与激光的使用相关的方法和装置的制作方法

日期:2019-04-16 00:54:58

专利名称:与激光的使用相关的方法和装置的制作方法
技术领域
本发明涉及一种与激光的使用相关的方法,其中由一个或多个激 光源发射的一条或多条激光射束借助于射束导引元件被聚焦在熔合位
点(fusing spot)上,在所述熔合位点处,被输送至该熔合位点的填 料被熔化,从而尤其用来实施焊接、涂覆、零件制造和/或类似工艺。 所采用的填料包括大体上固态的细长填料材料,如焊丝或类似材料, 所述填料材料通过输送系统以相对于聚焦在所述熔合位点上的所述一 条或多条激光射束位于中心的方式被供给至所述熔合位点。
背景技术
例如,LENS (激光净成形Laser Engineered Net Shaping)快速 制造技术(RP,快速原型法),例如图1所示,利用的是单条激光射束, 所述单条激光射束以光学上位于中心的方式被聚焦在焦点上,从而在基 底材料上产生熔合的位点,由此使被添加到所述熔合位点上的粉末从激 光射束的相对侧部被喷射且同时受到该激光射束的加热。因此,喷射的 粉末产生熔化且与熔合在基底材料中的位点相结合。然而,传输以粉末 形式存在的填料材料就能量而言是浪费的,效率通常为约70%,且即使
在喷射的粉末可全部被供给至激光射束内部的情况下,效率仍然只有这 么高。因此,正常情况下的效率是低得多的,原因在于大体上多达大部 分的粉末都被吹走而到达环境中。效率进一步对激光工艺的速度以及由 所讨论的工艺制造出的制品价格产生了直接影响。
另一方面,当激光被用于例如焊接或涂覆过程中时,在目前的技术 中,通常通过在移动的燃烧位点前面连续地供给填料焊丝(filler wire )
来实施填料的供给,所述填料是以固态进行供应的,正如例如在敷料焊 条金属电弧焊或者药芯焊丝电弧焊中的情况那样,这种技术实际实施起 来是非常不便的,尤其就加工方向的不稳定性而言更是如此。在实践中, 在这种背景下,需要在燃烧装置与被用作基底的x-y平面进行相对移位 的过程中提供非常先进的自动装置和复杂的基本设备。
从专利7^开文献JP 2003311456、 EP 1179382和US 6, 269, 540中进一步已公知的现有技术是利用与激光源相关联的大体上固态的填料,
所述填料以相对于聚焦在熔合位点上的一条或多条激光射束位于中心
的方式被输送至该熔合位点。
上面引用的解决方案中的第一解决方案所基于的是为装置提供在 径向方向上沿圓周被设置的激光源,由所述激光源发射的激光射束围绕 所供应的填料通过光学导引元件被聚焦在熔合位点上。这种解决方案实 际实施起来是困难的,原因在于激光源的尺寸固有地限制了沿圓周设置 的激光源的数量或者过度地增加了所述装置的总直径。另一方面,与最 后提到的解决方案一致的实施方式中提出的技术性解决方案从本质上 是不适用的,特别地不适用于二氧化碳激光器的使用,至少从本领域技 术人员的角度来看是这样的,这就是该特定解决方案的实用性实际上非 常有限的原因。
进一步地,专利公开文献EP 1179382中披露的解决方案的目的在 于解决在激光射束中出现的"阴影问题",所述激光射束的强度分布与 所谓高斯曲线是一致的,这意味着实际上,当通过大体上如图5示出的 技术进行实施时,在中心供应的填料焊丝导致被施加到熔合位点上的强 度分布中出现了阴影。因此,该特定解决方案的目的是,在出现由填料 焊丝导致产生的阴影时,从激光射束中切下最大强度分布的中间部分并 使其返回熔合位点。
这种类型的实施方式打破了激光射束的原始强度分布,从而使得部 分的熔合位点接收到了本质上均匀的强度分布,而部分的熔合位点则呈 现出更强的强度分布,原因在于后者已经从激光射束的最大强度范围中 被切去。因此,所讨论的技术方案实际上并未实现足够的功能,原因在 于就加工质量方面而言的最终结果例如取决于加工方向(均匀/不均匀 的强度分布)。因此,所讨论的解决方案并未成功地提供就消除"阴影,, 问题方面而言的决定性改进,原因在于该解决方案仅仅改变了问题的性 质而已。

发明内容
根据本发明的方法的目的在于提供一种就前述缺点而言的决定性 改进且由此明显改进现有的技术。为了实现该目的,本发明的方法原则 上的特征在于,通过多部段反射镜使一条或多条激光射束产生发散,从而尤其用来保持所述激光射束的强度分布的对称性,由此使得沿大体上 发散的方向从该反射镜的各个部段元件反射的射束或者分射束借助于 射束导引元件中所包括的聚光器系统而被会聚在熔合位点上。
本发明的方法提供的最重要的优点包括该方法本身以及适用于该 方法的设备组所提供的简便性和效率,使得能够进行比现在所使用的激 光加工明显更快且更通用的激光加工。此外,本发明的方法的作用在于 使材料的浪费最小化,原因在于,该方法使得能够将填料焊丝百分之百 地供应至熔合位点并且通过总体上均匀的激光射束对所述填料焊丝进 行加工,而不会产生所谓阴影效应,本发明的这一优点还使得能够进行 比目前采用的解决方案明显更易于控制且更清洁的加工。此外,由于提 供了精确聚焦地均匀熔合的优点,因此本发明产生了与目前可用的方法 所可能获得的表面精整相比明显更优良的表面精整。在本发明的方法 中,进一步地可能通过在将填料材料输送至熔合位点之前将所述填料材 料预热几乎达到其熔点而同时降低激光源的功率需求从而促进填料焊 丝的熔化。
在针对本发明的方法的从属权利要求中提出了本发明的方法的优 选应用。
本发明还涉及独立权利要求中限定的一种用于应用该方法的装置, 原则上使所述装置特性化的特征在相同权利要求的特征性条款中被提 出。
本发明的装置提供的最重要的优点包括适用于所述装置的设备组 提供的简便性和效率,以及由此使得可获得的优化的表面精整。由本发 明的装置提供的效率明显高于在目前可用的解决方案中获得的效率,这 例如是基于利用粉末状填料材料而实现的,原因在于,通过总体上均匀 的激光射束实现的固体焊丝的连续供给使得可能确保原始激光射束的 强度分布被百分之百聚焦在熔合位点上,由此使得加工方向可以是完全 随意的。本发明的装置还易于产生变型以便用于特定应用,例如焊接、
涂覆、零件制造,由此使得可能利用与所述激光装置相关联的xy平面。 另一方面,所讨论的平面和激光装置的头部仍优选还可沿z方向相对于 彼此进行移动,这使得能够通过将垂直的顺序设置的材料层添加到基底 材料上而制造出例如三维制品。在本发明的装置中,自然地,不仅可能 采用金属基组分而且还可采用其它材料如塑料、树脂、玻璃等作为填料材料。此外,所述装置使得有可能部分地由例如惰性材料组装制品,在
进一步的加工中,例如在生产包括中空或负倾斜(negative inclined) 表面的制品的过程中,所述惰性材料的去除是有可能实现的,对于例如 前面所述的激光净成形类型的快速原型法而言,这种组装和去除的实现 即使并非完全不可能也会是非常困难的。此外,本发明的装置使得能够 制造出制品,其中通过在给定时间切换在制造过程中输送的焊丝和/或 该过程中涉及的喷嘴头而利用具有各种本质的一体的相互熔合的材料 层。
针对本发明的装置的从属权利要求阐述了用于本发明的装置的优 选实施例。


在下面的说明书中将结合附图对本发明进行详细说明,其中 图1示出了对于表示现有技术的激光净成形制造方法而言的基本 操作原理;
图2a-图2d示出了根据本发明的方法基于对称性原理进行操作的 一种优选装置的透视图、俯视图和剖视图、以及被包括在该装置中的多 部段反射镜的透视图3a-图3e示出了根据本发明的方法基于对称性原理进行操作的 一种优选装置沿各个方向的透视图4a-图4d示出了来自图2c、图3b、图3c和图3e中的剖面和放 大视图;和
图5示出了在基于中心焊丝输送的激光使用中所存在的所谓阴影 效应问题。
具体实施例方式
本发明涉及一种与激光的使用相关的方法,其中由一个或多个激光 源Y发射的 一条或多条激光射束R借助于射束导引元件1被聚焦在熔合 位点S上,在所述熔合位点处,被输送至该熔合位点的填料L被熔化, 从而尤其用来实施焊接、涂覆、零件制造和/或类似工艺。所采用的填 料包括大体上固态的细长填料材料L; Ll,如焊丝或类似材料,所述填 料材料通过输送系统X以相对于如图3a所示的聚焦在所述熔合位点上的单条激光射束或如图3b所示的聚焦在所述熔合位点上的多条激光射 束位于中心的方式被供给至所述熔合位点S。通过多部段反射镜la使一 条或多条激光射束R产生发散I,从而尤其用来保持所述激光射束的强 度分布的对称性,由此使得沿大体上发散的方向从该反射镜的各个部段 元件la"反射的射束或者分射束R"借助于射束导引元件1中包括的聚光 器系统lb而被会聚II在熔合位点S上。
在例如图5所示类型的解决方案中,上述过程使得可能避免出现由 填料焊丝L; Ll投射在熔合位点S上的阴影,尤其是当采用利用了常规 的高斯曲线G的激光射束强度分布时更是如此。
参见如图2a-图2c和图3a-图3e所示的布置,优选实施例中的聚 光器系统lb包括反射镜阵列lb"、 lb"、透镜阵列和/或类似部件,由此 使得如图4a和图4b所示,发散的射束或分射束R"在强度分布大体上等 于一条或多条原始激光射束R的情况下相对于被供应至熔合位点的填料 材料L; Ll对称地被会聚在熔合位点S上。
在又一优选实施例中, 一条或多条激光射束R借助于多部段反射镜 的部段元件la"产生发散I,所述多部段反射镜被抛光以便沿大体上彼此 发散的方向进行反射,并且借助于聚光器系统中包括的聚焦透镜FL以 及大体上平的和/或自适应反射镜(adaptive mirror) lb、 lb"被会聚。 这种类型的解决方案尤其可以所谓对称方式被实施。在上述解决方案的 可选解决方案中,还可能通过所谓非对称布置实施该方法,所述非对称 布置并不必需包括独立的聚焦透镜,而是利用聚焦抛物面反射镜lb; lb"。
因此,本发明的方法能够借助于对称的多部段反射镜la和相对于 熔合位点S被设置在中心的聚光器系统lb来实施,尤其如图2a-图2c 所示。因此,进一步可能通过首先利用大体上平的反射镜表面lb〃且利 用一个或多个聚焦透镜FL而装配聚光器系统。在这种解决方案中,进 一步可能利用所谓自适应反射镜,所述自适应反射镜具有焦距,可能通 过使所述自适应反射镜具有凸出/凹进的反射镜表面而借助于压力流体 的作用对所述焦距进行调节。这样建立起来的构型首先的有利意义在 于,包括该构型的装置的尺寸沿径向方向被最小化。
在上述可选的解决方案中,还有可能利用包括多部段反射镜la和 聚焦抛物面反射镜lb"的非对称聚光器系统,如图3a-图3e所示,所述多部段反射镜相对于熔合位点s位于偏心位置处。
在该方法进一步优选的实施例中,激光源Y由C02激光源、掺钕的 钇铝石榴石(NdYAG)激光源、二极管激光源、纤维激光源Y和/或类似 激光源中的一种或多种激光源提供。
在进一步优选的实施例中,通过利用如图4特别地示出的所谓环形 射束D或类似射束从而将激光射束R的最大强度聚焦在介于该激光射束 的中间部分与外缘之间的部段上并且降低了在该激光射束的中间部分 和外缘中的激光射束强度,以便帮助在熔合位点S处进行填料焊丝L; Ll的熔化。基于对该问题进行的三维研究,应该注意到在这一点上, 仅通过环形射束是无法完全消除上面阐述的阴影效应的。
在一个优选实施例中,通过利用大体上基于金属的材料如0. 1-1.5 标准规格的金属焊丝来提供填料L; Ll,在进一步优选的实施例中,所 述材料在熔合位点S的上游被预热几乎达到该材料的熔点。在这一背景 下,可能通过利用例如钢、铝或任何适当的金属或金属合金而提供有用 的过滤材料。
因此,例如如图2a-图2c和图3a-图3e所示的且利用了上述方法 的所述构型的射束导引元件1包括多部段反射镜la以便使一条(图3a) 或多条(图3b)激光射束R产生发散(I),从而尤其用来保持该激光 射束的强度分布的对称性,且所述射束导引元件包括聚光器系统lb以 便将沿大体上发散的方向从该多部段反射镜的各个部段元件la"反射的 射束或者分射束R"会聚II在熔合位点S上。
在一个优选实施例中,聚光器系统lb包括反射镜阵列lb"、 lb〃、 透镜阵列和/或类似部件以便尤其如图4a和图4b所示将发散的射束或 分射束R"相对于被供应至熔合位点的填料材料L; Ll对称地会聚在熔合 位点S上,所述发散的射束或分射束具有大体上等于一条或多条原始激 光射束R的强度分布。
在多个优选实施例中,多部段反射镜的部段元件包括反射镜表面 la;la",所述反射镜表面被抛光以便沿大体上彼此发散的方向进行反射, 且例如如图2a-图2c所示的对称构型的聚光器系统包括聚焦透镜(FL) 以及大体上平的和/或自适应反射镜lb; lb",或者在如图3a-图3e所 示的非对称构型中包括聚焦抛物面反射镜lb; lb"。
在进一步优选的实施例中,该装置中包括的激光源Y包括C02激光源、掺钕的钇铝石榴石激光源、二极管激光源、纤维激光源和/或类似 激光源中的一种或多种激光源。此外,可为该装置提供加热组件以便在
熔合位点S的上游将被用作填料的L; Ll的大体上基于金属的材料如 0. 1-1. 5标准规格的金属焊丝或类似材料预热几乎达到该材料的熔点。
例如,利用纤维激光器使得能够利用例如约100瓦的激光源。纤维 中的激光射束的波长分别例如为约10 090 mn且其标准值为0.3 nm. mrad。
显然,本发明并不限于上面描述或阐明的实施例,而是可根据在由 所附权利要求书限定出的范围内的原始发明概念而作出变化。因此,例 如,当需要保护在激光加工过程中形成的焊剂不受环境气氛作用时,即 例如不受空气作用,且尤其是不受空气中存在的氮和氧的作用时,可能 利用例如在焊接技术中已公知的一种技术,所述技术在激光加工过程中 利用了例如保护气体,所述环境气氛可能对在熔化的激活过程中固化的 金属产生脆化效应。这种保护气体可包括例如氩、氦、和二氧化碳或上 述气体的组合。另一方面,还可能利用合金化的填料焊丝,通过在激光 熔合中分离的熔渣提供保护。本发明的方法和装置中的另一种可能性是 利用中空的填料焊丝,保护气体和/或屏蔽试剂或者其它可能需要的合 金化元素可被输送通过所述中空填料焊丝内部而到达熔融物。
权利要求
1、一种与激光的使用相关的方法,其中由一个或多个激光源(Y)发射的一条或多条激光射束(R)借助于射束导引元件(1)被聚焦在熔合位点(S)上,在所述熔合位点处,被输送至所述熔合位点的填料(L)被熔化,从而尤其用来实施焊接、涂覆、零件制造和/或类似工艺,所采用的填料包括大体上固态的细长填料材料(L;L1),如焊丝或类似材料,所述填料材料通过输送系统(X)以相对于聚焦在所述熔合位点(S)上的所述一条或多条激光射束(R)位于中心的方式被供给至所述熔合位点(S),其特征在于,通过多部段反射镜(1a)使所述一条或多条激光射束(R)产生发散(I),从而尤其用来保持所述激光射束的强度分布的对称性,由此使得沿大体上发散的方向从所述多部段反射镜的各个部段元件(1a′)反射的射束或者分射束(R′)借助于所述射束导引元件(1)中包括的聚光器系统(1b)而被会聚(II)在所述熔合位点(S)上。
2、 根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述聚光器系统(lb) 包括反射镜阵列(lb"、 lb〃)、透镜阵列和/或类似装置,由此使得发散 的射束或分射束(R")在强度分布大体上等于所述一条或多条原始激光 射束(R)的情况下相对于被供应至所述熔合位点的所述填料材料(L; Ll)对称地被会聚在所述熔合位点(S)上,
3、 根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述一条或多 条激光射束(R )借助于多部段反射镜的部段元件(la")产生发散(I), 所述多部段反射镜被抛光以便沿大体上彼此发散的方向进行反射,并且 借助于所述聚光器系统(lb)中包括的一个或多个聚焦透镜(FL)以及 借助于大体上平的和/或自适应反射镜(lb")或者借助于聚焦抛物面反 射镜(lb")而被会聚。
4、 根据前述权利要求1-3中任一项所述的方法,其特征在于,所 述激光源(Y)由C02激光源、掺钕的钇铝石榴石激光源、二极管激光源、 纤维激光源(Y)和/或类似激光源中的一种或多种激光源提供。
5、 根据前述权利要求1-4中任一项所述的方法,其特征在于,通 过利用所谓环形射束(D)或类似射束从而将所述激光射束(R)的最大 强度聚焦在介于该激光射束的中间部分与外缘之间的部段上并且降低 了在该激光射束的中间部分和外缘中的激光射束强度,以便帮助在所述熔合位点(S)处进行所述填料焊丝(L; Ll)的熔化。
6、 根据前述权利要求1-5中任一项所述的方法,其特征在于,通 过利用大体上基于金属的材料如0. 1-1. 5标准规格的金属焊丝来提供所 述填料(L; Ll),所述材料在所述熔合位点(S)的上游被预热几乎达 到该材料的熔点。
7、 一种与激光的使用相关的装置,所述装置旨在将由一个或多个 激光源(Y)发射的一条或多条激光射束(R)聚焦在熔合位点(S)上 以便使被输送至所述熔合位点的填料(L)被熔化,从而尤其用来实施 焊接、涂覆、零件制造和/或类似工艺,所述装置包括一个或多个激光 源(Y)且包括光学折射性和/或透光性射束导引元件(1)以便将由所 述一个或多个激光源产生的所述一条或多条激光射束(R)聚焦在所述 熔合位点(S)上,且所述装置包括输送系统(X)以便将固态的细长填 料材料(L; Ll),如焊丝或类似材料,以相对于聚焦在所述熔合位点(S)上的所述一条或多条激光射束(R)位于中心的方式供给至所述熔 合位点(S),其特征在于,所述射束导引元件(1)包括多部段反射镜(la)以便使所述一条或多条激光射束U)产生发散(I),从而尤其 用来保持所述激光射束的强度分布的对称性,且所述射束导引元件包括 聚光器系统(lb)以便使沿大体上发散的方向从所述多部段反射镜的各 个部段元件(la")反射的射束或者分射束(R")会聚(II)在所述熔合 位点(S)上。
8、 根据权利要求7所述的装置,其特征在于,所述聚光器系统(lb) 包括反射镜阵列(lb"、 lb〃)、透镜阵列和/或类似部件以便将发散的射 束或分射束(R")相对于被供应至所述熔合位点的填料材料(L; Ll)对 称地会聚在所述熔合位点(S)上,所述发散的射束或分射束具有大体 上等于所述一条或多条原始激光射束(R)的强度分布。
9、 根据权利要求7或8所述的装置,其特征在于,多部段反射镜 的部段元件包括反射镜表面(la; la"),所述反射镜表面被抛光以便沿 大体上彼此发散的方向进行反射,且所述聚光器系统包括一个或多个聚 焦透镜(FL)以及大体上平的和/或自适应反射镜(lb")或者聚焦抛物 面反射镜(lb")。
10、 根据前述权利要求7-9中任一项所述的装置,其特征在于,所 述装置中包括的激光源(Y)由C02激光源、掺钕的钇铝石榴石激光源、二极管激光源、纤维激光源(Y)和/或类似激光源中的一种或多种激光 源提供,和/或特征在于,所述装置包括加热组件以便在所述熔合位点 (S )的上游将被用作填料(L; Ll)的大体上基于金属的材料如0. 1-1. 5 标准规格的金属焊丝或类似材料预热几乎达到该材料的熔点,
全文摘要
一种与激光的使用相关的方法,其中由一个或多个激光源(Y)发射的一条或多条激光射束(R)借助于射束导引元件(1)被聚焦在熔合位点(S)上,在所述熔合位点处,被输送至所述熔合位点的填料(L)被熔化,从而尤其用来实施焊接、涂覆、零件制造和/或类似工艺,所采用的填料包括大体上固态的细长填料材料(L;L1),如焊丝或类似材料,所述填料材料通过输送系统(X)以相对于聚焦在所述熔合位点(S)上的所述一条或多条激光射束(R)位于中心的方式被供给至所述熔合位点(S)。通过多部段反射镜(1a)使所述一条或多条激光射束(R)产生发散(I),从而尤其用来保持所述激光射束的强度分布的对称性,由此使得沿大体上发散的方向从所述多部段反射镜的各个部段元件(1a′)反射的射束或者分射束(R′)借助于所述射束导引元件(1)中包括的聚光器系统(1b)而被会聚(II)在所述熔合位点(S)上。
文档编号B23K26/34GK101309776SQ200680042997
公开日2008年11月19日 申请日期2006年7月26日 优先权日2005年11月17日
发明者K·艾托, V·-P·英莫南 申请人:激光通道公司


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