BR112019000361B1

BR112019000361B1 - Método para processar uma peça de trabalho com um feixe de laser e aparelho de processamento a laser

Info

Publication number: BR112019000361B1
Application number: BR112019000361-4A
Authority: BR
Inventors: Jarno Kangastupa
Original assignee: Corelase Oy
Priority date: 2016-07-15
Filing date: 2016-07-15
Publication date: 2022-12-06
Also published as: US11351633B2; CN107848069B; EP3285956A1; CA3026330A1; EP3285956A4; US20190118299A1; KR102124881B1; CN107848069A; TW201805100A; TWI702105B; JP6602860B2; MX2017012798A; BR112019000361A2; ES2782114T3; KR20180116108A; WO2018011456A1; EP3285956B1; CA3026330C; JP2018527184A

Abstract

A presente invenção se refere a um aparelho e a um método para processamento de laser. Em concordância com a presente invenção, é proporcionado pelo menos um primeiro de laser a partir de pelo menos uma primeira fibra de alimentação óptica conectada para pelo menos um primeiro dispositivo de laser (6) e pelo menos um segundo feixe de laser a partir de pelo menos uma segunda fibra de alimentação óptica (9) conectada para pelo menos um segundo dispositivo de laser (7). Referidos primeiro e segundo feixes de laser são combinados em uma fibra óptica de núcleo múltiplo (12, 50). Referido primeiro núcleo (51) de referida fibra óptica de núcleo múltiplo possui uma seção transversal circular, e referido segundo núcleo (53) possui uma configuração anular concêntrica com referido primeiro núcleo. Um feixe de laser compósito, compreendendo primeiro e segundo feixes de saída, é direcionado a partir de referida fibra óptica de núcleo múltiplo (12, 50) para uma peça de trabalho com elementos de sobreposição (4a, 4b) a serem soldados.

Description

CAMPO TÉCNICO

[0001] A presente invenção se refere a um aparelho e a um método de processamento de laser. Em particular, a presente invenção se refere a soldagem de materiais por processamento de laser.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[0002] Quando de soldagem de metal com um feixe de laser, o feixe de laser é tipicamente condensado através de uma lente de condensador para um ponto de 100 μm - 500 μm para aumentar a densidade de energia e instantaneamente aquecer a peça de trabalho para um ponto de fusão de metal de 1.500 graus ou mais de maneira tal que a peça de trabalho funde. Ao mesmo tempo, um gás auxiliar pode ser alimentado para prevenir oxidação do metal fundido. Um feixe de laser de uma faixa de onda de um micrômetro a partir de um laser de estado sólido ou laser de fibra realiza uma muito alta intensidade de energia óptica e absorbância sobre um trabalho metálico comparado com um feixe de laser na faixa de onda de dez micrômetros a partir de um laser de CO2. Entretanto, se um feixe de laser de faixa de onda de um micrômetro com um feixe de Gaussian é utilizado com um gás auxiliar de oxigênio para cortar uma peça de trabalho de lâmina (folha) de aço macio, a largura fundida sobre a face de topo da peça de trabalho se amplia (alarga) desnecessariamente e prejudica o controle de Kerf (controle de corte). Em adição, auto queima pode ocorrer para deteriorar a qualidade do corte a laser.

[0003] A utilização de feixes de laser configurados em anel, que proporcionam um perfil de intensidade que pode ser descrito como possuindo uma configuração anular ou “de rosquinha” é conhecida para processamento de laser. Foi observado que corte de um metal de uma determinada espessura pode ser desempenhado com muito pouca energia quando utilizando um feixe de rosquinha ao invés de perfis de feixe mais convencionais, e pode render bons resultados em termos de velocidade e de qualidade de corte.

[0004] A patente norte americana número US 8.781.269 apresenta várias disposições para direcionar feixes de laser para um fibra multi folheada para gerar diferentes características de perfil de feixe de um feixe de laser de saída, onde um feixe de laser de entrada é efetivamente acoplado para um núcleo de fibra interno ou para um núcleo de anel externo.

[0005] Tais aplicações de processamento de materiais se empenham para maximizar o brilho do feixe de laser. Brilho é definido como a energia por ângulo sólido de unidade e área de unidade. Como um exemplo da importância de brilho, aumento do brilho de um feixe de laser significa que o feixe de laser pode ser utilizado para aumentar a velocidade de processamento ou a espessura de material. Feixes de laser de alto brilho podem ser obtidos a partir, por exemplo, de lasers de fibra e de lasers de disco fino. Lasers de diodo direto são constantemente também aperfeiçoados em brilho, mas lasers de diodo direto comerciais para processamento de materiais ainda não o suficiente alcança o brilho de lasers de fibra ou de lasers de disco fino.

[0006] Processamento de laser desempenhado em concordância com o estado da técnica possuem algumas importantes desvantagens em soldagem de placas revestidas de sobreposição que são ilustradas na Figura 1a e na Figura 1b. Com referência para a Figura 1a, se não existe nenhuma fenda entre as placas (1a, 1b), o feixe de laser (2) provoca que o material de revestimento entre as placas venha a vaporizar e a pressão provoca que as placas venham a se separar umas a partir das outras. Se existe fenda excessiva entre as placas (1a, 1b), a placa de topo (1a) pode queimar completamente. Como é ilustrado na Figura 1b, se as placas são forçadas para ficar juntas, por exemplo, por um gabarito, material de revestimento de vaporização é soprado fora através da costura de soldagem e provoca impurezas sobre a placa de topo, e um processo de purificação dispendioso e consumidor de tempo pode ser requerido.

[0007] Em concordância com isso, existe uma necessidade para métodos e dispositivos aperfeiçoados para aperfeiçoamento de soldagem por laser de placas de sobreposição.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0008] A solução específica da presente invenção e suas modalidades são definidas nas reivindicações de patente anexadas.

[0009] Em concordância com um aspecto da presente invenção um aparelho de processamento de laser compreende: - pelo menos um primeiro dispositivo de laser, cada um proporcionando pelo menos uma primeira fibra de alimentação óptica com um primeiro feixe de laser; - pelo menos um segundo dispositivo de laser, cada um proporcionando pelo menos uma segunda fibra de alimentação óptica com um segundo feixe de laser; - recurso de combinação de feixe conectado à primeira e segunda fibras de alimentação e para uma fibra óptica de núcleo múltiplo; o recurso de combinação sendo adaptado para formar um feixe de laser compósito por se possuir a pelo menos uma fibra de alimentação óptica alinhada com um primeiro núcleo da fibra óptica de núcleo múltiplo, e a pelo menos uma segunda fibra de alimentação óptica alinhada com pelo menos um segundo núcleo da fibra óptica de núcleo múltiplo, em que o primeiro núcleo da fibra óptica de núcleo múltiplo possui uma seção transversal circular, e o segundo núcleo possui uma configuração anular concêntrica com o primeiro núcleo; e: - Os primeiro e segundo núcleos sendo adaptados para em uma cabeça de processamento de laser, para direcionar um feixe de laser compósito compreendendo primeiro e segundo feixes de laser de saída para uma peça de trabalho com elementos de sobreposição a serem soldados.

[0010] Em concordância com um outro aspecto da presente invenção, um método para processamento de uma peça de trabalho com um feixe de laser é proporcionado, o método compreendendo: - provisão de pelo menos um primeiro feixe de laser a partir de pelo menos uma primeira fibra de alimentação óptica conectada para pelo menos um primeiro dispositivo de laser; - provisão de pelo menos um segundo feixe de laser a partir de pelo menos uma segunda fibra de alimentação óptica conectada para pelo menos um segundo dispositivo de laser; - combinação dos primeiro e segundo feixes de laser em uma fibra óptica de núcleo múltiplo por alinhamento da pelo menos uma primeira fibra de alimentação óptica com um primeiro núcleo da fibra óptica de núcleo múltiplo e a pelo menos uma segunda fibra de alimentação óptica com um segundo núcleo da fibra óptica de núcleo múltiplo; em que o primeiro núcleo da fibra óptica de núcleo múltiplo possui uma seção transversal circular, e o segundo núcleo possui uma configuração anular concêntrica com o primeiro núcleo, e: - direcionamento de um feixe de laser compósito compreendendo primeiro e segundo feixes de saída a partir da fibra óptica de núcleo múltiplo para uma peça de trabalho com elementos de sobreposição a serem soldados.

[0011] Em concordância com algumas modalidades do método e do aparelho da presente invenção, a peça de trabalho compreende uma primeira placa e uma segunda placa, o feixe de laser compósito é direcionado para a primeira placa, por intermédio do que o primeiro feixe de laser de saída a partir do primeiro núcleo provoca uma abertura através da primeira placa para a segunda placa e o segundo feixe de laser de saída a partir do segundo núcleo substancialmente provoca soldagem das placas. Em concordância com algumas adicionais modalidades da presente invenção, as placas são placas revestidas, tais como placas de aço, e o primeiro feixe de laser de saída provoca uma abertura para liberação de pressão provocada por revestimento de vaporização da segunda placa.

[0012] Em concordância com algumas modalidades da presente invenção, a densidade de energia em o primeiro e segundo feixes de saída é individualmente controlável por intermédio de uma unidade de controle que é funcionalmente conectada aos primeiro e/ou segundo dispositivos de laser.

[0013] Em concordância com algumas modalidades da presente invenção, o centro de uma primeira fibra de alimentação óptica adaptada para guiar um primeiro feixe de laser é alinhado com o centro do primeiro núcleo da fibra óptica de núcleo múltiplo e o centro de pelo menos uma segunda fibra de alimentação óptica adaptada para guiar um segundo feixe de laser é alinhado entre os diâmetros interno e externo do segundo núcleo anular da fibra óptica de núcleo múltiplo.

[0014] Em concordância com algumas modalidades da presente invenção, o primeiro feixe de saída é fechado ou é ajustado para um nível baixo em caso de soldagem contínua.

[0015] Em concordância com um aspecto adicional da presente invenção, um aparelho inventivo é utilizado para soldagem a laser de elementos de sobreposição.

[0016] A seguir, modalidades da presente invenção são descritas em maiores detalhes com referência para os Desenhos das Figuras anexadas.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0017] A seguir, a invenção é descrita em detalhe com referência aos desenhos anexos, em que: a Figura 1a e a Figura 1b ilustram soldagem de laser convencional de placas de sobreposição; a Figura 2 mostra uma modalidade de aplicação de soldagem de laser em concordância com uma modalidade da presente invenção; a Figura 3 mostra um aparelho de processamento de laser em concordância com uma modalidade da presente invenção; a Figura 4 mostra em seção transversal um feixe de laser compósito em concordância com uma modalidade da presente invenção; a Figura 5 mostra uma seção transversal de uma extremidade de recepção de recurso de acoplamento em concordância com uma modalidade da presente invenção; a Figura 6 ilustra o perfil de índice de refração na saída de um acoplamento em concordância com uma modalidade da presente invenção; e: a Figura 7 mostra esquematicamente um componente óptico em concordância com uma modalidade da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE MODALIDADES

[0018] Em várias aplicações, elementos um sobre o topo do outro, e sem nenhuma fenda ou com muita pouca fenda entre os elementos, necessitam ser soldados juntamente por aplicação de feixe de laser através de um dos elementos para formar a soldagem entre os elementos. Em concordância com um aspecto da presente invenção, soldagem de laser de elementos um sobre o topo do outro pode agora ser aperfeiçoada por um método e por um aparelho em que um primeiro feixe de saída de laser possuindo substancialmente uma seção transversal circular e um segundo feixe de saída de laser com uma configuração substancialmente anular concêntrica com o primeiro feixe de laser são formados. O primeiro feixe de laser de saída pode, por consequência, ser referenciado como feixe circular ou central, e o segundo feixe de laser de saída pode ser referenciado como feixe anular ou de anel. O primeiro feixe de laser de saída e o segundo feixe de saída de laser são direcionados para uma peça de trabalho com elementos de sobreposição a serem soldados. O primeiro feixe de laser de saída provoca uma abertura para liberação de pressão provocada entre os elementos e o segundo feixe de laser de saída primordialmente provoca soldagem e suaviza a abertura. Por consequência, quando os feixes de laser de saída são direcionados para uma primeira placa, tal como uma placa de aço inoxidável revestida, o primeiro feixe de laser de saída provoca uma abertura circular através da primeira placa para uma segunda placa e o segundo feixe de laser de saída provoca soldagem das placas.

[0019] A Figura 2 mostra uma seção transversal esquemática ilustrando soldagem de laser em concordância com uma modalidade da presente invenção. A peça de trabalho (3) compreende uma primeira placa revestida (3a) e uma segunda placa revestida (3b), tais como placas de aço revestidas de alumínio ou revestidas de zinco. O feixe central (4) provoca uma abertura para saída que pressão pelo revestimento de vaporização da segunda placa (3b) venha a escapar e o feixe de anel (5) substancialmente provoca a soldagem das placas e a suavização da abertura. O calor provocado pelo feixe conduz por intermédio da primeira placa e funde a área no interior do feixe de anel para formação da solda.

[0020] Existem várias vantagens obteníveis por aplicação da combinação presentemente divulgada do feixe central (4) e do feixe de anel (5) para soldar elementos de sobreposição. A pressão provocada entre as placas (3a, 3b) (tipicamente provocada pelo material de revestimento) pode ser liberada pela abertura provocada pelo feixe central, que é fechado quando o laser se movimenta para a subsequente posição de soldagem. O material de revestimento de camada superior pode se misturar (combinar) com a costura de solda sem provocação de respingos para o exterior da costura. Recursos adicionais para forçar as placas juntamente e adicional processo de purificação para remover respingos podem, por consequência, ser evitados.

[0021] Em concordância com uma modalidade da presente invenção, as densidades de energia em os primeiro e/ou segundo feixes de laser de saída podem ser individualmente controladas, independentemente do estado dos outros feixes. As modalidades da presente invenção podem ser aplicadas para soldagem de ponto e aplicações de soldagem contínua. No caso de soldagem contínua, a borda de condução do feixe de anel (5) na direção de movimentação de uma cabeça de processamento de laser provoca um primeiro pico de intensidade e a borda traseira do feixe de anel (5) provoca um segundo pico de intensidade. Portanto, os elementos são aquecidos em estágios e o nível de intensidade da borda traseira e de condução pode ser mais baixo quando comparado com feixe de ponto único para provocar fusão adequada. Em adição para o pré-aquecimento, a borda de condução também proporciona ablação de contaminante. Isto possibilita evitar mudança de temperatura aguda e evita ou pelo menos reduz subsequente temperamento e, por consequência, áreas mais fracas provocadas pela mudança de temperatura aguda. A utilização do feixe de anel em soldagem contínua é também vantajosa em evitação de respingos. Em uma modalidade da presente invenção, a densidade de energia do feixe central (4) pode ser ajustada como baixa ou o feixe central pode ser completamente fechado. Por consequência, superaquecimento pode ser evitado.

[0022] Um híbrido de feixe central (4) e de feixe de anel (5) pode ser gerado por combinação de feixes de laser a partir de dispositivos de laser e fibras de alimentação originário/as em uma fibra óptica de múltiplo núcleo, a partir do/as quais um resultante feixe de laser compósito com o feixe central (4) e o feixe de anel (5) podem ser direcionados para a peça de trabalho (3). Uma primeira fibra de alimentação óptica pode ser alinhada com um primeiro núcleo da fibra óptica de núcleo múltiplo e uma segunda fibra de alimentação óptica pode ser alinhada com um segundo núcleo da fibra óptica de núcleo múltiplo. O primeiro núcleo da fibra óptica de núcleo múltiplo possui uma seção transversal circular e o segundo núcleo possui uma configuração anular concêntrica com o primeiro núcleo. Modalidades exemplificativas adicionais da presente invenção são ilustradas abaixo.

[0023] Em algumas modalidades da presente invenção, soldagem de laser de buraco de fechadura é aplicada em combinação com soldagem de condução de calor para soldar elementos um sobre o topo do outro por aplicação de feixes de laser de centro e de anel. Soldagem de laser de buraco de fechadura é geralmente utilizada quando o material necessita ser unido com uma espessura mais alta para relação de aspecto de largura. Um feixe de laser com uma alta intensidade aquece o material acima da temperatura de evaporação resultando em uma profunda capilaridade chamada de um buraco de fechadura na borda de condução do metal fundido. Na medida em que a fonte de calor progride, o metal fundido preenche por trás do furo para formar um cordão de solda. Gás inerte blinda (defende) o processo e protege o mesmo durante o processo de soldagem de buraco de fechadura a partir de oxidação indesejada. Por emissão de pulsos únicos com intensidade de pulso muito alta, soldas de ponto podem também ser conseguidas, tal como é utilizada na indústria de eletrônicos.

[0024] Soldagem de condução de calor é aplicável para lâmina (folha) de metal tipicamente até uma espessura de material de aproximadamente 2 mm. Um feixe de laser, focalizado sobre a costura, aquece o material e este calor é rapidamente conduzido através das lâminas (folhas) provocando que as mesmas venham a se fundir e a se unir juntamente. A óptica de focalização é movimentada ao longo da costura enquanto focaliza o feixe de laser para a amostra, deixando uma solda de alta qualidade. Para soldagem de condução, lasers com brilho mais baixo, como lasers de diodo direto, podem ser utilizados.

[0025] Uma lâmina de metal que é processada por um laser de diodo com capacidade de condução de soldagem ou corte, impacta um relativamente raso, mas amplo, ponto do metal. Tipicamente, lasers de diodo deste tipo possuem uma classificação de energia de 2 kW e uma densidade de energia de bem abaixo de 0,1 MW/cm2. A profundidade máxima (e capacidade de corte) do ponto é tipicamente de 2 mm. Um padrão de buraco de fechadura típico é provocado por um laser de alto brilho, tal como um laser de fibra. Não existe nenhum limite prático para quão espessas lâminas (folhas) de metal podem ser cortadas com um tal laser, mas este limite depende evidentemente da intensidade de feixe de laser e da velocidade de processamento, isto é, a velocidade com a qual o feixe de laser é movimentado através da superfície de metal. Lasers de fibra podem possuir uma classificação de energia de até de 1 kW - 10 kW, e uma intensidade de energia de diversos MW/ cm2. O diâmetro do buraco de fechadura pode ser na região de menos do que um milímetro; 0,1 milímetros, por exemplo, e o diâmetro do ponto (2) pode ser na região de diversos milímetros, tal como de 3 milímetros, por exemplo.

[0026] Quando de comparação de costuras de solda de buraco de fechadura puras e aplicação de costuras de solda híbridas por feixes de laser circulares e anulares foi observado que a penetração de costura de solda híbrida é de pelo menos 20% mais profunda do que de costura de solda de buraco de fechadura pura utilizando a mesma velocidade de processamento. Devido para o fato própria natureza da soldagem híbrida inventiva, a costura de solda é evidentemente também mais ampla. Os valores de dureza de Vickers (HV) são também mais baixos para as costuras de solda híbridas do que para as costuras de buraco de fechadura, indicando um efeito de endurecimento menor (inferior) nas costuras híbridas. Já a partir destes exemplos, pode ser observado que os efeitos de combinação de processamento de laser de buraco de fechadura e de condução são consideráveis.

[0027] A Figura 3 mostra uma modalidade de um aparelho inventivo. Um laser de fibra de alto brilho (6) é conectado com uma fibra óptica (8) para um combinador de feixe de laser (11). Da mesma forma, um ou diversos lasers de estado sólido ou de diodo (7) são conectados com uma fibra (9) para o combinador de feixe (11). Genericamente, combinadores de feixe de laser único são conhecidos no estado da técnica. Neste caso, a tarefa do combinador é a de dispor todos os feixes de laser adentrando de maneira tal que estes feixes de laser podem ser acoplados para uma fibra óptica de núcleo duplo (12). Por consequência, a natureza híbrida do laser é o resultado de se possuir dois feixes de laser se propagando no interior de uma única fibra óptica de núcleo duplo (12). Os dois feixes de laser no interior da fibra (12) possuem tipicamente diferentes perfis de brilho e de intensidade, e podem ainda possuir diferentes comprimentos de onda. Adicionalmente, os níveis de energia nos dois feixes de laser podem ser independentemente e continuamente controlados por ajustamento dos níveis de energia a partir do laser de fibra (6) e do laser de estado sólido ou de diodo (7).

[0028] De maneira a conseguir um suficiente brilho do feixe, o laser de fibra de alto brilho (6) pode consistir de oscilador de laser de diodo bombeado de fibra única ou múltipla ou de módulos de amplificador de energia de oscilador mestre (master) [master oscillator-power amplifier (MOPA)], cada um consistindo de lasers de diodo acoplados por fibra, por exemplo, acoplados para um ressonador de fibra. Exemplos adicionais de lasers de alto brilho são lasers de disco fino acoplados por fibra ou lasers de Nd- YAG, que são bombeados com luz a partir de lasers de diodo. Tecnologia de laser moderna frequentemente confia em (depende de) luz como meio de transferência de energia, na medida em que muitos materiais de amplificação de luz de estado sólido ativo são isoladores. Lasers de diodo foram substituídos previamente utilizavam lâmpadas de flash devido para o fato de suas mais altas eficiências e espectros de luz mais estreitos.

[0029] O laser (7) é tipicamente laser acoplado por fibra que pode também compreender um ressonador de laser de estado sólido bombeado por lasers de diodo, por exemplo, um ressonador de laser de disco fino (não mostrado). A fibra óptica de núcleo duplo (12) carrega (transporta) o feixe de laser a partir do laser de fibra (6) em seu núcleo central e o feixe gerado por um ou por múltiplos segundos ressonadores de laser (7) em um núcleo externo que é disposto anularmente em torno do núcleo central, em uma distância a partir do núcleo central, ver a Figura 5. Obviamente, e em uma modalidade da presente invenção, tanto o primeiro e quanto o segundo lasers podem ser lasers de fibra, cada um possuindo níveis de energia independentemente controláveis. Alguns lasers são lasers de fibra por construção e inerentemente alimentam a luz para uma fibra óptica, outros necessitam ser opticamente interfaceados com uma fibra de maneira a alinhar o feixe de laser para o núcleo da fibra de saída. Por consequência, e algumas modalidades da presente invenção, tanto o laser (6) e quanto o laser (7) podem ser lasers de fibra; em outras modalidades da presente invenção, qualquer combinação de laser de fibra e de laser de estado sólido ou de laser de diodo, ou ambos podem ser lasers de diodo. O propósito do aparelho de laser e das classificações de energia dos módulos de laser individuais é o de determinar quais tipos de lasers são conceptíveis para serem conectados para o combinador de feixe (11).

[0030] A fibra óptica de núcleo duplo é em sua extremidade oposta conectada para uma cabeça de processamento de laser (13) que guia um feixe de laser combinado ou compósito (16) para frente para uma peça de trabalho (14). A cabeça de processamento de laser (13) usualmente compreende lentes de colimação e de focalização (não mostradas) para produzir uma imagem do perfil de intensidade emergindo a partir da extremidade da fibra (12) em cima da peça de trabalho (14) com um tamanho desejado, conforme determinado pelos comprimentos focais das lentes. A tarefa da cabeça de processamento de laser (13) pode também ser a de proporcionar gás de proteção para uma costura de solda, ou jato de gás pressurizado para uma linha de corte. Gás pressurizado também protege os ópticos (a ótica) dentro da cabeça de processamento de laser (13) a partir de respingos de metal fundido, e também remove o mesmo a partir da linha de corte auxiliando manter a mesma limpa.

[0031] Em uma modalidade da presente invenção, o aparelho é proporcionado com uma unidade de controle (10). A unidade de controle (10) pode também ser integrada em uma das unidades de laser (6) ou (7). Alternativamente, todas as unidades (6), (7) e (10) podem ser colocadas em um alojamento único e serem integradas umas com as outras em sua construção, para conveniência e confiabilidade. A unidade de controle (10) pode ser utilizada para desempenhar controle de energia do perfil de feixes de anel e central, e para habilitar feixe de anel-central dinamicamente ajustável que pode ser ajustado em voo conforme a aplicação requer. A unidade de controle (10) pode ser configurada para controlar modulação de pelo menos uma das unidades de laser (6), (7). Preferivelmente, a modulação de ambos os feixes de laser pode ser dinamicamente controlada separadamente. Portanto, uma grande variedade de diferentes aplicação e propósitos de soldagem se torna possível pelo mesmo aparelho. O perfil de feixe pode ser dinamicamente ajustado para encaixar (adaptar-se a) uma variedade de demandas de desafiadores/as tipos/aplicações de soldagem, tais como diferentes materiais, revestimentos e/ou espessuras.

[0032] A unidade de controle (10) pode receber retorno (feedback) (15) a partir do usuário da cabeça de processamento de laser (13), ou retorno automático, por exemplo, a partir de sensores de intensidade de luz. O retorno ou entrada é, então, utilizado/a para controlar a energia dos lasers (6) e (7) para seguir alvos pré- determinados, ou para ajustar a energia de laser em concordância com a soldagem resultante ou com o resultado de corte observada/o na peça de trabalho (14). Em uma modalidade da presente invenção, quando soldagem contínua é selecionada, a unidade de controle (10) pode ajustar parâmetros apropriados para soldagem pelo feixe de anel (5) e fechar o feixe central (4) ou ajustar o mesmo em um nível baixo. A unidade de controle (10), ou uma outra unidade de controle, pode também controlar outras funções do aparelho de soldagem, tal como a movimentação da cabeça de processamento de laser (13).

[0033] A unidade de controle (10) pode compreender um computador de propósito geral, por exemplo. Um tal computador pode ser proporcionado com software apropriado para controle dos lasers (6) e (7) fundamentado sobre determinados parâmetros de entrada e retorno (feedback) recebido (15). Alternativamente, a unidade de controle pode compreender um micro controlador, tal como um micro controlador Renesas RL 78 ou Toshiba TLCS-870, ou similares. A unidade de controle pode compreender, ou ser conectada para, pelo menos uma memória. A memória pode incluir vários parâmetros afetando a operação do aparelho, tais como ajustes de parâmetro definindo diferentes perfis de feixe central e/ou de anel e, por consequência, diferentes perfis de soldagem ajustáveis por um operador. A memória pode armazenar código de programa de computador, a pelo menos uma memória e o código de programa de computador sendo configurada/os para, com pelo menos um núcleo de processamento, controlar as operações de aparelho de soldagem e a geração de feixe central e de anel em concordância com várias modalidades.

[0034] Em concordância com a presente invenção, o combinador de feixe (11) é feito de componentes de sílica fundida onde energia óptica está se propagando no interior da sílica fundida através da integridade de estrutura de combinador, e o combinador possui fibras ópticas na entrada e na saída. Consequentemente, na presente invenção o combinador de feixe (11) pode ser chamado de um combinador toda de fibra de vidro.

[0035] Na Figura 4, é mostrada a estrutura de um feixe de laser compósito (40) emergindo a partir da cabeça de processamento de laser (13) para a peça de trabalho (14). Um feixe de anel externo anular (42) está carregando (transportando) a energia de laser proporcionada pelo dispositivo de laser (7). Correspondentemente, um feixe central interno (41) está carregando (transportando) a energia de laser proporcionada pelo dispositivo de laser de fibra (6), e irá provocar um padrão de buraco de fechadura na peça de trabalho (14), devido para o fato de seu brilho mais alto. Entre os feixes está uma zona configurada anularmente (43), que proporciona somente dispersão ou nenhuma radiação de laser de qualquer modo.

[0036] Na Figura 5 é mostrada uma seção transversal de uma fibra óptica de duplo núcleo exemplificativa (50), possuindo um núcleo central (51) com um revestimento primário (54). O núcleo externo (53) é espacialmente formado pelo revestimento interno (54) e pelo revestimento externo (55). Como é claro para qualquer um familiarizado com o estado da técnica, o revestimento é definido como um material possuindo um índice de refração mais baixo do que aquele do núcleo. Por exemplo, o diâmetro do núcleo central (51) pode ser de 70 μm, e o diâmetro interno e o diâmetro externo do núcleo externo (53) podem ser de 100 μm e de 180 μm, respectivamente. Os núcleos central e periférico (51) e (53) podem também tomar outras formas do que aquelas descritas anteriormente. O núcleo central (51) pode ser de uma configuração quadrada ou retangular, por exemplo. O núcleo periférico (53) pode também possuir limites retangulares ou ser composto de múltiplos segmentos de configurações linear ou circular.

[0037] Com linhas tracejadas é mostrado como os núcleos das extremidades de fibras de alimentação fundidas (56) e (57) [fibras (72) e (71) na Figura 7] a partir do combinador de feixe podem se alinhar com a seção transversal da fibra óptica de núcleo duplo (50).

[0038] A radiação de laser no núcleo central (51) da fibra óptica de núcleo duplo (50) possui um perfil de intensidade espacial central e estreito, enquanto a distribuição de intensidade no núcleo externo (53) está tomando a configuração de uma rosquinha. Este padrão de intensidade espacial é adicionalmente retratado (espelhado) com óptica de processamento na cabeça de processamento de laser (13) em cima da peça de trabalho (14). Com esta configuração, a qualidade de feixe do feixe de laser é relativamente alta tanto no núcleo central e quanto no núcleo externo. Entretanto, devido para o fato das diferenças em configurações e áreas de seção transversal, o núcleo interno pode produzir uma melhor qualidade de feixe do que o núcleo externo e é consequentemente, mais bem destinado em corte de materiais finos e de peças de trabalho, ou feitura de perfuração (piercing) em corte de materiais espessos. Para materiais mais espessos, as desvantagens de uma qualidade de feixe um pouco mais baixa produzida pelo núcleo externo ou superada pelas combinadas velocidade de processamento e limpeza da costura de solda ou superfícies de corte devido para o fato da distribuição de intensidade assemelhada a anel do núcleo externo. As intensidades de energia do núcleo interno e do núcleo externo podem ser ajustáveis individualmente e em concordância com os requerimentos da peça de trabalho, por ajustamento da energia das fontes de laser de origem.

[0039] Referindo-se agora para a Figura 6, um perfil de índice de refração exemplificativo de uma fibra óptica de núcleo duplo (50) é mostrado. Os núcleos (51) e (53) possuem um índice de refração de (n51) e (n53) que é mais alto do que os índices (n54) e (n55) dos materiais circundantes (54) e (55), respectivamente. Desta maneira, o feixe de laser é guiado para uma peça de trabalho com a degradação mínima possível no perfil de intensidade anular e atenuação da energia óptica e intensidade em cada um dos núcleos, conforme a Figura 4.

[0040] O índice de refração de sílica fundida pode ser ajustado por dopagem da mesma com impurezas. Sílica fundida de dopagem com germânio resulta em um aumento do índice de refração, enquanto dopagem da mesma com flúor resulta em redução do índice de refração. Consequentemente, os núcleos (51) e (53) podem ser feitos de sílica fundida dopada por Ge ou não dopada, e seus revestimentos primários (54) e (55) de sílica fundida dopada por F, por exemplo.

[0041] Na Figura 7 é mostrado o componente óptico chave (70) do combinador de fibra (11). Este componente é um tubo capilar de múltipla perfuração possuindo uma parte de corpo consistindo de um tubo de vidro de sílica fundida (77), uma extremidade de entrada (76) para recepção de feixes de laser (não mostrados) carregados (transportados) por fibras de alimentação óptica (71) e (72) a partir de pelo menos dois dispositivos de laser [por exemplo, as fibras (8) e (9) a partir dos dispositivos (6) e (7)]. Este componente também possui uma extremidade de saída oposta (74) para entrega de um feixe de laser de saída compósito consistindo de pelo menos dois feixes de laser alinhados um com o outro na mesma direção.

[0042] As fibras de alimentação óptica (71, 72) adentrando a extremidade de entrada (76) se estendem através da parte de corpo em perfurações capilares para a extremidade de saída (74), e são fundidas com o tubo de vidro (77) para formar um componente consistindo de núcleos de guia de luz (71a, 72a) e de material de vidro circundante. Os núcleos possuem índice de refração que é mais alto do que o índice de refração do material de vidro circundante em torno dos núcleos para proporcionar para propagação de energia óptica nos núcleos através da integridade de componentes por intermédio de reflexão interna total.

[0043] Para mostrar o princípio do combinador de fibra, as dimensões dos núcleos e as dimensões do componente (70) não estão em escala, e para clareza, somente um par dos núcleos são mostrados com linhas tracejadas.

[0044] Um componente óptico (70) pode ser fabricado, por exemplo, por extração. Neste exemplo, pode existir uma perfuração maior para a fibra (72) de 300 μm em diâmetro no centro e quatro perfurações menores para as fibras (71) colocadas simétricas e periféricas para a perfuração de centro (72). As perfurações menores podem possuir um diâmetro de 150 μm, por exemplo. O diâmetro exterior do tubo capilar pode ser de 1 mm. O material do tubo pode ser sílica fundida, por exemplo. As fibras, cujo revestimento externo de vidro a granel (não mostrado) foi preferivelmente gravado à água forte pelo menos parcialmente, são inseridas para as perfurações medianas e empurradas de lado a lado para uma parte de cintura (73) do afunilamento capilar. Quando as fibras estão no lugar, o tubo capilar (70) é aquecido na seção de cinta (73) para fundir as fibras para o tubo e para formar um primeiro núcleo de guia de luz central (72a) e segundos núcleos de guia de luz (71a), os quais se estendem todos através do componente óptico (70).

[0045] As fibras (71, 72) podem, como uma alternativa, possuir um núcleo interno de material de sílica fundida pura e um revestimento externo de sílica dopada por F. Desta maneira, o tubo de vidro de sílica fundida (77) do componente óptico (70) pode ser fabricado a partir de sílica fundida pura, devido para o fato de que os núcleos de guia de luz das fibras são inerentemente circundados por material com um índice de refração mais baixo. Isto significa que a luz permanece nos núcleos (71a, 72a) até mesmo se o índice de refração do tubo capilar (70) é o mesmo como nos núcleos de fibra. Neste caso, o revestimento de fibra externo de vidro a granel pode ser gravado à água forte abaixo para o revestimento dopado por F, ou ainda adicionalmente, tanto quanto algum revestimento dopado por F permanece em torno do núcleo de fibra interno puro ou dopado por Ge.

[0046] Os núcleos fundidos (71a, 72a) (mostrados com linhas tracejadas) e o tubo capilar (70) são, então, cortados ou clivados (fendidos) para criar uma superfície de extremidade (74). Uma fibra de núcleo duplo (12) como aquela que é mostrada na Figura 3 pode, então, ser soldada para o tubo capilar (70) na superfície de extremidade (74), resultando em uma costura (75).

[0047] Em modalidades preferidas da presente invenção, o centro da primeira fibra de alimentação óptica

Claims

1. Método para processar uma peça de trabalho com um feixe de laser, caracterizado por compreender: - prover pelo menos um primeiro feixe de laser a partir de pelo menos uma primeira fibra de alimentação óptica (8) conectada a pelo menos um primeiro dispositivo de laser (6); - prover pelo menos um segundo feixe de laser a partir de pelo menos uma segunda fibra de alimentação óptica (9) conectada a pelo menos um segundo dispositivo de laser (7); - combinar os primeiro e segundo feixes de laser em uma fibra óptica de núcleo múltiplo (12, 50) por alinhamento da pelo menos uma primeira fibra de alimentação óptica com um primeiro núcleo (51) da fibra óptica de núcleo múltiplo e a pelo menos uma segunda fibra de alimentação óptica com um segundo núcleo (53) da fibra óptica de núcleo múltiplo; em que o primeiro núcleo (51) da fibra óptica de núcleo múltiplo tem uma seção transversal circular, e o segundo núcleo (53) possui uma configuração anular concêntrica com o primeiro núcleo, e: - direcionar um feixe de laser compósito compreendendo primeiro e segundo feixes de saída a partir da fibra óptica de núcleo múltiplo (12, 50) para uma peça de trabalho com elementos de sobreposição (3a, 3b) a serem soldados, em que pelo menos uma das peças de trabalho com elementos de sobreposição (3a, 3b) é revestida, o primeiro feixe de laser emitido causa uma abertura para liberar a pressão causada pela vaporização do revestimento e o segundo feixe de laser emitido provoca a soldagem das placas.

2. Método para processar uma peça de trabalho com um feixe de laser, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a densidade de energia nos primeiro e segundo feixes de saída ser controlada individualmente por intermédio de uma unidade de controle (10) que é funcionalmente conectada aos primeiro e/ou segundo dispositivos de laser (6, 7).

3. Método para processar uma peça de trabalho com um feixe de laser, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o método ser aplicado para soldagem contínua, por intermédio do que o feixe de laser compósito é movimentado para soldagem contínua e o primeiro feixe de saída é fechado ou é ajustado para um nível baixo.

4. Método para processar uma peça de trabalho com um feixe de laser, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a peça de trabalho compreende uma primeira placa (3a) e uma segunda placa (3b), o feixe de laser compósito é direcionado para a primeira placa (3a).

5. Método para processar uma peça de trabalho com um feixe de laser, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que as placas (3a, 3b) são placas de aço revestidas.

6. Método para processar uma peça de trabalho com um feixe de laser, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por compreender: - alinhar o centro da primeira fibra de alimentação (72, 56) com o centro do primeiro núcleo (51) o qual é central na seção transversal da fibra óptica de núcleo múltiplo (12, 50); - alinhar o centro de uma segunda fibra de alimentação (71, 57) entre os diâmetros interno e externo de um segundo núcleo anular (53) concêntrico com o primeiro núcleo (51).

7. Método para processar uma peça de trabalho com um feixe de laser, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um primeiro dispositivo de laser (6) é um laser de fibra.

8. Aparelho de processamento a laser, compreendendo: - pelo menos um primeiro dispositivo de laser (6); - pelo menos um segundo dispositivo de laser (7); caracterizado pelo fato de que: no pelo menos um primeiro dispositivo de laser (6), cada um prove pelo menos uma primeira fibra de alimentação óptica com um primeiro feixe de laser; no pelo menos um segundo dispositivo de laser (7), cada um prove pelo menos uma segunda fibra de alimentação óptica (9) com um segundo laser; - recurso de combinação de feixe (11) conectado à primeira e segunda fibras de alimentação e a uma fibra óptica de núcleo múltiplo (12, 50), o recurso de combinação sendo adaptado para formar um feixe de laser compósito (16) por possuir a pelo menos uma fibra de alimentação óptica (72, 56) alinhada com um primeiro núcleo (51) da fibra óptica de núcleo múltiplo (50), e a pelo menos uma segunda fibra de alimentação óptica (71, 57) alinhada com pelo menos um segundo núcleo (53) da fibra óptica de núcleo múltiplo (50), em que o primeiro núcleo (51) da fibra óptica de núcleo múltiplo tem uma seção transversal circular, e o segundo núcleo (53) tem uma configuração anular concêntrica com o primeiro núcleo (51); e; - os primeiro e segundo núcleos sendo adaptados em uma cabeça de processamento de laser (13), para direcionar um feixe de laser compósito (16, 40) compreendendo primeiro e segundo feixes de laser de saída (41, 42) à uma peça de trabalho com elementos de sobreposição (3a, 3b) a serem soldados, em que pelo menos uma das peças de trabalho com elementos de sobreposição (3a, 3b) é revestida, o primeiro feixe de laser emitido causa uma abertura para liberar a pressão causada pela vaporização do revestimento e o segundo feixe de laser emitido provoca a soldagem dos elementos (3a, 3b), e o aparelho adicionalmente compreende uma unidade de controle (10) funcionalmente conectada aos primeiro e segundo dispositivos de laser (6, 7), e configurada para individualmente controlar a densidade de energia no primeiro e/ou segundo feixes de laser de saída, em que a unidade de controle é adicionalmente configurada para fechar o primeiro feixe de saída ou para ajustar o primeiro feixe de saída para um nível baixo em caso de soldagem contínua.