多光束光纤激光器系统的制作方法

多光束光纤激光器系统
1.本技术是申请日为2015年08月13日且题为“多光束光纤激光器系统”的国际申请pct/us2015/045037所对应的中国国家申请(申请号：201580043023.3，进入中国国家阶段日期：2017年02月10日)的分案申请。
技术领域
2.本公开涉及将来自多个光纤激光器设备的光耦合到单个光学部件中并且控制来自这种激光器设备的输出，使得不同的光纤激光器输出可以被向下游传输到工件或光学器件。


背景技术：

3.将多光束设备用于材料加工是相当普遍的。例如，传输单个激光输出的单个光纤可以与衍射光学元件光连通，该衍射光学元件可以提供针对多个光斑的非相干输出，如在http：//www.tailorweld.eu/overview/concept处所发现的。不幸的是，这种配置仅在应用要求工件上的每一个位置经受包括与另一个激光束相同的波长、功率和脉冲宽度的激光束时才起作用。所需要的是能够将多个光束传输到工件的激光器系统，其中多个光束关于它们的性质是不相干且不同的。
4.光纤激光器已经发展到在宽范围的功率、脉冲宽度和重复率(rep rate)方面存在多个可用波长。实际上，已经发展了利用多种可用激光的优势的许多应用。例如，在wo/2013/019204中，发明人考虑了多激光器系统以去除不锈钢的涂层，然后切割钢，所有都利用组合的光束。最终，发现单个激光器系统使得该多激光器系统不必要。然而，与其商业化有关的障碍是需要激光头中精密复杂的光学器件来传输所组合的加工光束。此外，由于激光器是分离的系统，因此发现使用cpu来控制系统不是足够动态的控制环境以改变激光器的加工参数以满足应用要求。
5.然而，组合多个激光器输出的概念得到了充分发展，包括将不同的激光器输出组合成单个光纤光缆。美国专利no.5,048,911提供使用反射镜来创建并行输出，然后并行输出被随后聚焦到将传输并行输出的单个光纤光缆中。然而，这样的系统要求多个光学器件，其引入复杂性，进一步增加它们的成本，更不用说进一步增加输出劣化的可能。
6.美国专利no.6,229,940要求使用多个耦合器和透镜来产生以级联方法组合的非相干激光输出。此外，其仅对单模光的限制并没有反映其中如果不期望则多模光是可接受的各种应用。
7.尽管现有技术提供对准的光纤光学结构，但是它们与工业环境的需要不一致，其中成本敏感性和对鲁棒性的需要使得这些现有技术解决方案不能维持的。实际上，us20040081396要求登记引导(registration guide)以将光纤和下游光学器件对准来使光束准直。
8.此外，虽然已经教导了光纤到光学器件的接合，但是它们与透镜组合以补偿准直效应，其中光学器件是透镜，或者其中光纤阵列及其相应的输出被组合，例如在美国专利
no.7,130,113中那样。
9.存在对通过低成本但鲁棒的光学器件配置的多光束激光器系统的需要，其可以以预定结构提供非相干激光束，其中可以控制输出的参数。


技术实现要素：

10.本发明提供了一种用于产生独立受控的多个非相干激光束输出的光纤激光器系统。在本发明的优选实施例中，用于多个光束输出的相应光纤被熔接到与加工光纤末端端面相邻的体光学器件。
11.本发明允许不同类型的激光器输出的组合以同时处理工件，所述变体包括光束特性，所述光束特性包括光斑形状、波长、波长带宽、脉冲或连续波或准连续波操作、脉冲宽度、峰值功率、平均功率、重复率和诸如光束质量或m2测量之类的光束参数；即单模、低模(小于20个高阶模)或更大的多模输出。
12.对于具体应用，本发明可以允许光纤的各种配置以提供由单个加工光缆传输的各种处理步骤，包括但不限于以下工业处理步骤中的一个或多个：预热、烧蚀、清洁、切割、焊接、钎焊、退火、受控冷却、平滑、抛光等。
13.对于单个加工应用，本发明可以提供一系列光纤光斑，所述一系列光纤光斑允许用于执行所述加工的速度和/或质量的增加。
14.由于附加模块和光纤的成本将是增量的，由此可见，当前的单个加工将增加精加工处理(fininshing process)以使后处理最小化。例如，在切割之后增加平滑或抛光步骤以消除碎屑和破裂。
15.本发明解决在对三维物体执行加工步骤时的特定需要，因为当横过非平坦表面时需要调整激光速度和功率设置以避免对输出的曝光不足或过度曝光，并且该系统将允许在激光器输出横过这种三维表面时动态控制每一个不同的激光器输出。
16.本发明提供了从具有多光纤激光束输出的激光器系统来接合工件的方法。特别地，本发明提供一种从具有多光纤激光束输出的激光器系统来焊接多个工件的方法。首先，必须提供包括至少两个光纤激光器模块的激光器系统，所述至少两个光纤激光器模块被配置为独立地操作并提供至少两个光纤激光器输出。因此，每一个光纤激光器输出可以是多光纤激光器的上游组合的结果。每一个光纤激光器输出被配置成传输足以有助于材料相互作用的图案的能量的量，每一个激光器输出的组合有助于形成具有足够强度的预定焊接。这种材料相互作用可以包括表面材料位移。“表面材料位移”可以包括清洁工件的表面，去除自然出现的氧化层，从工件的表面去除涂层或创建高深宽比结构。这种材料位移的目的是通过去除污染物或材料层来改善用于创建焊接的条件，所述污染物或材料层如果保持完好则减弱焊接。在其它情况下，高深宽比表面的创建促进配置成焊接工件的光纤激光器输出的吸收。本发明提供了优于现有技术的实质性益处，因为其允许表面材料位移和工件在单个工艺中的接合。
17.虽然设想本领域普通技术人员已知的所有方式的焊接可以通过本发明来解决，但是优选实施例将是在两个工件之间创建缝焊。
18.如本领域普通技术人员所知，可以通过使用线材来帮助创建缝焊以有助于填充缝隙。本发明设想与将工件暴露于光纤激光器输出相结合地以一定速度馈送线材，以创建足
够强度的预定焊接。
19.如本领域普通技术人员所知，可以通过将工件暴露于气体来帮助创建缝焊。这种暴露可以包括屏蔽。包括氩气在内的气体是本领域技术人员公知的。
20.虽然本发明的方法不限于任何特定的可焊接材料，但它提供了焊接迄今难以焊接的材料的能力。特别地，6000铝合金、诸如高强度钢和涂覆钢之类的合金钢极大地受益于本发明。关于非晶态钢、不锈钢和钛的其它焊接挑战可以用本发明的方法解决。
附图说明
21.在以下附图的帮助下，将更清楚本公开的上述和其他方面、特征和优点，附图中：
22.图1a是本发明的多光束激光器系统的局部截面图，其中体光学器件嵌入在加工光缆中。
23.图1b是本发明的多光束激光器系统的另一局部截面图，其中体光学器件嵌入在加工光缆中。
24.图2是图1a和图1b的系统的体光学器件和传输光纤的近视图和局部截面图。
25.图3是来自激光器模块的各个传输光纤的示例性横截面图。
26.图4是本发明的多光束激光器系统的局部截面图，其中体光学器件嵌入外壳内。
27.图5提供了用于本发明系统的模数控制示意图。
28.图6是聚焦在工件上的光学输出的光束结构的图像，其中根据图3中所发现的本发明实施例配置了光纤。
29.图7a至图7d提供了由使用本发明的三光斑激光器系统创建的钎焊样品与由单光斑激光器系统创建的两个不同钎焊样品的比较。
30.图8a和图8b提供了由本发明创建的两种不同的钎焊样品。
31.图9提供了在没有填充丝线的情况下创建的6000型铝合金的缝焊。
32.图10a和图10b提供了在具有丝线填料的情况下创建的6000型铝合金的缝焊。
具体实施方式
33.现在详细参考本发明的实施例。在有可能的情况下，附图和说明书中使用相同或相似的附图标记来表示相同或相似的部件或步骤。附图为简化形式，且不是按精确比例绘制的。仅为了方便和清楚的目的，可以相对于附图使用方向性(上/下等)或运动(前进/后退等)术语。术语“耦合”和类似术语不一定表示直接和立即连接，而是还包括通过中间元件或设备的连接。
34.图1a阐述了本发明的一个实施例，其中激光器系统10通过耦合到体光学器件的传输光纤29、30和32传输三个不同的输出。优选地，传输光纤29、30和32通过熔接到体光学件34而耦合到体光学件34。优选地，传输光纤和体光学器件34由相同的材料例如石英制成，使得它们具有相同的折射率。更优选地，体光学器件34和传输光纤中的每一个的折射率为1.45。
35.激光器系统10的外壳11包含激光器模块12、14、16、18、20、22和24。在本发明中，激光器模块12、14、16、18和20在传输光纤13中提供相同的输出，其输出在组合器21中组合。该组合器21在申请人拥有的国际专利申请no.pct/us2014/018688中更全面地描述，该申请通
过引用整体并入本文。组合器21具有与光纤耦合器28光连通的输出光纤26。
36.在该实施例中，激光器模块12、14、16、18和20提供1070nm的输出，因为它们的有源光纤是yb，但是设想了任何种类的波长，从而设想了er、th、ho、掺杂光纤或一些其组合，更不要说其中输出通过非线性光学晶体、拉曼光纤等频移的光纤激光器。
37.虽然在本发明中产生的光是多模的，因为这是应用所要求的内容，但是当特定应用需要时也可以提供单模光。
38.此外，激光器模块以连续波操作，但是脉冲激光器或准连续波激光器可以代替。
39.在cw和qcw操作中提供不同输出的激光器模块22和24通过它们相应的传输光纤30和32耦合到体光学器件34。虽然光纤30和32是多模的，但是本发明设想了使用可以耦合到体光学器件34的多模、单模或其混合。
40.图1b阐述了本发明的另一实施例，与图1a的不同之处在于光纤激光器模块22和24的相应输出使用耦合器27a和27b，类似于合成器21的输出耦合到耦合器28。这样的实施例提供了更容易维护的激光器系统。
41.图2提供了传输光纤29、30和32与体光学器件34的连接的分解图。在该实施例中，体光学器件34和传输光纤29、30和32被外覆盖件包围以形成加工光缆。相应的光纤耦合到体光学器件34。更优选地，相应光纤在表面36处与体光学件34熔接。
42.图3提供了邻近其在块体光学器件34上的熔接位置36的传输光纤29、30和32的横截面。如本领域普通技术人员可以理解的，三个光纤以预定的布置相对于彼此间隔开。在本发明的实施例中，距离d1在50和100微米之间，d2是590到600微米。传输光纤30和32具有50微米的芯径和200微米的外直径。光学传输光纤29的芯径为600微米。本发明不限于该实施例，因为其设想了使用芯径在250至600微米范围内的多模传输光纤。
43.本发明设想了至少两个光纤，其配置由体光学器件34的大小限制来限制。此外，由于现在以多种形状制造传输光纤，设想了可以使用不同形状的光纤以及不同直径的光纤。
44.此外，本发明设想了使用单模光纤以及本文提供的多模光纤及其混合物作为要耦合到体光学器件34中的光学传输光纤，其特性由特定应用确定。
45.虽然图3中未示出，本发明设想了使用对准设备以确保在加工光缆的容纳体光学器件34的末端处的连接器基于其在体光学器件34上的位置以预定顺序呈现激光束。例如，如果工件在暴露于来自光学传输光纤29的输出之前需要来自传输光纤30和32的输出，则当光学器件34固定到连接器时体光学器件将需要相应地对准。
46.图4呈现了激光器系统，其中体光学器件34被包含在外壳内，并且激光头40将多光束输出传输到工件。该图还提供包括相应的连接器部分36和38的连接器系统。本领域的普通技术人员将理解和知道，在光纤光学器件空间中可用的许多不同的连接器系统以及可以用于确保体光学器件34的取向的多种对准夹具以预定的配置将输出从传输光纤提供到激光头40。
47.图4还提供了包含体光学器件34和传输光纤的外壳31。
48.本发明的激光器模块可以优选地彼此独立地操作，但是仍然优选地经受统一的控制方案以允许对其输出的动态调整。图5提供了标准的控制格式，其中独立操作的激光器模块通过使用数模控制器被进一步控制。这将允许并行地控制独立操作的激光器模块。本领域普通技术人员将认识到，各种控制方案可以操作本发明的该优选实施例。
49.图6是图3中阐述的光纤配置的光输出在与工件碰撞时的光束结构的图像。很明显，光束是基本上不相干的；从而它们均基本上保持其输出特性，并且因此可以提供针对特定应用所设想的加工步骤。
50.可以组合的各个加工步骤可以包括预热、清洁、烧蚀、切割、钎焊、焊接、退火和平滑。
51.图7a至图7d提供了热浸镀层钢的钎焊的四个图像。图7a提供了图7d的较高正视图，其由本发明创建。具体地，光纤两个是100微米直径光纤的清洁光斑并且由具有0.85kw的平均功率的连续波激光器馈送，并且第三光纤是600微米直径的主光斑，并且由具有3.5kw的平均功率的连续波激光器馈送。图7b和图7c分别用具有3.5kw和4.3kw的主光斑功率的单光斑激光器系统创建。
52.图8a和图8b提供了由本发明的三光纤版本创建的不同的镀锌钢钎焊样品的两个图像，其中两个清洁光斑具有100微米直径，主光斑具有600微米直径。图8a提供了电镀锌镀锌钢钎焊样品。为了创建这种钎焊，将两个450w cw激光馈送到两个清洁光斑，并且将3.5kw cw激光馈送到主光斑。机器人速度为4.5米/分钟，并且钎焊材料1.6mm cusi3以相同的速度被馈送。
53.图9提供了包括不同厚度的不同铝合金的两个工件的缝焊。一个工件是1.2mm厚的almg 0，4 si 1，2，另一个是1.5mm厚的almg 5，3 mn。它们用三光斑配置焊接，所有光斑的直径为100微米。两个引线光纤均由300w cw激光馈送，并且拖尾光斑具有馈送它的3.6kw cw激光。机器人速度为3米/分钟，并且以8升/分钟提供氩气的保护气体。
54.图10a和图10b提供了用丝线填料创建的6000型铝合金工件的缝焊的两个图像。它们用三光斑配置焊接，所有光斑的直径为100微米。两个引线光纤均由450w cw激光馈送，并且拖尾光斑具有馈送它的3.6kw cw激光。填料丝线的馈送速度为3.5米/分钟，而机器人速度为4.4米/分钟，以10升/分钟提供氩气的保护气体。
55.本领域技术人员将认识到或能够使用不超过常规实验来确定本文所述的本发明的具体实施例的许多等同形式。所公开的原理图可以用于任何光成像系统，但是目前公开的结构的动力在于多光束光纤激光器系统。因此，应当理解的是前述实施例仅以示例的方式呈现，并且在所附权利要求及其等同形式的范围内，本发明可以以不同于具体描述的方式实施。本公开涉及本文所述的每一个单独的特征、系统、材料和/或方法。此外，如果这些特征、系统、材料和/或方法不相互矛盾，则两个或更多个这样的特征、系统、材料和/或方法的任何组合都被包括在本发明的范围内。

技术特征：
1.一种用于产生多个光纤激光束输出的多光束输出光纤激光器系统，所述多光束输出光纤激光器系统包括：多个光纤激光器模块，所述光纤激光器模块提供多个不同的光纤激光器输出，各输出相差一个或多个光束特性；多个输出光纤，所述多个输出光纤的每一个配置为传输所述不同的光纤激光器输出中的一个；体光学器件，所述输出光纤中的每一个被熔接到所述体光学器件的表面，所述体光学器件配置为从所述输出光纤接收所述不同的光纤激光器输出并且基本上间隔开地输出所述不同的光纤激光器输出；以及对准器件，被配置为当将所述体光学器件固定到连接器时使所述体光学器件对准，使得多个不同的光纤激光器输出以预定顺序经由所述连接器呈现。2.根据权利要求1所述的多光束输出光纤激光器系统，还包括加工光缆。3.根据权利要求1所述的多光束输出光纤激光器系统，还包括在所述体光学器件下游的光学部件。4.根据权利要求2所述的多光束输出光纤激光器系统，其中所述加工光缆容纳所述输出光纤和所述体光学器件。5.根据权利要求1所述的多光束输出光纤激光器系统，其中所述不同的光纤激光器输出以所述预定顺序被传输到所述工件。6.根据权利要求1所述的多光束输出光纤激光器系统，还包括控制系统，以控制不同的光纤激光器输出中的每一个的光束特性。7.根据权利要求6所述的多光束输出光纤激光器系统，其中所述控制系统动态地改变来自一个或多个不同的光纤激光器输出的一个或多个光束特性。8.根据权利要求1所述的多光束输出光纤激光器系统，其中组合多个光纤激光器模块以提供不同的光纤激光器输出中的一个。9.根据权利要求1所述的多光束输出光纤激光器系统，其中所述输出光纤具有不同的内径和/或外径。10.根据权利要求1所述的多光束输出光纤激光器系统，其中所述输出光纤是单模的。11.根据权利要求1所述的多光束输出光纤激光器系统，其中所述输出光纤是多模的。12.根据权利要求1所述的多光束输出光纤激光器系统，其中所述输出光纤包括多模和单模光纤。13.根据权利要求1所述的多光束输出光纤激光器系统，其中所述输出光纤具有不同的形状。14.根据权利要求1所述的多光束输出光纤激光器系统，其中所述不同的光束特性是波长。15.根据权利要求1所述的多光束输出光纤激光器系统，其中所述不同的光束特性是功率。16.根据权利要求1所述的多光束输出光纤激光器系统，其中所述不同的光束特性选自脉冲操作、连续波操作或准连续波操作的组。17.根据权利要求1所述的多光束输出光纤激光器系统，其中所述不同的光束特性是光
束参数。18.根据权利要求1所述的多光束输出光纤激光器系统，其中所述不同的光束特性是光斑大小。19.一种从单个加工光缆提供动态可变多光纤激光束输出的方法，所述方法包括：提供多个光纤激光器模块，所述多个光纤激光器模块配置为并行操作，并且还配置为提供各自分别在相应光纤中的至少两个不同的光纤激光器输出；提供控制系统，所述控制系统配置为控制所述至少两个不同的光纤激光器输出的特性；提供体光学器件，所述体光学元件的表面与各光纤中的每一个相熔接并接收至少两个不同的光纤激光器输出，所述体光学器件被配置为接收所述至少两个不同的光纤激光器输出并且基本上间隔开地输出所述不同的光纤激光器输出；以及提供对准器件，被配置为当将所述体光学器件固定到连接器时使所述体光学器件对准，使得至少两个不同的光纤激光器输出以预定顺序经由所述连接器呈现。20.根据权利要求19所述的方法，其中所述体光学器件容纳在加工光缆中。21.一种从具有多光纤激光束输出的激光器系统焊接多个工件的方法，所述方法包括：提供包括至少两个光纤激光器模块的激光器系统，所述至少两个光纤激光器模块被配置为独立操作并提供至少两个光纤激光器输出，在各自相应的光纤中；以及提供体光学元件，所述光纤中的每一个被熔接到所述体光学器件的表面，所述体光学器件配置为接收所述至少两个光纤激光器输出并输出所述至少两个光纤激光器输出；以及提供对准器件，被配置为当将所述体光学器件固定到连接器时使所述体光学器件对准，使得所述至少两个光纤激光器输出以预定顺序经由所述连接器呈现，其中每一个光纤激光器输出被配置成传输足以有助于材料相互作用的图案的能量的量，每一个光纤激光器输出的组合有助于形成具有足够强度的预定焊接。22.根据权利要求21所述的方法，其中所述材料相互作用包括表面材料位移。23.根据权利要求21所述的方法，其中所述预定焊接是缝焊。24.根据权利要求23所述的方法，其中所述方法包括以一定速度馈送线材以帮助创建预定焊缝。25.根据权利要求21所述的方法，还包括将所述工件暴露于气体。26.根据权利要求21所述的方法，其中所述工件包括铝合金。27.根据权利要求21所述的方法，其中所述工件包括钢合金。28.根据权利要求27所述的方法，其中所述工件包括高强度钢合金。

技术总结
本发明提供了一种从单个处理光缆传输多光束输出的光纤激光器系统。本发明允许控制多个光纤激光器模块并且以预定顺序但在单个加工光缆中传输它们相应的输出，从而在工件上提供多个加工步骤，所述工件迄今需要针对每一个光束的分开的光学器件。由于本发明，可以容易地提供组合针对特定工业应用而裁剪的加工步骤(例如预热、切割、清洁、焊接、钎焊、烧蚀、退火、冷却、抛光等)的定制光纤激光器系统。抛光等)的定制光纤激光器系统。抛光等)的定制光纤激光器系统。


技术研发人员：安德雷
受保护的技术使用者：IPG光子公司
技术研发日：2015.08.13
技术公布日：2022/3/8