料表面之高斯光束圖案的直徑。另外請參閱第8B-1至8B-3圖，其係不同入射平頂錐狀透鏡組之高斯光束圖案的直徑對比入射平頂錐狀透鏡組之頂面直徑的比例的情況下，入射材料表面之環狀圖案的環狀寬度與二平頂錐狀透鏡之間的距離的關係圖。可注意的是，入射材料表面之環狀圖案的環狀寬度隨入射平頂錐狀透鏡組之高斯光束圖案的直徑對比入射平頂錐狀透鏡組之頂面直徑的比例增加而增加，或者，入射材料表面之環狀圖案的環狀寬度隨二平頂錐狀透鏡之間的距離增加而減少，故可變化入射平頂錐狀透鏡組之高斯光束圖案的直徑對比入射平頂錐狀透鏡組之頂面直徑的比例或二平頂錐狀透鏡之間的距離而得到所須要之入射材料表面之環狀圖案的環狀寬度，從而進一步變化焊道之形狀及熱分佈等特性。
由上文之第5至8圖可知，可改變本揭露之加熱產生均勻溶池之裝置的入射平頂錐狀透鏡組之高斯光束圖案的直徑、入射平頂錐狀透鏡組之高斯光束圖案的直徑對比入射平頂錐狀透鏡組之頂面直徑的比例、二平頂錐狀透鏡之間的距離、材料離聚焦透鏡中心之距離或其組合而得到所須要之輸出的環狀圖案能量對比總入射能量之比例、入射材料表面之高斯光束圖案的直徑、入射材料表面之高斯光束圖案的直徑對比入射平頂錐狀透鏡組之頂面直徑的比例、入射材料表面之環狀圖案的直徑、入射材料表面之環 狀圖案的環狀寬度或其組合等特性。
綜上所述，本揭露藉由使用平頂錐狀透鏡組而將入射該平頂錐狀透鏡組之高斯光束圖案轉化成強度減弱之高斯光束圖案與環狀圖案的結合，從而能產生均勻熔池，並避免材料熔化時過熱而產生氣化噴濺的問題，且能得到近似矩形之焊道且降低焊道重疊率，藉此提升製程的生成率。
上述實施形態僅例示性說明本揭露之原理及其功效，而非用於限制本揭露。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本揭露之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。因此，本揭露之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
1‧‧‧加熱產生均勻熔池之裝置
10‧‧‧縮擴束單元
11‧‧‧平頂錐狀透鏡組
111‧‧‧第一平頂錐狀透鏡
111a‧‧‧第一底面
111b‧‧‧第一頂面
111c‧‧‧第一側面
111d‧‧‧第一夾角
112‧‧‧第二平頂錐狀透鏡
112a‧‧‧第二底面
112b‧‧‧第二頂面
112c‧‧‧第二側面
112d‧‧‧第二夾角
12‧‧‧聚焦透鏡
2‧‧‧來源單元
20‧‧‧能量束
21‧‧‧高斯光束圖案
22‧‧‧圖案
221‧‧‧強度減弱之高斯光束圖案
222‧‧‧環狀圖案
3‧‧‧材料
D‧‧‧距離

Claims (20)

  1. 一種加熱產生均勻熔池之裝置，係包括：來源單元，係產生能量束；縮擴束單元，係位於該能量束之能量路徑中，以調整該能量束之直徑；平頂錐狀透鏡組，係位於該能量路徑中，且該縮擴束單元係位於產生該能量束之來源單元與該平頂錐狀透鏡組之間，而該平頂錐狀透鏡組至少包含二平頂錐狀透鏡，其中，入射該平頂錐狀透鏡組之能量束的圖案係高斯光束圖案或多模態光束圖案，出射該平頂錐狀透鏡組之能量束的圖案係強度減弱之高斯光束圖案與環狀圖案的結合；以及聚焦透鏡，係位於該能量束之能量路徑中，且該平頂錐狀透鏡組係位於該縮擴束單元與該聚焦透鏡之間，而該聚焦透鏡將該能量束聚焦。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之加熱產生均勻熔池之裝置，其中，該二平頂錐狀透鏡係分別為第一平頂錐狀透鏡及第二平頂錐狀透鏡，該第一平頂錐狀透鏡具有相對之第一頂面及第一底面，而該第一頂面與該第一底面之間以第一側面連接，且該第一側面與該第一底面之間具有第一夾角，並且，該第二平頂錐狀透鏡具有相對之第二頂面及第二底面，而該第二頂面與該第二底面之間以第二側面連接，且該第二側面與該第二底面之間具有第二夾角。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之加熱產生均勻熔池之裝置，其中，該第一頂面與該第二頂面係彼此面對設置，且該第一底面與該第二底面之間具有距離。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之加熱產生均勻熔池之裝置，其中，該能量束包含高斯光束圖案，且入射該平頂錐狀透鏡組之高斯光束圖案的直徑除以該入射該平頂錐狀透鏡組之頂面的直徑的比值係介於1至10之間。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之加熱產生均勻熔池之裝置，其中，該第一頂面或該第二頂面之直徑係介於1mm至5mm。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之加熱產生均勻熔池之裝置，其中，該第一夾角或該第二夾角之角度係介於5度至40度。
  7. 如申請專利範圍第2項所述之加熱產生均勻熔池之裝置，其中，該第一平頂錐狀透鏡之第一頂面、第一底面及第一夾角係與該第二平頂錐狀透鏡之第二頂面、第二底面及第二夾角相同或不同。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之加熱產生均勻熔池之裝置，其中，該二平頂錐狀透鏡之間的距離係介於40mm至85mm之間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之加熱產生均勻熔池之裝置，其中，入射該平頂錐狀透鏡組之高斯光束圖案的直徑係介於3mm至40mm。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之加熱產生均勻熔池之裝 置，其中，該聚焦透鏡之直徑係大於入射該聚焦透鏡之環狀圖案之直徑。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之加熱產生均勻熔池之裝置，其中，該聚焦透鏡具有焦距，該聚焦透鏡將該能量束投射於材料中，且該材料表面離焦的距離係介於正負20mm。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之加熱產生均勻熔池之裝置，其中，該來源單元產生之能量束形式為點狀來源或準直之來源。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之加熱產生均勻熔池之裝置，其中，該縮擴束單元係第一凸透鏡，或該第一凸透鏡與第二凸透鏡之組合，或者該第一凸透鏡、該第二凸透鏡與凹透鏡，又或者該第二凸透鏡與該凹透鏡之組合。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之加熱產生均勻熔池之裝置，更包括第三凸透鏡，係位於產生該能量束之來源單元與該縮擴束單元之間。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之加熱產生均勻熔池之裝置，其中，該能量束係高能量射線、可見光、不可見光、微波或其組合之能量束。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之加熱產生均勻熔池之裝置，其中，該來源單元產生之能量束係雷射、點光源或雷射經光纖單元出射之光源。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之加熱產生均勻熔池之裝 置，其中，該二平頂錐狀透鏡間之距離可調整。
  18. 如申請專利範圍第2項所述之加熱產生均勻熔池之裝置，其中，入射該平頂錐狀透鏡組之能量束的圖案包含高斯光束圖案，出射該平頂錐狀透鏡組之能量束的圖案係強度減弱之高斯光束圖案與環狀圖案的結合，該二平頂錐狀透鏡之間具有距離，該聚焦透鏡將該能量束投射於材料中，且其中，改變入射該平頂錐狀透鏡組之高斯光束圖案的直徑、入射該平頂錐狀透鏡組之高斯光束圖案的直徑對比入射該平頂錐狀透鏡組之頂面直徑、該二平頂錐狀透鏡之間的距離、該材料離該聚焦透鏡中心之距離或其組合，而得到所須要之輸出的環狀圖案能量對比總入射能量之比例、入射該材料表面之高斯光束圖案的直徑、入射該材料表面之環狀圖案的直徑、入射該材料表面之環狀圖案的環狀寬度或其組合。
  19. 一種加熱產生均勻熔池之裝置，係包括：縮擴束單元，係位於外加之能量束之能量路徑中，以調整該外加之能量束的直徑；平頂錐狀透鏡組，係位於該能量路徑中，且該縮擴束單元係位於該外加之能量束的來源與該平頂錐狀透鏡組之間，而該平頂錐狀透鏡組至少包含二平頂錐狀透鏡，其中，入射該平頂錐狀透鏡組之能量束的圖案係高斯光束圖案或多模態光束圖案，出射該平頂錐狀透鏡組之能量束的圖案係強度減弱之高斯光束圖案 與環狀圖案的結合；以及聚焦透鏡，係位於該外加之能量束之能量路徑中，且該平頂錐狀透鏡組係位於該縮擴束單元與該聚焦透鏡之間。
  20. 一種加熱產生均勻熔池之裝置，係包括：縮擴束單元，係位於外加之能量束之能量路徑中，以調整該外加之能量束的直徑；平頂錐狀透鏡組，係位於該能量路徑中，且該縮擴束單元係位於該外加之能量束的來源與該平頂錐狀透鏡組之間，而該平頂錐狀透鏡組至少包含二平頂錐狀透鏡，其中，入射該平頂錐狀透鏡組之能量束的圖案係高斯光束圖案或多模態光束圖案，出射該平頂錐狀透鏡組之能量束的圖案係強度減弱之高斯光束圖案與環狀圖案的結合；以及聚焦透鏡，係位於該外加之能量束之能量路徑中，且該平頂錐狀透鏡組係位於該縮擴束單元與該聚焦透鏡之間；其中，該二平頂錐狀透鏡係分別為第一平頂錐狀透鏡及第二平頂錐狀透鏡，該第一平頂錐狀透鏡具有相對之第一頂面及第一底面，而該第一頂面與該第一底面之間以第一側面連接，並且，該第二平頂錐狀透鏡具有相對之第二頂面及第二底面，而該第二頂面與該第二底面之間以第二側面連接，且其中，該第一頂面與該第二頂面係彼此面對設置。
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