ES3047762T3

ES3047762T3 - Laser welding head with dual movable mirrors providing beam movement with limited field of view

Info

Publication number: ES3047762T3
Application number: ES21179038T
Authority: ES
Inventors: Yuri Grapov; Kris Pruyn; Felix Stukalin; Erik Hinrichsen
Original assignee: IPG Photonics Corp
Current assignee: IPG Photonics Corp
Priority date: 2015-06-19
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2025-12-04
Anticipated expiration: 2036-06-20
Also published as: EP4640361A3; CA3208157C; EP4640361A2; PL3310518T3; ES2887211T3; JP7113621B2; US11964341B2; CN107708914A; US20160368089A1; EP3310518A4; MX386188B; KR102536222B1; EP3310518A1; RU2711996C2; PL3932608T3; EP3932608B1; RU2017144104A; WO2016205805A1; HUE073304T2; US20200376594A1

Abstract

La presente solicitud se refiere a un cabezal de soldadura láser (10). Este último comprende espejos móviles (132, 34), que se utilizan para realizar operaciones de soldadura, por ejemplo, con patrones de oscilación y/o búsqueda/seguimiento de costuras. Los espejos móviles (132, 134) proporcionan un movimiento de oscilación de uno o más haces (118) dentro de un campo de visión relativamente pequeño, por ejemplo, definido por un ángulo de escaneo de 1-2°. Los espejos móviles (132, 134) pueden ser espejos galvanométricos controlables por un sistema de control (160) que incluye un controlador galvanométrico. El cabezal de soldadura láser (110) también puede incluir un elemento óptico difractivo para dar forma al haz o haces (118) que se mueven El sistema de control (160) también puede usarse para controlar el láser de fibra (112), por ejemplo, en respuesta a la posición de los haces (118) en relación con la pieza de trabajo (102) y/o una condición detectada en el cabezal de soldadura (110), tal como una condición térmica próxima a uno de los espejos (132, 134). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0003] Cabezal de soldadura láser con dos espejos móviles que proporcionan movimiento del rayo con un campo de visión limitado

[0005] La presente solicitud reivindica prioridad respecto a la solicitud de patente provisional estadounidense con n.° de serie 62/182.211 presentada el 19 de junio de 2015 y la solicitud de patente provisional estadounidense con n.° de serie 62/294.731 presentada el 12 de febrero de 2016.

[0007] Campo técnico

[0009] La presente invención se refiere a la soldadura por láser y, más concretamente, a un cabezal de soldadura por láser según el preámbulo de la reivindicación 1 (véase, por ejemplo, el documento US 2011/297654 A1), con dos espejos móviles que proporcionan movimiento del rayo y sistemas y métodos de soldadura por láser que lo utilizan.

[0011] Información sobre antecedentes

[0013] Los láseres, tal como los láseres de fibra, se utilizan a menudo para aplicaciones de procesamiento de materiales, tal como soldadura. Un cabezal de soldadura láser convencional incluye un colimador para colimar la luz láser y una lente condensadora para condensar la luz láser hacia una zona objetivo que se va a soldar. El rayo se puede mover siguiendo diversos patrones para facilitar la soldadura de dos estructuras a lo largo de una costura, por ejemplo, utilizando una técnica de soldadura por agitación. Una forma de mover el rayo para la soldadura por agitación es girarlo utilizando ópticas de prisma giratorio para formar un patrón giratorio o espiral. Otra forma de mover un rayo para soldar es girar o mover todo el cabezal de soldadura en una plataforma X-Y para formar un patrón en zigzag. Estos métodos convencionales de mover el rayo para realizar patrones de soldadura no permiten movimientos rápidos y precisos del rayo.

[0015] Sumario

[0017] Según un primer aspecto de la presente invención, un cabezal de soldadura láser se define en la reivindicación 1 e incluye un colimador configurado para acoplarse a una fibra de salida de un láser de fibra y al menos un primer y un segundo espejos móviles configurados para recibir un rayo láser colimado desde el colimador y para mover el rayo en un primer y un segundo ejes dentro de un campo de visión limitado definido por un ángulo de escaneo de aproximadamente 1-2°. El cabezal de soldadura láser también incluye una lente condensadora configurada para condensar el rayo láser en relación con una pieza de trabajo mientras se mueve el rayo.

[0019] En las reivindicaciones dependientes se definen otras realizaciones preferidas de la presente invención.

[0021] En consonancia con otra realización, un cabezal de soldadura láser incluye un colimador configurado para acoplarse a una fibra de salida de un láser de fibra, al menos un primer y un segundo espejos móviles configurados para recibir un rayo láser colimado desde el colimador y para mover el rayo en un primer y un segundo ejes, y al menos un primer y un segundo sensores térmicos próximos al primer y al segundo espejos móviles, respectivamente, y configurados para detectar una condición térmica. El cabezal de soldadura láser también incluye una lente condensadora configurada para condensar el rayo láser.

[0023] De acuerdo con otra realización, un cabezal de soldadura láser incluye un módulo colimador que incluye un colimador configurado para acoplarse a una fibra de salida de un láser de fibra y un módulo oscilador acoplado al módulo colimador. El módulo oscilador incluye al menos un primer y un segundo espejos móviles configurados para recibir un rayo láser colimado del colimador y para mover el rayo en un primer y un segundo ejes. El cabezal de soldadura láser también incluye un módulo de bloque central acoplado al módulo oscilador. El módulo de bloque central incluye al menos una lente condensadora configurada para condensar el rayo láser.

[0025] Breve descripción de los dibujos

[0027] Estas y otras características y ventajas se comprenderán mejor leyendo la siguiente descripción detallada, junto con los dibujos, en donde:

[0029] La FIG. 1 es un diagrama de bloques esquemático de un sistema que incluye un cabezal de soldadura láser con dos espejos móviles, en consonancia con una realización de la presente divulgación.

[0030] La FIG. 1A es un diagrama esquemático de un rayo láser condensado con un intervalo de movimiento relativamente pequeño proporcionado por dos espejos con fines de búsqueda de costuras y/u oscilación, en consonancia con una realización de la presente divulgación.

[0031] Las FIGS. 2A-2D son diagramas esquemáticos que ilustran diferentes patrones de oscilación que pueden producirse mediante un cabezal de soldadura que incluye dos espejos para el movimiento del rayo, en consonancia con una realización de la presente divulgación.

[0032] La FIG. 3A es una micrografía de una pieza de trabajo soldada con un cordón de soldadura formado por un láser utilizando soldadura por agitación con un patrón de oscilación en forma de 8, en consonancia con una realización de la presente divulgación.

[0033] La FIG.3B es una micrografía de una sección transversal de la pieza de trabajo soldada y del cordón de soldadura mostrados en la FIG. 3A.

[0034] La FIG. 3C es una micrografía de una pieza de trabajo soldada con un cordón de soldadura formado por un láser sin patrón de oscilación.

[0035] La FIG. 3D es una micrografía de una sección transversal de la pieza de trabajo soldada y el cordón de soldadura mostrados en la FIG. 3C.

[0036] La FIG. 4 es una vista despiezada de un cabezal de soldadura láser con dos espejos móviles para el movimiento del rayo, en consonancia con una realización de la presente divulgación.

[0037] Las FIGS. 5 y 6 son vistas en perspectiva de un módulo colimador utilizado en el cabezal de soldadura láser mostrado en la FIG. 4.

[0038] La FIG. 7 es una vista en perspectiva de un módulo oscilador utilizado en el cabezal de soldadura láser mostrado en la FIG. 4.

[0039] La FIG. 8 es una vista despiezada del módulo oscilador utilizado en el cabezal de soldadura láser mostrado en la FIG. 4.

[0040] La FIG. 9 es una vista en sección transversal parcialmente de un módulo oscilador utilizado en el cabezal de soldadura láser mostrado en la FIG. 4.

[0041] La FIG. 10 es una vista en perspectiva del interior del módulo oscilador con una apertura limitadora refrigerada por agua y sensores térmicos.

[0042] La FIG. 11 es una vista despiezada de un módulo de bloque central que incluye un foco y una carcasa de ventana utilizados en el cabezal de soldadura láser mostrado en la FIG. 4.

[0043] La FIG. 12 es una vista despiezada de la carcasa de condensación y ventana con una ventana protectora utilizada en el cabezal de soldadura láser mostrado en la FIG. 4.

[0044] Las FIGS. 13 y 14 son vistas en perspectiva del cabezal de soldadura láser mostrado en la FIG. 4 con el módulo colimador, el módulo oscilador y el módulo de bloque central ensamblados juntos y emitiendo un rayo condensado.

[0045] La FIG. 15 es un diagrama esquemático de la trayectoria del rayo dentro del cabezal de soldadura láser mostrado en las FIGS. 13 y 14.

[0046] La FIG. 16 es un diagrama de bloques esquemático de un cabezal de soldadura láser con dos espejos móviles y ópticas difractivas, en consonancia con una realización de la presente divulgación.

[0047] Las FIGS. 17A y 17B ilustran un punto del rayo circular y un punto del rayo rectangular conformado producidos por ópticas difractivas, respectivamente.

[0048] La FIG. 17C ilustra un punto del rayo en forma de rosquilla producido por ópticas de conformación de rayo. Las FIGS. 18A-18C ilustran puntos de rayo rectangulares de diferentes tamaños producidos por diferentes ópticas difractivas.

[0049] La FIG. 19 ilustra un patrón de puntos de rayo producidos por un láser de fibra multihaz acoplado a un cabezal de soldadura láser, en consonancia con las realizaciones de la presente divulgación.

[0050] La FIG. 20 ilustra un patrón de puntos de rayo conformados producidos por un láser de fibra multihaz acoplado a un cabezal de soldadura láser que incluye ópticas difractivas, en consonancia con las realizaciones de la presente divulgación.

[0052] Descripción detallada

[0054] Utilizar un cabezal de soldadura láser con espejos móviles para realizar las operaciones de soldadura, por ejemplo, con patrones de oscilación y/o búsqueda/rastreo y seguimiento de costuras. Los espejos móviles proporcionan un movimiento oscilante de uno o más rayos dentro de un campo de visión relativamente pequeño definido por un ángulo de escaneo de 1 -2°. Los espejos móviles pueden ser espejos galvanométricos controlables por un sistema de control que incluye un controlador galvo. El cabezal de soldadura láser también puede incluir un elemento óptico difractivo para dar forma al rayo o rayos que se mueven. El sistema de control también se puede utilizar para controlar el láser de fibra, por ejemplo, en respuesta a la posición de los rayos con respecto a la pieza de trabajo y/o a una condición detectada en el cabezal de soldadura, tal como una condición térmica próxima a uno de los espejos.

[0056] Haciendo referencia a la FIG. 1, un sistema de soldadura láser 100 incluye un cabezal de soldadura láser 110 acoplado a una fibra de salida 111 de un láser de fibra 112 (p. ej. con un conector 111a). El cabezal de soldadura láser 110 puede utilizarse para realizar la soldadura en una pieza de trabajo 102, soldando una costura 104 para formar un cordón de soldadura 106. El cabezal de soldadura láser 110 y/o la pieza de trabajo 102 pueden moverse uno respecto al otro a lo largo de la dirección de la costura 104. El cabezal de soldadura láser 110 puede estar situado en una plataforma móvil 114 para mover el cabezal de soldadura 110 respecto a la pieza de trabajo 102 a lo largo de al menos un eje, por ejemplo, a lo largo de la longitud de la costura 104. Además o alternativamente, la pieza de trabajo 102 puede estar situada en una plataforma móvil 108 para mover la pieza de trabajo 102 con respecto al cabezal de soldadura láser 110.

[0058] El láser de fibra 112 puede incluir un láser de fibra de iterbio capaz de generar un láser en el intervalo espectral del infrarrojo cercano (p. ej. 1060-1080 nm). El láser de fibra de iterbio puede ser un láser de fibra de iterbio de onda continua monomodo o multimodo capaz de generar un rayo láser con una potencia de hasta 1 kW en algunas realizaciones y potencias más altas de hasta 50 kW en otras realizaciones. Ejemplos del láser de fibra 112 incluyen los láseres de la serie YLR SM o de la serie YLR HP disponibles en IPG Photonics Corporation. El láser de fibra 112 también puede incluir un láser de fibra multihaz, tal como el tipo divulgado en la solicitud internacional n.° PCT/US2015/45037 presentada el 13 de agosto de 2015 y titulada "Sistema láser de fibra multihaz", que es capaz de emitir selectivamente uno o más rayos láser a través de múltiples fibras.

[0060] El cabezal de soldadura láser 110 incluye generalmente un colimador 122 para colimar el rayo láser de la fibra de salida 111, al menos un primer y un segundo espejos móviles 132, 134 para reflejar y mover el rayo colimado 116, y una lente condensadora 142 para condensar y enviar un rayo condensado 118 a la pieza de trabajo 102. En la realización ilustrada, también se utiliza un espejo fijo 144 para dirigir el rayo láser colimado 116 desde el segundo espejo móvil 134 hacia la lente condensadora 142. El colimador 122, los espejos móviles 132, 134, la lente condensadora 142 y el espejo fijo 144 pueden proporcionarse en módulos separados 120, 130, 140 que pueden acoplarse entre sí, como se describirá con más detalle a continuación. El cabezal de soldadura láser 110 también puede construirse sin el espejo fijo 144, por ejemplo, si los espejos 132, 134 están en disposición tal que la luz se refleje desde el segundo espejo 134 hacia la lente condensadora 142.

[0062] Los espejos móviles 132, 134 pueden pivotar alrededor de diferentes ejes 131, 133 para hacer que el rayo colimado 116 se mueva y, de este modo, hacer que el rayo condensado 118 se mueva con respecto a la pieza de trabajo 102 en al menos dos ejes perpendiculares diferentes 2, 4. Los espejos móviles 132, 134 pueden ser espejos galvanométricos que se mueven mediante motores galvo, capaces de invertir rápidamente la dirección. En otras realizaciones, se pueden utilizar otros mecanismos para mover los espejos, tal como motores paso a paso. Utilizar los espejos móviles 132, 134 en el cabezal de soldadura láser 110 permite mover el rayo láser 118 de forma precisa, controlada y rápida con el fin de encontrar y seguir la costura y/o hacer oscilar el rayo sin tener que mover todo el cabezal de soldadura 110 y sin utilizar prismas giratorios.

[0064] Según la presente invención, los espejos móviles 132, 134 mueven el rayo 118 dentro de un campo de visión relativamente pequeño (p. ej., menos de 30 x 30 mm) pivotando el rayo 118 dentro de un ángulo de escaneo a de menos de 10° y, más concretamente, aproximadamente de 1 a 2°, como se muestra en la FIG. 1A, lo que permite que el rayo oscile. Por el contrario, los cabezales de escaneo láser convencionales generalmente proporcionan un movimiento del rayo láser dentro de un campo mucho más grande (p. ej., mayor de 50 x 50 mm y tan grande como 250 x 250 mm) y están diseñados para adaptarse al campo y al ángulo de escaneo más grandes. De este modo, utilizar los espejos móviles 132, 134 para proporcionar solo un campo de visión relativamente pequeño en el cabezal de soldadura láser 110 es contrario a la intuición y contrario a la sabiduría convencional de proporcionar un campo de visión más amplio cuando se utilizan escáneres galvo. Limitar el campo de visión y el ángulo de escaneo proporciona ventajas al utilizar espejos galvo en el cabezal de soldadura 110, por ejemplo, al permitir velocidades más rápidas, permitir el uso de componentes menos costosos, tal como lentes, y permitir el uso de accesorios, tal como cuchillas de aire y/o accesorios asistidos por gas.

[0066] Debido al menor campo y ángulo de escaneo en el ejemplo de realización del cabezal de soldadura 110, el segundo espejo 134 puede tener sustancialmente el mismo tamaño que el primer espejo 132. Por el contrario, los escáneres galvo convencionales suelen utilizar un segundo espejo más grande para proporcionar un campo y un ángulo de escaneo mayores, y el segundo espejo más grande puede limitar la velocidad de movimiento en al menos un eje. Un segundo espejo 134 de menor tamaño (p. ej. aproximadamente del mismo tamaño que el primer espejo 132) en el cabezal de soldadura 110 permite de este modo que el espejo 134 se mueva a velocidades más rápidas en comparación con los espejos más grandes de los escáneres galvo convencionales que proporcionan grandes ángulos de escaneo.

[0068] La lente condensadora 142 puede incluir lentes de condensación conocidas por utilizarse en cabezales de soldadura láser y que tienen una variedad de distancias focales que varían, por ejemplo, en un intervalo de 100 mm a 1000 mm. Los cabezales de escaneo láser convencionales utilizan lentes de escaneo de múltiples elementos, tal como una lente F theta, una lente de aplanamiento de campo o una lente telecéntrica, con diámetros mucho mayores (p. ej., una lente de 300 mm de diámetro para un rayo de 33 mm de diámetro) para condensar el rayo dentro del campo de visión más grande. Dado que los espejos móviles 132, 134 mueven el rayo dentro de un campo de visión relativamente pequeño, según la presente invención, no se requiere ni se utiliza una lente de escaneo multielemento más grande (p. ej., una lente F theta). En una realización de ejemplo del cabezal de soldadura 110 coherente con la presente divulgación, se puede utilizar una lente condensadora F300 plano-convexa de 50 mm de diámetro para condensar un rayo con un diámetro de aproximadamente 40 mm para su movimiento dentro de un campo de visión de aproximadamente 15 x 5 mm. El uso de la lente condensadora más pequeña 142 también permite utilizar accesorios adicionales, tal como una cuchilla de aire y/o accesorios asistidos por gas, en el extremo del cabezal de soldadura 110. Las lentes de escaneo más grandes necesarias para los cabezales de escaneo láser convencionales limitaban el uso de dichos accesorios.

[0069] También se pueden utilizar otros componentes ópticos en el cabezal de soldadura láser 110, tal como un divisor de rayo para dividir el rayo láser y proporcionar al menos dos puntos de rayo para la soldadura (p. ej. a ambos lados de la soldadura). Los componentes ópticos adicionales también pueden incluir ópticas difractivas y pueden colocarse entre el colimador 122 y los espejos 132, 134, como se describirá con más detalle a continuación.

[0070] Se puede proporcionar una ventana protectora 146 delante de la lente 142 para proteger la lente y otras ópticas de los residuos producidos por el proceso de soldadura. El cabezal de soldadura láser 110 también puede incluir un accesorio para el cabezal de soldadura 116, tal como una cuchilla de aire para proporcionar un flujo de aire a alta velocidad a través de la ventana protectora 146 o la lente condensadora 142 para eliminar los residuos y/o un accesorio asistido por gas para suministrar gas de protección coaxialmente o fuera del eje al lugar de soldadura para suprimir la columna de humo de la soldadura. De este modo, el cabezal de soldadura láser 110 con espejos móviles puede utilizarse con los accesorios de cabezal de soldadura existentes.

[0072] La realización ilustrada del sistema de soldadura láser 100 también incluye un detector 150, tal como una cámara, para detectar y localizar la costura 104, por ejemplo, en una ubicación por delante del rayo 118. Aunque la cámara/detector 150 se muestra esquemáticamente en un lado del cabezal de soldadura 110, la cámara/detector 150 puede dirigirse a través del cabezal de soldadura 110 para detectar y localizar la costura 104.

[0074] La realización ilustrada del sistema de soldadura por láser 100 incluye además un sistema de control 160 para controlar el láser de fibra 112, el posicionamiento de los espejos móviles 132, 134 y/o las plataformas móviles 108, 114, por ejemplo, en respuesta a las condiciones detectadas en el cabezal de soldadura 110, una ubicación detectada de la costura 104 y/o el movimiento y/o la posición del rayo láser 118. El cabezal de soldadura láser 110 puede incluir sensores, tal como un primer y un segundo sensor térmico 162, 164, próximos al primer y al segundo espejos móviles 132, 134, respectivamente, para detectar condiciones térmicas. El sistema de control 160 está conectado eléctricamente a los sensores 162, 164 para recibir datos con el fin de supervisar las condiciones térmicas próximas a los espejos móviles 132, 134. El sistema de control 160 también puede supervisar la operación de soldadura al recibir datos de la cámara/detector 150, por ejemplo, que representan una ubicación detectada de la costura 104.

[0075] El sistema de control 160 puede controlar el láser de fibra 112, por ejemplo, apagando el láser, cambiando los parámetros del láser (p. ej. la potencia del láser) o ajustando cualquier otro parámetro ajustable del láser. El sistema de control 160 puede provocar que el láser de fibra 112 se apague en respuesta a una condición detectada en el cabezal de soldadura láser 110. La condición detectada puede ser una condición térmica detectada por uno o ambos sensores 162, 164 e indicativa de un mal funcionamiento del espejo que da lugar a altas temperaturas u otras condiciones causadas por el láser de alta potencia.

[0077] El sistema de control 160 puede provocar que el láser de fibra 112 se apague activando un bloqueo de seguridad. Se configura un bloqueo de seguridad entre la fibra de salida 111 y el colimador 122, de modo que la condición de bloqueo de seguridad se activa y el láser se apaga cuando la fibra de salida 111 se desconecta del colimador 122. En la realización ilustrada, el cabezal de soldadura láser 110 incluye una trayectoria de bloqueo 166 que extiende la función de bloqueo de seguridad a los espejos móviles 132, 134. La trayectoria de bloqueo 166 se extiende entre la fibra de salida 111 y el sistema de control 160 para permitir que el sistema de control 160 active la condición de bloqueo de seguridad en respuesta a condiciones potencialmente peligrosas detectadas en el cabezal de soldadura láser 110. En esta realización, el sistema de control 160 puede provocar que se active la condición de bloqueo de seguridad a través de la trayectoria de bloqueo 166 en respuesta a una condición térmica predefinida detectada por uno o ambos sensores 162, 164.

[0079] El sistema de control 160 también puede controlar los parámetros del láser (p. ej., la potencia del láser) en respuesta al movimiento o la posición del rayo 118 sin apagar el láser 112. Si uno de los espejos móviles 132, 134 mueve el rayo 118 fuera del intervalo o demasiado lentamente, el sistema de control 160 puede reducir la potencia del láser para controlar dinámicamente la energía del punto del rayo y evitar daños por el láser. El sistema de control 160 puede controlar además la selección de rayos láser en un láser de fibra multihaz.

[0081] El sistema de control 160 también puede controlar el posicionamiento de los espejos móviles 132, 134 en respuesta a la ubicación detectada de la costura 104 desde la cámara/detector 150, por ejemplo, para corregir la posición del rayo condensado 118 para encontrar, rastrear y/o seguir la costura 104. El sistema de control 160 puede encontrar la costura 104 identificando una ubicación de la costura 104 utilizando los datos de la cámara/detector 150 y luego moviendo uno o ambos de los espejos 132, 134 hasta que el rayo 118 coincida con la costura 104. El sistema de control 160 puede seguir la costura 104 moviendo uno o ambos espejos 132, 134 para ajustar o corregir la posición del rayo 118 de forma continua, de modo que el rayo coincida con la costura 104 a medida que el rayo 118 se mueve a lo largo de la costura para realizar la soldadura. El sistema de control 160 también puede controlar uno o ambos de los espejos móviles 132, 134 para proporcionar el movimiento oscilante durante la soldadura, como se describe con más detalle a continuación.

[0083] El sistema de control 160 incluye, de este modo, tanto el control del láser como el control del espejo, que funcionan conjuntamente para controlar tanto el láser como los espejos. El sistema de control 160 puede incluir, por ejemplo, hardware (p. ej. un ordenador de uso general) y software conocido para su utilización en el control de láseres de fibra y espejos galvo. Se puede utilizar, por ejemplo, el software de control galvo existente y modificarlo para permitir el control de los espejos galvo tal y como se describe en el presente documento.

[0084] Las FIGS. 2A-2D ilustran ejemplos de patrones de oscilación que pueden utilizarse para realizar la soldadura por agitación de una costura 204. Como se utiliza en el presente documento, "oscilación" se refiere al movimiento recíproco de un rayo láser (por ejemplo, en dos ejes) y dentro de un campo de visión relativamente pequeño definido por un ángulo de escaneo inferior a 10°. Las FIGS. 2A y 2B muestran un patrón circular y un patrón en forma de 8, respectivamente, que se forman secuencialmente a lo largo de la costura 204. Las FIGS. 2C y 2D muestran un patrón en zigzag y un patrón ondulado, respectivamente, que se forman a lo largo de la costura 204. Aunque se ilustran ciertos patrones de oscilación, otros patrones de oscilación están dentro del alcance de la presente divulgación. Una ventaja de utilizar los espejos móviles en el cabezal de soldadura láser 110 es la capacidad de mover el rayo según una variedad de patrones de oscilación diferentes.

[0086] Las FIGS. 3A-3D ilustran una comparación de soldaduras formadas por un patrón de oscilación en forma de 8 (FIGS.

[0087] 3A y 3B) en comparación con un rayo convencional no manipulado (FIGS. 3C y 3D). En un ejemplo (FIGS. 3A y 3B), se sueldan dos piezas de aleación de aluminio 6061-T6 con un punto del rayo de 2 mm de diámetro que se mueve con un patrón en forma de 8 a 90° con una oscilación de 300 Hz, una potencia de 2,75 kW, una velocidad de 3,5 m/min y con un espacio de 0,030 cm (0,012 pulgadas). En el otro ejemplo (FIGS. 3C y 3D), se sueldan dos piezas de aleación de aluminio 6061-T6 con un punto del rayo sin oscilación, una potencia de 2,0 kW, una velocidad de 3,5 m/min y un espacio de 0,030 cm (0,012 pulgadas). Como se muestra, la calidad de la soldadura en la superficie con la oscilación en forma de 8 mejora en comparación con el rayo no manipulado. En particular, la uniformidad a lo largo de la soldadura mejora, como se muestra en la Fig. 3A en comparación con la Fig. 3C. La sección transversal de la FIG. 3B también muestra una menor reducción del área en la soldadura (en comparación con la FIG. 3D), lo que se debe a que el patrón de oscilación en forma de 8 cubre el espacio de la costura 204 de manera más eficaz. Los sistemas y métodos de soldadura láser descritos en el presente documento también pueden utilizarse para mejorar la soldadura con materiales, tal como el titanio, que normalmente son difíciles de soldar.

[0089] Las FIGS.4-15 ilustran una realización del cabezal de soldadura láser 410 con mayor detalle. Aunque se muestra una realización específica, otras realizaciones del cabezal de soldadura láser están incluidas dentro del alcance de las reivindicaciones definido en las reivindicaciones adjuntas. Como se muestra en la FIG. 4, el cabezal de soldadura láser 410 incluye un módulo colimador 420, un módulo oscilador 430 y un módulo de bloque central 440. El módulo oscilador 430 incluye el primer y el segundo espejos móviles, como se ha comentado anteriormente, y está acoplado entre el módulo colimador 420 y el módulo de bloque central 440.

[0091] Las FIGS. 5 y 6 muestran el módulo colimador 420 con mayor detalle. Como se muestra en la FIG. 5, un extremo de entrada 421 del módulo colimador 420 está configurado para acoplarse a un conector de fibra de salida e incluye un conector de bloqueo de fibra 425 que se conecta al conector de fibra de salida (no mostrado) para proporcionar un bloqueo de seguridad para cuando la fibra de salida está desconectada. Como se muestra en la FIG. 6, un extremo de salida 423 del módulo colimador 420 está configurado para acoplarse al módulo oscilador 430 (véase la FIG. 4) e incluye un conector de bloqueo de fibra 427 para extender la trayectoria de bloqueo de seguridad al módulo oscilador 430. El módulo colimador 420 puede incluir un colimador (no mostrado) con un par fijo de lentes colimadoras, tal como las que se utilizan en los cabezales de soldadura láser. En otras realizaciones, el colimador puede incluir otras configuraciones de lentes, tales como lentes móviles, capaces de ajustar el tamaño del punto del rayo y/o el punto focal.

[0093] Las FIGS. 7-10 muestran el módulo oscilador 430 con mayor detalle. La realización ilustrada del módulo oscilador 430 incluye una abertura de entrada 431 para acoplarse al módulo colimador 420 y una abertura de salida 433 para acoplarse al módulo de bloque central 440 (véase la FIG. 4). La apertura de entrada 431 puede incluir una apertura limitadora refrigerada por agua.

[0095] Como se muestra en la Fig. 8, la realización ilustrada del módulo oscilador 430 también incluye un primer y un segundo galvanómetro 436, 438 para mover los espejos galvo 432, 434 alrededor de diferentes ejes perpendiculares. Se pueden utilizar galvanómetros conocidos para utilizar en cabezales de escaneo láser. Los galvanómetros 436, 438 pueden incluir conexiones 437 para conectarse a un controlador galvo (no mostrado). El controlador galvo puede incluir hardware y/o software para controlar los galvanómetros con el fin de controlar el movimiento de los espejos y, de este modo, el movimiento y/o el posicionamiento del rayo láser. Se puede utilizar software de control galvo conocido y se puede modificar para proporcionar la funcionalidad descrita en el presente documento, por ejemplo, la búsqueda de costuras, los patrones del oscilador y la comunicación con el láser.

[0097] Como se muestra en la FIG. 7, el módulo oscilador 430 incluye un conector de bloqueo de fibra 435 para conectarse al conector de bloqueo de fibra del colimador 427. El módulo oscilador 430 también incluye un conector de bloqueo de fibra galvo 437 para conectarse al controlador galvo. El bloqueo de seguridad se extiende así al módulo oscilador 430 y al controlador galvo. El controlador galvo puede configurarse para activar una condición de bloqueo de seguridad, por ejemplo, en respuesta a condiciones detectadas dentro del módulo oscilador 430.

[0099] Como se muestra en las FIGS. 9 y 10, el módulo oscilador 430 incluye sondas térmicas 462, 464 próximas a cada uno de los respectivos espejos 432, 434. Las sondas térmicas 462, 464 detectan una condición térmica (p. ej. la temperatura) en las respectivas ubicaciones dentro del módulo oscilador 430 y pueden conectarse a través de las conexiones galvo 437 al controlador galvo. De este modo, el controlador galvo puede supervisar las sondas térmicas 462, 464 para determinar si se produce una condición predefinida, tal como una temperatura elevada que indique una condición potencialmente peligrosa dentro del módulo oscilador 430. Si uno de los espejos móviles 432, 434 funciona mal, por ejemplo, el láser de alta potencia dirigido al módulo oscilador 430 puede no reflejarse correctamente y provocar una condición peligrosa. De este modo, el controlador galvo puede activar el bloqueo de seguridad para apagar el láser en respuesta a la condición peligrosa. Las sondas térmicas pueden incluir sensores conocidos, tales como tiras bimetálicas dentro de cerámica.

[0101] La FIG. 11 muestra el módulo de bloque central 440 con mayor detalle. El módulo del bloque central 440 incluye un espejo fijo (no mostrado) que redirige el rayo recibido del módulo oscilador 430 a una lente condensadora 442 y, a continuación, a la pieza de trabajo. Como se muestra, el módulo del bloque central 440 incluye una carcasa del bloque central 441 y una carcasa de condensación y ventana 443 acoplada a un lado de la carcasa del bloque central 441. Se puede acoplar un módulo de cámara (no mostrado) a un lado opuesto de la carcasa del bloque central 441 para supervisar el rayo condensado y/o la pieza de trabajo dentro del campo proporcionado a través de la carcasa de condensación y ventana 443.

[0103] La carcasa de condensación y ventana 443 contiene la lente condensadora 442 y una ventana protectora 446. Como se muestra en la FIG. 12, la ventana protectora 446 puede ser extraíble y reemplazable. La carcasa de condensación y ventana 443 también contiene un circuito de supervisión del estado de la ventana 470 con sensores tales como un termistor 472 y un fotodiodo 474 para supervisar el estado de la ventana protectora 446. La carcasa del bloque central 441 incluye además un conector de supervisión de estado 475 para conectarse al circuito de supervisión de estado 470 en la carcasa de condensación y ventana 443 y un conector de monitor de soldadura 477 para conectarse a un monitor de cabezal de soldadura (no mostrado).

[0105] Las FIGS. 13 y 14 muestran el cabezal de soldadura láser 410 ensamblado con cada uno de los módulos 420, 430, 440 acoplados entre sí y emitiendo un rayo condensado 418. Un rayo láser acoplado al módulo colimador 420 se colima y el rayo colimado se dirige al módulo oscilador 430. El módulo oscilador 430 mueve el rayo colimado utilizando los espejos y dirige el rayo colimado en movimiento al módulo de bloque central 440. A continuación, el módulo de bloque central 440 condensa el rayo en movimiento y el rayo condensado 418 se dirige a una pieza de trabajo (no mostrada).

[0107] La FIG. 15 muestra la trayectoria de un rayo colimado 416 dentro del módulo oscilador 430 y el módulo de bloque central 440 cuando se acoplan entre sí. Como se muestra, el rayo colimado 416 que se introduce en el módulo oscilador se refleja desde el primer espejo galvo 432 hacia el segundo espejo galvo 434 y, a continuación, se refleja desde el espejo fijo 444 dentro del módulo del bloque central y se emite desde el módulo del bloque central. El espejo fijo 444 puede ser un espejo infrarrojo para permitir utilizarlo con una cámara para supervisar el rayo 416.

[0109] Con referencia a la Fig. 16, se describen con más detalle otras disposiciones de un cabezal de soldadura láser 1610 con espejos móviles y un sistema de soldadura láser. Esta disposición del cabezal de soldadura láser 1610 incluye además al menos un elemento óptico difractivo de conformación del rayo 1626 para conformar el rayo. El elemento óptico difractivo de conformación del rayo 1626 está situado entre un colimador 1622 y los espejos móviles 1632, 1634 en el cabezal de soldadura 1610. El elemento óptico difractivo de conformación del rayo 1626 conforma el rayo colimado y, a continuación, el rayo conformado es desplazado por los espejos 1632, 1634, por ejemplo, como se ha descrito anteriormente.

[0111] Un ejemplo del elemento óptico difractivo de conformación del rayo 1682 incluye un elemento de conformación del rayo en forma de sombrero de copa que recibe un rayo de entrada con un perfil gaussiano y un punto del rayo circular, como se muestra en la FIG. 17A, y produce un rayo conformado con un perfil cuadrado uniforme o "sombrero de copa" y un punto del rayo rectangular o cuadrado, como se muestra en la FIG. 17B. Otros elementos ópticos difractivos de conformación de rayo pueden incluir, sin limitación, un elemento difractivo de división de rayo que convierte un rayo de entrada en una matriz de 1 o 2 dimensiones de rayos secundarios, un elemento generador de anillo que conforma un rayo de entrada en un anillo o una serie de anillos, y una lente difractiva de vórtice que conforma un rayo de entrada en un anillo con forma de rosquilla, como se muestra en la Fig. 17C.

[0113] De este modo, se pueden utilizar diferentes elementos ópticos difractivos de conformación de rayo 1626 que proporcionen diferentes formas y/o tamaños de rayo. Un punto del rayo en forma de rosquilla también puede tener una distribución de potencia más uniforme al eliminar una alta concentración de potencia en el centro del rayo. Como se muestra en las FIGS. 18A-18C, diferentes elementos ópticos difractivos pueden proporcionar rayos rectangulares de diferentes tamaños, lo que permite diferentes "tamaños de pincel" y resoluciones para soldadura y otras aplicaciones. Se pueden utilizar puntos de rayo más pequeños o "tamaños de pincel" más pequeños, por ejemplo, para áreas más pequeñas o alrededor de los bordes donde se desea una mayor resolución.

[0115] En una realización, el elemento óptico difractivo de conformación del rayo 1626 está situado en un módulo de conformación del rayo 1624, que puede colocarse de forma extraíble entre un módulo colimador 1620 y un módulo oscilador 1630, por ejemplo, como se ha descrito anteriormente. De este modo, los módulos de conformación del rayo 1624 con diferentes ópticas difractivas pueden utilizarse de forma intercambiable en el cabezal de soldadura 1610. El módulo de conformación del rayo 1624 también puede proporcionar una trayectoria de bloqueo de seguridad 1666, como se ha descrito anteriormente.

[0117] En otra disposición más, el cabezal de soldadura 1610 puede acoplarse a un láser de fibra multihaz 1612 capaz de emitir múltiples rayos de forma selectiva. Un ejemplo de láser de fibra multihaz se describe en la solicitud internacional n.° PCT/US2015/45037 presentada el 13 de agosto de 2015 y titulada "Sistema láser de fibra multihaz". Los múltiples rayos pueden tener diferentes características, tal como diferentes modos, potencias, densidades de energía, perfiles y/o tamaños. La FIG. 19, por ejemplo, muestra múltiples rayos de diferentes tamaños. Los múltiples rayos pueden emitirse al mismo tiempo o los rayos individuales con diferentes características pueden emitirse por separado y de forma selectiva en diferentes momentos para proporcionar diferentes funciones (p. ej., calentamiento, soldadura y post-procesamiento). Los rayos múltiples también pueden ser moldeados por la óptica difractiva 1626 para producir rayos múltiples moldeados, por ejemplo, como se muestra en la FIG. 20. La forma y/o el tamaño de los rayos múltiples pueden cambiarse, por tanto, para diferentes funciones o aplicaciones utilizando el láser de fibra multihaz 1612 y/o diferentes elementos ópticos difractivos 1626. Para algunas aplicaciones de soldadura, por ejemplo, uno o más rayos pueden conformarse en forma de anillo o rosquilla para proporcionar una distribución de potencia más uniforme.

[0118] En consecuencia, un cabezal de soldadura láser con espejos móviles, coherente con las realizaciones descritas en el presente documento, permite un mejor control sobre el movimiento, el tamaño y/o la forma de un rayo láser utilizado para diversas aplicaciones de soldadura. Las realizaciones del cabezal de soldadura láser con espejos móviles pueden utilizarse, por lo tanto, para formar soldaduras más resistentes, más lisas y más uniformes.

[0120] Si bien en el presente documento se han descrito los principios de la invención, los expertos en la materia comprenderán que esta descripción se realiza solo a modo de ejemplo y no como una limitación del alcance de la invención tal y como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims

1. REIVINDICACIONES

1. Un cabezal de soldadura láser (110) que comprende:

un colimador (122) configurado para acoplarse a una fibra de salida de un láser de fibra (112);

al menos un primer y un segundo espejos móviles (132, 134) configurados para recibir un rayo láser colimado (116) del colimador (122);

una lente condensadora (142) configurada para condensar el rayo láser con respecto a una pieza de trabajo mientras se mueve el rayo; y

caracterizado por que el al menos primer y segundo espejos móviles (132, 134) están configurados para mover el rayo (116) en un primer y segundo ejes dentro de un campo de visión limitado definido por un ángulo de escaneo de aproximadamente 1-2°; y

por que la lente condensadora (142) no es una lente de escaneo y no es una lente de escaneo de múltiples elementos, en donde una lente F theta es una lente de escaneo de múltiples elementos.

2. El cabezal de soldadura láser (110) según la reivindicación 1, en donde los espejos móviles (132, 134) son aproximadamente del mismo tamaño.

3. El cabezal de soldadura láser (110) de la reivindicación 1, en donde los espejos móviles (132, 134) son espejos galvanométricos.

4. El cabezal de soldadura láser (110) de la reivindicación 1, en donde los espejos móviles (132, 134) están configurados para mover el rayo láser colimado dentro de un campo de visión limitado con una dimensión inferior a 30 x 30 mm.

5. El cabezal de soldadura láser (110) de la reivindicación 4, en donde los espejos móviles (132, 134) están configurados para mover el rayo láser colimado dentro de un campo de visión que tiene una dimensión de aproximadamente 15 x 5 mm.

6. El cabezal de soldadura láser (110) de la reivindicación 1, que comprende además un accesorio asistido por gas próximo a la lente condensadora para suministrar gas a un lugar de soldadura durante la soldadura.

7. El cabezal de soldadura láser (110) de la reivindicación 1, que comprende además una ventana protectora tras la lente condensadora (142).

8. El cabezal de soldadura láser (110) de la reivindicación 7, que comprende además una cuchilla de aire próxima a la ventana protectora.

9. El cabezal de soldadura láser (110) de la reivindicación 1, que comprende además al menos un primer y un segundo sensores térmicos próximos al primer y al segundo espejos (132, 134), respectivamente.

10. El cabezal de soldadura láser (110) de la reivindicación 1, que comprende además un detector para detectar una costura que se va a soldar.

11. El cabezal de soldadura láser (110) de la reivindicación 10, en donde el detector se dirige a través del cabezal de soldadura.

12. El cabezal de soldadura láser (110) de la reivindicación 1, que comprende además una trayectoria de bloqueo de seguridad que se extiende desde el colimador (122) hasta cerca de los espejos.

13. El cabezal de soldadura láser (110) de la reivindicación 1, en donde el al menos primer y segundo espejos móviles (132, 134) están configurados para permitir que el rayo oscile.

14. El cabezal de soldadura láser (110) según la reivindicación 1, en donde el láser de fibra (112) emite un rayo láser de hasta 50 kW.