ЛАЗЕРНЫЙ ИСТОЧНИК, В ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
LASER SOURCE, IN PARTICULAR, FOR TECHNOLOGICAL PROCESSES

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к лазерным источникам, в частности к лазерным источникам типа, предназначенного для технологических процессов, таких как операции сварки, пайки и резки металлических материалов.
Уровень техники
В прошлом было разработано множество типов лазерных источников, которые в настоящее время доступны на рынке для удовлетворения различных потребностей в области техники, связанной с технологическими процессами, в частности в области техники, связанной с процессами обработки металлических материалов. Как правило, для различных процессов (такие как сварка, пайка и резка металлических материалов), различных степеней точности процесса и различных характеристик обрабатываемых материалов (например, различные значения толщины металлического листа, подлежащего сварке или резке) требуются различные характеристики лазерного луча для обеспечения оптимальных результатов. Для некоторых из этих процессов уровень качества лазерного луча может быть ниже, тогда как для других применений качество луча должно быть выше.
В данном описании и в нижеследующей формуле изобретения под термином "качество" лазерного луча понимается способность лазерного луча фокусироваться в очень маленькое пятно так, чтобы обеспечить высокую плотность мощности в лазерном пятне. Качество лазерного луча, определяемое таким образом, обычно выражается значением параметра, называемого ВРР ("параметр качества луча"), который измеряется в миллиметрах на миллирадиан (мм. мрад) и соответствует произведению половины угла расходимости лазерного луча на диаметр луча в самом узком его участке (в перетяжке луча). Качество лазерного луча выше, если значение ВРР меньше. Таким образом, для различных промышленных применений может потребоваться использование лазерных лучей со значениями параметра ВРР, которые сильно отличаются друг от друга. Сходным образом мощность лазерного луча также может меняться в зависимости от конкретных применений.
Во многих лазерных источниках известного типа качество и мощность лазерного луча можно изменять в очень ограниченном объеме, при этом отсутствует возможность существенной модификации характеристик лазерного луча. По этой причине в настоящее время часто приходится использовать разные лазерные источники для выполнения разных технологических операций.
С другой стороны, было бы желательно иметь единственный "универсальный" лазерный источник, который может быть легко адаптирован в зависимости от характера выполняемой технологической операции и/или от характера материалов, подлежащих обработке.
Среди различных типов лазерных источников, которые уже были разработаны и доступны в настоящее время на рынке, следует упомянуть здесь, в частности, диодные лазерные источники и лазерные источники с активными оптическими волокнами. Последний тип включает в себя оптические волокна, в которых диспергирован "активный" материал (обычно редкоземельный материал), обладающий способностью усиливать световой луч путем использования принципа вынужденного излучения. Обычно активное оптическое волокно "накачивается" лазерным лучом, генерируемым диодным лазерным источником. Как правило, источники с активными оптическими волокнами генерируют луч с более высоким качеством по отношению к диодным лазерным источникам, вызывая при этом потерю мощности из-за рассеяния внутри оптического волокна.
В документе US 2014/0177038 на фиг. 3 показано лазерное устройство с двойной яркостью, имеющее волоконно-интегрированный переключатель оптического луча, который может переключать лазерный луч между двумя оптическими волокнами, одно из которых соединено с первым выходом, при этом другое оптическое волокно соединено с волоконным иттербиевым генератором, обеспечивающим излучение на выходе волокна, имеющее более высокую яркость.
Задача изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание лазерного источника, выполненного с возможностью избирательно генерировать лазерные лучи с характеристиками, которые значительно отличаются друг от друга, так что его можно использовать для промышленных целей, которые также сильно отличаются друг от друга.
Другая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы достичь этого посредством лазерного источника, имеющего простую и эффективную конструкцию. Другая задача заключается в том, чтобы создать систему с множеством устройств, ячеек или станций для процессов с использованием лазера, в которых предпочтительным и эффективным образом используют один или более лазерных источников вышеуказанного типа.
Раскрытие сущности изобретения
Для решения указанных задач в настоящем изобретении предложен лазерный источник, содержащий:
- блок генерации лазерного луча, содержащий один или более диодных лазерных источников, для генерации первого лазерного луча;
- блок оптического усиления, содержащий по меньшей мере один усилительный модуль, выполненный с возможностью приема лазерного излучения, полученного из упомянутого первого лазерного луча, излучаемого упомянутым блоком генерации, и излучения на его выходе второго лазерного луча, имеющего более высокое качество луча и меньшее значение мощности по отношению к упомянутому первому лазерному лучу, выходящему из упомянутого блока генерации; и
- оптический блок переключения и адресации лазерного луча, расположенный между упомянутым блоком генерации и упомянутым блоком оптического усиления, при этом упомянутый оптический блок переключения и адресации содержит:
- вход для приема упомянутого первого лазерного луча, выходящего из упомянутого блока генерации;
- первую оптическую линию для транспортировки упомянутого первого лазерного луча к первому выходу упомянутого лазерного источника;
- вторую оптическую линию для транспортировки упомянутого первого лазерного луча по направлению к упомянутому по меньшей мере одному усилительному модулю упомянутого блока оптического усиления; и
- селекторное устройство оптического пути, расположенное между упомянутым входом и упомянутыми первой и второй оптическими линиями, для избирательного направления упомянутого первого лазерного луча, выходящего из упомянутого блока генерации, по направлению к:
- упомянутой первой оптической линии так, чтобы генерировать излучение лазерного луча относительно более высокой мощности и относительно более низкого качества на упомянутом первом выходе упомянутого лазерного источника;
или по направлению к:
- упомянутой второй оптической линии так, чтобы генерировать излучение лазерного луча, имеющего относительно меньшую мощность и относительно более высокое качество на втором выходе упомянутого лазерного источника.
Предпочтительно, упомянутый блок оптического усиления содержит множество усилительных модулей, расположенных параллельно и имеющих соответствующие входы, питаемые параллельно посредством упомянутой второй оптической линии, и соответствующие выходы, соединенные с оптическими линиями, сходящимися по направлению к упомянутому второму выходу.
Благодаря указанным выше признакам в изобретении обеспечено наличие единственного лазерного источника, имеющего первый выход и второй выход, отделенные друг от друга, которые выполнены с возможностью избирательной активации для излучения лазерных лучей, имеющих характеристики, которые значительно отличаются друг от друга, в зависимости от конкретного требуемого применения.
Таким образом, возможно, например, реализовать ячейку процесса на промышленной установке, имеющей единственный лазерный источник, для выполнения в этой ячейке процессов различного характера в одном и том же рабочем цикле и/или для обеспечения возможности будущего ввода нового рабочего цикла внутри той же ячейки без необходимости замены лазерного источника и/или для того, чтобы использовать один и тот же лазерный источник, например, для выполнения различных процессов в одной и той же рабочей ячейке, или для выполнения различных процессов в различных рабочих ячейках, или для работы в качестве основного источника в первой рабочей ячейке и в качестве резервного источника в другой рабочей ячейке.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения упомянутый выше блок генерации лазерного луча представляет собой блок, содержащий множество диодных лазерных источников, как указано выше, тогда как каждый усилительный модуль упомянутого блока оптического усиления содержит по меньшей мере одно активное оптическое волокно типа, содержащего активный материал (такой как иттербий), который может усиливать лазерный луч, входящий внутрь упомянутого модуля, который выходит из упомянутого блока генерации через упомянутую вторую оптическую линию упомянутого оптического блока переключения и адресации.
Также в случае упомянутого выше предпочтительного варианта осуществления изобретения упомянутое селекторное устройство оптического пути предпочтительно состоит из зеркала, выполненного с возможностью перемещения между первым рабочим положением и вторым рабочим положением, в которых лазерный луч, выходящий из упомянутого блока генерации, направляется, соответственно, по направлению к упомянутой первой оптической линии и к упомянутой второй оптической линии. В первом решении зеркало не перекрывает лазерный луч, выходящий из блока генерации, когда оно находится в своем первом рабочем положении, с обеспечением, таким образом, возможности прохождения лазерного луча дальше по направлению к первой оптической линии, тогда как в своем втором рабочем положении зеркало перекрывает лазерный луч и отражает его по направлению ко второй оптической линии. В одном варианте зеркало перекрывает лазерный луч в обоих своих рабочих положениях, но принимает разные ориентации в упомянутых положениях так, чтобы отражать лазерный луч соответственно по направлению к упомянутой первой оптической линии и по направлению к упомянутой второй оптической линии.
Перемещением зеркала выбора оптического пути управляют посредством устройства привода любого известного типа, предпочтительно имеющего электрический привод.
Краткое описание чертежей
Дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения очевидны из нижеследующего описания со ссылками на прилагаемые чертежи, приведенные исключительно в качестве не ограничивающего примера, на которых:
- на фиг. 1 показано схематическое изображение примера варианта осуществления лазерного источника согласно настоящему изобретению;
- на фиг. 2-4 показаны схематические изображения в увеличенном масштабе некоторых компонентов, показанных на схематическом изображении на фиг. 1; и
- на фиг. 5 и 6 показаны схематические изображения промышленных установок, в которых используются один или более лазерных источников согласно изобретению.
Осуществление изобретения
На чертежах номером позиции 1 в целом обозначен лазерный источник для применения в технологических процессах, в частности для металлических материалов. Описанный здесь лазерный источник может быть использован, например, в технологической ячейке, в которой выполняют операции различных типов, такие как операции лазерной сварки, операции лазерной пайки и/или операции лазерной резки.
Многие компоненты, составляющие часть описанного здесь варианта осуществления изобретения, показаны на прилагаемых чертежах лишь схематически, поскольку каждый из них, взятый отдельно, может быть выполнен любым известным образом. Исключение этих деталей конструкции из чертежей делает чертежи более простыми и более понятными.
Согласно изобретению, лазерный источник 1 содержит блок генерации лазерного луча, обозначенный в целом номером позиции 2. Блок 2 генерации содержит множество диодных лазерных источников 20, выполненных любым известным образом. Лазерное излучение, выходящее из диодных лазерных источников 20, направляется внутрь оптических волокон 21, объединенных в волоконный сумматор 22, также относящийся к хорошо известному типу, выход которого соединен с оптическим волокном 3.
В настоящем варианте осуществления изобретения блок 2 генерации выполнен с возможностью генерации внутри оптического волокна 3 первого лазерного луча, имеющего мощность порядка 6 кВт и качество луча, соответствующее значению ВРР в диапазоне 50 мм. мрад.
Конечно, конфигурация блока 2 генерации, схематически показанная на фиг. 1 и в увеличенном масштабе также на фиг. 3, представлена здесь исключительно в качестве примера, при этом специалисту в данной области техники очевидно, что этот блок генерации может быть выполнен в соответствии с любой из конфигураций диодных лазерных источников, известных в настоящее время.
Ниже по потоку от блока 2 генерации, лазерный источник 1 согласно настоящему изобретению содержит единственный оптический блок 4 переключения и адресации лазерного луча. Как показано также на фиг. 2, блок 4 содержит вход, состоящий из соединителя 40, с которым соединено оптическое волокно 3, выходящее из блока 2 генерации. Соединитель 40 соединяет оптическое волокно 3 с оптическим волокном 41, которое находится на входе блока 4. Оптический интерфейс 42 любого известного типа передает лазерный луч, выходящий из блока 2 генерации, через оптические волокна 3, 41 внутри свободного пространства S, предусмотренного внутри корпуса блока 4, в котором свободно проходит лазерный луч.
Внутри пространства S внутри блока 4 расположено селекторное устройство оптического пути, которое в показанном примере состоит из зеркала 43. В показанном примере зеркало 43 выполнено с возможностью перемещения параллельно самому себе между первым рабочим положением (показано пунктирной линией на фиг. 1 и 2) и вторым рабочим положением (показано сплошной линией).
В первом рабочем положении зеркала 43, это зеркало не перекрывает лазерный луч, выходящий из блока генерации, так что лазерный луч может свободно проходить дальше по направлению к первой оптической линии, в целом обозначенной номером позиции 44, которая заканчивается на первом выходе U1 (см. фиг. 1) лазерного источника согласно изобретению. В своем втором рабочем положении зеркало 43 перекрывает лазерный луч, выходящий из блока генерации, и отражает его по направлению ко второй оптической линии, в целом обозначенной номером позиции 45.
Как уже указывалось выше, в качестве альтернативы конфигурации, схематически показанной здесь для зеркала 43, возможно предусмотреть конфигурацию, в которой обеспечивают всего лишь колебания зеркала между первым рабочим положением и вторым рабочим положением, так что в обоих этих положениях зеркало перекрывает лазерный луч, выходящий из блока генерации, и отражает луч в направлении двух разных оптических линий.
Как показано на фиг. 2, номером позиции 46 обозначен привод любого известного типа, предпочтительно электрически управляемый привод, выполненный с возможностью перемещения зеркала 43 между его двумя рабочими положениями. Когда зеркало 43 находится в своем первом рабочем положении (показано пунктирной линией), в котором оно не перекрывает лазерный луч, выходящий из блока генерации вдоль направления S0, этот луч проходит дальше внутри свободного пространства S вдоль направления S1 (образующего продолжение направления S0), пока он не войдет внутрь оптического интерфейса 47, через который лазерный луч направляется в оптическое волокно 48. Оптическое волокно 48 оканчивается на соединителе 49, через который оно соединено с другим оптическим волокном 481, оканчивающимся на соединителе 482 (см. фиг. 1), который образует первый выход U1 лазерного источника 1 согласно настоящему изобретению.
Как показано на фиг. 2, когда зеркало 43 находится в своем втором рабочем положении (показано сплошной линией), лазерный луч, выходящий из блока генерации вдоль направления S0, попадает в зеркало 43 и затем отражается вдоль направления S2 по направлению ко второй оптической линии 45.
В случае конкретного варианта осуществления изобретения, показанного здесь в качестве примера, вторая оптическая линия 45 содержит неподвижное зеркало 451, которое отражает лазерный луч, переходящий вдоль направления S2 в направление S3. Лазерный луч, проходящий дальше вдоль направления S3, последовательно достигает множества неподвижных полуотражающих зеркал 452 и последнего неподвижного зеркала 453, которое является полностью отражающим. Полуотражающие зеркала 452 выполнены таким образом, что попадающий в них лазерный луч частично отражается в направлении S4 и частично проходит за зеркало вдоль направления S3. Последнее зеркало 453 отражает часть излучения, которая прошла за все полуотражающие зеркала 452. Части луча, отраженные вдоль направлений S4, направляются через соответствующие оптические интерфейсы 454 в множество оптических волокон 5 на выходе блока 4.
Как показано на фиг. 1, оптические волокна 5 направляют лазерное излучение на входы множества усилительных модулей 60 блока 6 оптического усиления. Каждый из усилительных модулей 60 имеет конфигурацию типа, схематически показанного на фиг. 4, которая хорошо известна, и содержит "активные" оптические волокна 61, в которых диспергированы частицы активных материалов (иттербий в конкретном показанном здесь случае), которые обладают способностью усиливать лазерный источник путем использования принципа вынужденного излучения.
Кроме того, согласно хорошо известной технике, активные оптические волокна 61 проходят между двумя брэгговскими решетками 62, 63, расположенными на входе и на выходе каждого модуля 60 и, соответственно, соединенными с оптическим волокном 5 входа и оптическим волокном 64 выхода. Оптические волокна 64 объединяются в сумматор 65 оптических волокон, выход которого соединен через оптическое волокно 66, соединитель 67 и другое оптическое волокно 68 (см. фиг. 1) с соединителем 69, образующим второй выход U2 лазерного источника 1 согласно изобретению.
Активные оптические волокна 61 усилительных модулей 60 оптически накачиваются лазерным излучением, выходящим из блока 4 и получаемым из диодных лазерных источников 20, и создают лазерный луч на втором выходе U2, имеющий характеристики, отличающиеся по отношению к лазерному лучу, имеющемуся на первом выходе U1. В частности, проход через активные волокна 61 подразумевает потерю мощности (например, приблизительно порядка 30%), но увеличивает качество луча, то есть способность луча фокусироваться в очень маленькое пятно. В настоящем примерном варианте осуществления изобретения лазерный луч, имеющийся на выходе U2, имеет мощность 4 кВт и значение ВРР порядка 3 мм. мрад.
Как уже было указано, в описании выше и на прилагаемых чертежах детали конструкции, относящиеся к иллюстрированным компонентам, не были представлены, так как они могут быть выполнены любым известным способом, и их исключение из чертежей делает последние более простыми и понятными.
Согласно технологии, которая также сама по себе известна, всеми функциями лазерного источника управляют посредством электронного блока управления (не показан на фиг. 1-4), с которым связан интерфейс "человек-машина" любого известного типа.
На фиг. 5 схематично показан пример промышленной установки, использующей лазерный источник согласно изобретению. Этот иллюстративный пример относится к случаю установки для производства автотранспортных средств, содержащей множество ячеек или станций R1, R2, R3, R4 лазерной обработки. Например, установка содержит станцию R1, на которой выполняется операция лазерной пайки (типичный случай - операция соединения крыши с кузовом автотранспортного средства), станцию R2, на которой выполняется операция лазерной сварки на компоненте (таком как конструкция двери автотранспортного средства), станцию R3, на которой выполняется операция лазерной резки, такая как операция выполнения отверстия в стенке кузова автотранспортного средства, и станцию R4, на которой выполняется операция дистанционной лазерной сварки, то есть операция сварки, при которой лазерная головка удерживается на расстоянии от области сварки.
На каждой станции обработки предусмотрено наличие оборудования для обработки, использующее лазерный луч. Например, оборудование может содержать один или более многоосевых манипуляционных роботов, каждый из которых имеет лазерную головку, соединенную при помощи оптического волокна с лазерным источником. Также, например, с каждой ячейкой или станцией связан электронный блок Е1, Е2, Е3, Е4 управления.
Контролирующий электронный блок Е сообщается с электронными блоками Е1, Е2, Е3, Е4.
Процессы пайки, сварки, резки и дистанционной сварки подразумевают использование лазерного луча с повышением качества (более низкое качество требуется для пайки и сварки, тогда как более высокое качество требуется для резки и дистанционной сварки).
В проиллюстрированной на фиг. 5 установке показан лазерный источник согласно изобретению, описанный выше, с двумя выходами U1, U2, соединенными посредством оптических распределителей D1, D2 любого известного типа с оптическими волокнами f1, f2, f3, f4, которые передают соответствующий лазерный луч на оборудование, предусмотренное на соответствующей станции или ячейке обработки.
Электронный блок ES для управления селекторным устройством 43 лазерного источника 1 активирует либо выход U1, либо выход U2 источника 1 на основе сигналов, поступающих от контроллера Е так, чтобы обеспечивать выполнение операций в ячейках R1, R2 или в ячейках R3, R4.
Еще более предпочтительно могут использоваться два источника 1 согласно изобретению, один из которых, например, предназначен для одной или более ячеек R1, R2, а другой - для одной или более ячеек R3, R4. Это решение схематически показано на фиг. 6, где каждый из двух источников 1 согласно изобретению имеет один из двух выходов U1, U2, соединенный с ячейкой R1, и другой выход, соединенный с ячейкой R4. Оптическое волокно на входе каждой ячейки соединено с двумя оптическими волокнами, выходящими из двух разных источников посредством тройниковых соединителей С1, С2.
Контроллер Е управляет электронным блоком ES источников, так что обычно лазерный источник на левой стороне имеет свой выход U1, активированный для питания ячейки R1, тогда как другой источник 1 имеет свой выход U2, активированный для питания ячейки R4 лазерным лучом более высокого качества.
Однако в случае отказа одного источника другой источник может быть временно использован для питания ячейки, источник которой имеет сбой, после переключения соответствующего селектора. Это может быть полезно, например, когда сбой в источнике ячейки R4 оправдывает прерывание процесса в ячейке R1, чтобы использовать источник R1 в качестве резервного источника для R4.
Показанные схематические изображения приведены исключительно в качестве примера, при этом очевидно, что конфигурация и расположение ячеек и связанных с ними лазерных источников могут быть изменены при необходимости в соответствии со спецификой конкретных применений.
Источник согласно изобретению может быть также связан с единственной ячейкой обработки для передачи лазерных лучей с различными характеристиками в различные лазерные устройства, расположенные в той же самой ячейке, для выполнения различных операций с использованием лазера внутри той же самой ячейки.
Очевидно, что хотя принцип изобретения остается тем же самым, детали конструкции и варианты осуществления изобретения могут широко варьироваться в отношении того, что описано и проиллюстрировано выше исключительно в качестве примера, без выхода за пределы объема правовой охраны настоящего изобретения.