[发明专利]多波束激光器系统和焊接方法

说明书

本发明提供了一种多光纤激光器输出系统，其传输以圆周图案排列的至少三个光纤输出，或者传输来自单个加工光缆的至少四个不同的激光器输出。本发明允许控制至少三个激光器模块并且以预定序列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，所述工件迄今要求针对每一个波束的分离光学器件。当用于缝焊时，所述至少三个激光器输出优化用于产生点焊、缝焊或虚拟摆动焊接。

本申请是申请日为2016年05月26日且题为“多波束激光器系统和焊接方法”的国际申请PCT/US2016/034354所对应的中国国家申请(申请号：201680030315.8，进入中国国家阶段日期：2017年11月24日)的分案申请。

技术领域

本公开涉及将来自至少四个光纤输出的激光耦合到单个光学部件中，并控制耦合到所述光纤输出中的各个激光源的输出，使得可以向下游传输四个或更多个不同的光纤激光输出。本公开还涉及将来自以圆周图案布置的至少三个光纤输出的激光耦合到单个光学部件中，并控制耦合到所述光纤输出中的各个激光源的输出，使得可以向下游传输三个或更多个不同的激光输出。另外，本公开涉及使用光纤激光输出来焊接多个工件。

背景技术

将多波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波束传输到工件的激光器系统，其中多个波束关于它们的性质是不相干且不同的。

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(reprate)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来去除不锈钢的涂层，然后切割钢，所有这些都利用组合的波束。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波束。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。

然而，组合多个激光输出的概念得到了充分发展，包括将不同的激光输出组合到单个光纤光缆中。美国专利No.5,048,911提供了使用反射镜来创建并行输出，然后将并行输出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，从而进一步增加了它们的成本，更不用说进一步增加输出劣化的可能。

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，其只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。

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是不能维持的。实际上，US20040081396要求注册指南(registration guide)以将光纤和下游光学器件对准来使波束准直。

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。

申请人先前从事如于2014年8月13日提交的美国专利申请62/036,740和于2015年4月22日提交的德国专利申请DE 102015207279.7中发现的多波束激光器系统的开发，所述每个专利申请的全部内容通过引用并入本文。不幸的是，在这些在先申请中公开的三波束配置没有被优化为解决对点焊的苛刻要求。此外，这种配置不能解决需要摆动的困难的缝焊难题。