CN115003449A - 用于激光加工工件的方法和用于激光加工工件的设备 - Google Patents

Abstract

提供了一种激光加工工件的方法，其中a)生成加工激光束并使用至少一个光学元件将加工激光束成像在工件上；b)使用成像加工激光束加工工件并在工件中生成切割间隙；c)在步骤b)期间监测至少一个切割间隙的几何参数；以及d)在步骤c)期间调节所监测的切割间隙的几何参数，以用于与切割间隙的几何参数的目标值相协调。还提供了一种用于激光加工工件的设备。

Description

用于激光加工工件的方法和用于激光加工工件的设备

本发明涉及用于激光加工工件的方法、用于激光加工工件的设备以及用于激光加工工件的设备的用途。

激光加工设备在激光加工工件中使用，特别是在用于借助于激光束对材料进行热分离例如激光切割的方法中使用。在许多情况下，激光加工头用于将加工激光束引导至工件上，例如引导至待加工的金属片材上。

当使用活性切割气体例如氧气进行激光切割时，工件的金属材料燃烧例如在其被激光束加热至点燃温度之后燃烧。这种激光切割也称为火焰切割。氧气与工件的材料之间的反应生成支持切割过程的附加的热。具有低粘度的熔化的液体材料可以通过气体的剪切力从切割边缘或从切割间隙去除。当使用诸如氮气或氩气的惰性气体进行切割时，工件的材料仅被激光功率熔化并且可以通过气体流的动能被从切割间隙中吹出。这种激光切割也称为熔化切割。使用合适的检测器记录的在激光切割过程期间生成并由工件发射的过程照明(固有照明)，可以用于监测切割过程和切割间隙。此外，可以照亮工件的激光加工区，从而可以检测到由工件反射和/或发射的光束。

加工激光束的焦点可以随着时间的推移和功率的增加而经受焦点偏移(焦点的偏移)，特别是由于用于激光束的光学成像的光学元件的加热而经受焦点偏移(焦点的偏移)。这种不期望引发的焦点偏移影响加工结果。为了抵消焦点偏移并能够稳定地切割，可以给出过程参数足够大的公差。然而，焦点经常转移至不利的位置或定位，这导致了切割质量降低。

US2018029164 A1描述了焦点位置的测量。然而，焦点位置是在切割头中测量的，这使得切割头昂贵、重且复杂。

根据DE 100 45 191 A1，切割头中的热变量及其计算导数用于能够实时补偿光束变化。

DE102016219928 A1涉及其中借助于基于摄像装置的切割间隙测量来确定相对于工件的焦点位置的方法。该焦点位置通过确定的切割间隙宽度来确定。为此，必须测量激光束的焦散，这使得校准步骤成为必要。此外，在该方法的过程中必须反复地确定焦点位置。因此，该过程是复杂的。

因此，从上述文献中补偿焦点偏移的方法依赖于间接测量，并且对于执行来说是复杂的和/或耗时的。

本发明的目的是提供使用它们可以以简单的方式抵消不期望的焦点偏移的方法和设备。

该目的通过根据权利要求1的方法、根据权利要求11的设备和根据权利要求19的用途来实现。

在一个实施方式中，提供了一种用于激光加工工件的方法，其中a)生成加工激光束并使用至少一个光学元件将加工激光束成像在工件上；b)使用成像加工激光束加工工件并在工件中生成切割间隙；c)在步骤b)期间监测至少一个切割间隙的几何参数；以及d)在步骤c)期间调节所监测的切割间隙的几何参数，以用于与切割间隙的几何参数的目标值相协调。

由于切割间隙的至少一个几何参数在激光加工期间被监测和控制，因此不需要确定焦点位置。因此，该方法不是很耗时的，不需要校准，并且易于实现。

在实施方式的方法中，步骤d)可以通过改变选自以下中的至少一个参数来执行：加工激光束的宽度、加工激光束的直径、加工激光束在其传播方向上的焦点的位置、平行于加工激光束传播方向的光学元件中的至少一个的位置、光学元件中的至少一个的表面曲率、包括至少一个光学元件的光学系统的焦距以及加工激光束的强度分布，特别是加工激光束的垂直于其传播方向的强度分布。步骤d)可以通过调整加工激光束在工件上的成像来执行。例如，如果所监测的切割间隙的几何参数中的一个或更多个偏离了相应的期望目标值，则焦点位置被校正。

在实施方式的方法中，步骤d)可以独立于加工激光束的焦散和/或加工激光束的束腰的位置来执行。因此，该方法不是很耗时的，不需要校准，并且易于实现。

在实施方式中，在步骤d)中使用的几何参数的目标值可以是或被确定为选自以下中的至少一个元素的函数：激光加工的类型；工件的材料；工件的厚度；工件的形状；使用其生成加工激光束的加工激光源的功率；加工激光束在工件上的入射角；加工激光束的光束参数乘积(BPP)；加工激光束的焦点直径；以及，加工激光束的发散角。例如，相应几何参数的目标值可以根据激光切割的类型来确定。例如，可以为火焰切割选择与对于熔化切割不同的目标值。该目标值可以由用于调节所监测的几何参数的装置和/或控制器来确定，以及/或者可以由操作者来指定。例如，该目标值可以从查找表中获取。

在实施方式的方法中，至少一个几何参数可以被选择或者选自切割间隙的宽度、切割间隙的切割前角、切割间隙的切割边缘的表面结构、切割间隙的切割边缘的粗糙度、工件在切割间隙处的形状、由工件反射和/或发射的光束的宽度、以及/或者由工件反射和/或发射的光束的形状。例如，观察切割间隙并监测其宽度。切割间隙的切割间隙对称性可以用于监测其表面结构。至少一个几何参数可以通过用于调节所监测的几何参数的装置和/或控制器来确定/是通过用于调节所监测的几何参数的装置和/或控制器来确定的，以及/或者可以由操作者来指定。例如，该至少一个几何参数可以从查找表中获取。

根据实施方式的方法，在步骤d)中，几何参数特别是切割间隙的宽度可以保持恒定。可替选地或附加地，在步骤d)中，几何参数特别是切割间隙的宽度可以保持独立于加工激光源的功率。这些实施方式允许灵活且同时简单调节几何参数。

在其他的实施方式中，可以通过在切割间隙的上半部中或者在切割间隙上方反复和/或连续调整加工激光束的焦点来执行火焰切割并且可以执行步骤d)。此外，可以通过在切割间隙的下半部中反复和/或连续调整加工激光束的焦点来执行熔化切割并且可以执行步骤d)。以这种方式，对于不同类型的激光切割，通过改变加工激光束的焦点位置，可以在偏离目标值的情况下校正切割间隙的几何参数。

在来自实施方式的方法中，在步骤c)中，可以使用检测器特别是使用摄像装置来记录由工件特别是由工件的激光加工区反射和/或发射的光束。这使得能够精确且简单监测切割间隙的几何参数。

根据实施方式的方法，在步骤c)中，可以对工件特别是工件的激光加工区进行照明，特别是使用照明源或照明激光束进行照明。以这种方式，支持几何参数的监测。

在实施方式的方法中，可以在步骤a)中通过加工激光束来加热至少一个光学元件。此外，在步骤a)中，加工激光束可以被至少一个光学元件成形、偏转、转向和/或反射。在所有这些情况下，该方法能够使几何参数与目标值的不期望的偏差被补偿。

另一实施方式提供了一种用于激光加工工件的设备，特别是用于激光切割的设备，特别是使用根据前述实施方式中任一个所述的方法的设备。该设备设置有

-加工激光源，其用于生成加工激光束；

-至少一个光学元件，其用于将加工激光束成像在工件上；

-装置，其用于监测使用加工激光束在工件中生成的至少一个切割间隙的几何参数；以及

-装置，其用于调节所监测的切割间隙的几何参数，以用于与切割间隙的几何参数的目标值相协调。

根据实施方式的设备，用于调节所监测的几何参数的装置可以以使得改变选自以下中的至少一个参数的方式进行设计或者能够以使得改变选自以下中的至少一个参数的方式调整：加工激光束的宽度、加工激光束的直径、加工激光束在其传播方向上的焦点的位置、平行于加工激光束传播方向的光学元件中的至少一个的位置、光学元件中的至少一个的表面曲率、包括至少一个光学元件的光学系统的焦距以及加工激光束的强度分布，特别是加工激光束的垂直于其传播方向的强度分布。用于调节所监测的几何参数的装置可以以如下方式进行设计或者能够以如下方式调整：使得加工激光束在工件上的成像被调整。例如适于静态和/或动态光束成形的合适的光学部件可以用作至少一个光学元件以改变上述参数。例如，可以提供可调聚焦透镜、可调准直透镜、具有可调表面曲率的镜或它们的组合作为光学元件。

在其他实施方式中，用于调节所监测的几何参数的装置可以以如下方式进行设计或者能够以如下方式调整：使得几何参数独立于加工激光束的焦散和/或独立于加工激光束的束腰的位置来调节。

在实施方式的设备中，在步骤d)中使用的几何参数的目标值可以被确定为选自以下中的至少一个元素的函数：激光加工的类型；工件的材料；工件的厚度；工件的形状；使用其生成加工激光束的加工激光源的功率；加工激光束在工件上的入射角；加工激光束的光束参数乘积(BPP)；加工激光束的焦点直径；以及加工激光束的发散角。目标值可以由用于调节所监测的几何参数的装置和/或设备的控制来确定，以及/或者可以由操作者来指定。例如，该目标值可以从查找表中获取。

在实施方式中，至少一个几何参数可以选自切割间隙的宽度、切割间隙的切割前角、切割间隙的切割边缘的表面结构、切割间隙的切割边缘的粗糙度、工件在切割间隙处的形状、由工件反射和/或发射的光束的宽度、以及/或者由工件反射和/或发射的光束的形状。切割间隙的切割间隙对称性可以用于监测其表面结构。至少一个几何参数可以由用于调节所监测的几何参数的装置和/或设备的控制来确定，以及/或者可以由操作者来指定。例如，该至少一个几何参数可以从查找表中获取。

在实施方式的设备中，用于调节所监测的几何参数的装置可以以如下方式进行设计或者能够以如下方式调整：使得几何参数特别是切割间隙的宽度保持恒定。可替选地或附加地，用于调节所监测的几何参数的装置可以以如下方式进行设计或者能够以如下方式调整：使得几何参数特别是切割间隙的宽度保持独立于加工激光源的功率。

此外，用于调节所监测的几何参数的装置可以以如下方式进行设计或者能够以如下方式调整：使得对于火焰切割，加工激光束的焦点在切割间隙的上半部中或者在切割间隙上方反复地和/或连续地调整。可替选地或附加地，用于调节所监测的几何参数的装置可以以如下方式进行设计或者能够以如下方式调整：使得对于熔化切割，加工激光束的焦点在切割间隙的下半部中反复地和/或连续地调整。

此外，用于监测至少一个几何参数的装置可以包括检测器特别是摄像装置以用于记录由工件特别是由工件的激光加工区反射和/或发射的光束。此外，可以在实施方式的设备中提供用于对工件进行照明的装置，特别是用于对工件的激光加工区进行照明的装置，特别是照明源或照明激光束。另外，至少一个光学元件可以以如下方式进行设计或者能够以如下方式调整：使得加工激光束被成形、偏转、转向和/或反射。

一个实施方式提供了根据前述实施方式之一所述的设备的用途，其中，激光加工包括选自激光切割、熔化切割和火焰切割的至少一个加工操作。

使用以上实施方式的用于激光加工工件的设备，可以实现如与具有用于激光加工工件的方法的实施方式相同的优点和功能，特别是具有相同和/或类似的特征。

进一步的特征和优点从以下的实施方式、附图和从属权利要求的描述中产生。

此处描述的实施方式的所有非互斥特征可以彼此组合。在以下描述中，实施方式的相同元件被赋予相同的附图标记。一个实施方式的单个或多个元件可以在其他实施方式中使用，而无需进一步提及。现在参照附图，使用以下示例更详细地描述本发明的实施方式，而不旨在由此进行任何限制。在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的实施方式的用于激光加工工件的设备的第一示例；

图2示意性地示出了根据本发明的实施方式的用于激光加工工件的方法的操作顺序；

图3a和图3b示意性地示出了熔化切割和火焰切割期间的焦点位置；

图4a和图4b示意性地示出了根据本发明的实施方式的确定切割间隙宽度的示例；以及

图5示意性地示出了根据本发明的实施方式的确定切割间隙宽度的另一示例。

示例

下面特别是通过具有加工头的示例的方式，描述根据本发明的实施方式的用于激光加工的设备，但本发明不限于此。根据本发明的实施方式的设备和方法也可以在没有加工头的情况下实现。

术语“激光束”和“加工激光束”同义地使用。用于激光加工的设备此处也称为加工设备。在当前情况下，术语“光学成像”和/或“将激光束成像在工件上”意味着激光束被引导至工件上，例如通过折射、反射、衍射和/或光束成形的方式引导至工件上。激光束的术语“焦散”特别表示激光束的束腰的包络和/或在其束腰区域中垂直于其传播方向的激光束的直径中的变化。术语“切割间隙的宽度”和“切割间隙宽度”同义地使用。焦点的位置此处也称为焦点位置或焦点定位。术语“切割间隙的上半部”是指布置在工件表面上的切割间隙的一半，该工件表面面对加工激光束和/或用于激光加工的设备。术语“切割间隙的下半部”是指布置在工件表面上的切割间隙的一半，该工件表面背离加工激光束和/或用于激光加工的设备。术语“在切割间隙上方”是指邻近于布置在工件表面上的切割间隙的区域，该工件表面面对加工激光束和/或用于激光加工的设备。以上内容也类似地适用于这些术语的修改。

此外，在此处描述值范围的情况下，具有较窄替选或优选范围的宽范围的说明书也被认为公开了可以由指定的下限范围和指定的上限范围的任何组合形成的范围。

图1示意性地表示了根据本发明的实施方式的用于激光加工工件12的设备10的第一示例。

在本示例中，设备10具有加工头11。用于生成加工激光束16的加工激光源14a经由传输光纤14b横向地耦接至加工头上。在替选示例中，激光源的耦接也可以发生在加工头上的另一点处。加工激光源14a具有约6kW的功率，并且在包括1070nm的波长的光谱范围内生成加工激光束16。然而，也可以选择适于激光加工、特别是激光切割的其他功率和/或光谱范围。

在本示例中，提供分色镜17作为加工头11中的光学元件，其将加工激光束16转向加工头的出口19的方向。分色镜17对于由工件12发射的光束至少部分透明。

在加工头11的分色镜17与出口19之间的区域中，提供聚焦透镜18作为另一光学元件，其可以平行于加工激光束16的传播方向移动，例如，借助于保持器而移动以调整加工激光束的焦点的位置。聚焦透镜18对于由工件12发射的光束至少部分透明。

检测器20也以使得分色镜17定位在聚焦透镜18与检测器20之间的方式设置在加工头11中。检测器20用作用于监测使用加工激光束16在工件12中生成的至少一个切割间隙的几何参数的装置，并且在激光加工期间同轴地记录激光加工区。以此方式获得的记录在激光加工的时刻被再现，即在监测器(未示出)上现场被再现，并且可选地被保存。在本示例中，检测器20被设计为对由工件12发射的光束至少部分敏感的高分辨率视频摄像装置。例如，如果对由诸如不锈钢的金属制成的工件进行处理，则激光加工期间的固有发射是热的，并且位于760nm至2500nm的近红外范围内。由于在本示例中观察到工件的固有发射，因此检测器20对于对应的波长范围至少部分敏感。

在替选示例中，检测器20还可以布置在加工头11内或加工头11外的其它地方，并且在这里检测由工件12发射和/或反射的光束。在其它示例中，可以提供其他辐射敏感检测器，例如光电二极管。如果，可替选地或附加地，工件借助于照明源或照明激光束来照明，特别是为了清楚地看到切割间隙宽度，并且如果检测到由工件反射的光束，则检测器(也)对该光束至少部分敏感，并且检测器是至少一个光学元件，(也)对该光束至少部分透明。

检测器20和聚焦透镜18经由用于调节所监测的切割间隙的几何参数的装置22以数据传导方式彼此连接。装置22可以在用于激光加工的设备10的控制器中实现。在本示例中，指定用于由设备10的操作者调节的待监测的几何参数和相关联目标值。为此，操作者将几何参数和目标值输入至用于调节所监测的几何参数的装置22中。可替选地，用于调节的待监测的几何参数和/或目标值可以由用于调节所监测的几何参数的装置22或控制器来确定和指定。

在图2中示意性地示出了根据实施方式的用于激光加工工件12的方法。下面使用设备10作为示例来描述该方法。

当设备10处于操作中，生成加工激光束16并使用分色镜17和聚焦透镜18在工件上成像。使用加工激光束16加工工件，其中，加工激光束16被引导在工件上方。在该过程中，在工件12中产生具有切割间隙164的切口。在激光切割期间由工件12的固有发射产生的光束至少通过出口19到达至加工头11中。在这里它穿透聚焦透镜18和分色镜17，这两者对于工件的固有发射的光束至少部分透明。来自固有发射的光束最终到达检测器20并在这里被视频摄像装置记录。以这种方式，在本示例中，切割间隙的宽度B被监测为切割间隙164的几何参数。以此方式获得的视频记录被传递至用于调节所监测的几何参数的装置22中、存储以此方式获得的视频记录、并对其进行评估。视频记录可以在激光加工的时刻处在监测器(未示出)上回放，即现场回放。

在本示例中，用于调节切割间隙的几何参数的装置22用于将其宽度B作为几何参数与预定的目标值进行比较。为此，根据使用视频摄像装置记录的固有发射图像确定当前切割间隙宽度B的实际值。只要尚未到达在工件12中要产生的切口的末端，装置22就检查切割间隙的宽度B是否对应于预定的目标值。如果是这种情况，则工件的加工和切割间隙宽度的监测使用加工激光束16的先前调整成像继续。如果切割间隙宽度B不对应于指定的目标值，则加工激光束16在工件12上的成像以使得切割间隙宽度B对应于期望的目标值的方式借助于聚焦透镜18变化。这是通过平行于加工激光束16的传播方向对聚焦透镜18进行偏移来完成的。因此，加工激光束16的焦点162的位置以使得切割间隙宽度B被校正成目标值的方式进行调整。通过以此方式执行调节的方法继续，直至到达要产生的切口的末端。

图3a和图3b示意性地示出了在火焰切割期间和在熔化切割期间加工激光束16的焦点162的合适位置。在图3a和图3b中，加工激光束16被示出为具有外边界161和焦点162。加工激光束16聚焦在以截面方式示出的工件12上。根据图3a和图3b中所示的焦点位置，焦点162位于在工件12中生成的切割间隙164内。切割间隙164的宽度B由双箭头指示。

如果将以上示例的方法执行为熔化切割，则产生具有期望的宽度B的切割间隙164，原因在于加工激光束的焦点162被调整并保持在工件12的下部区域中，如图3a所示。如果将该示例的方法执行为火焰切割，则通过被调整并保持在工件12的上部区域中的加工激光束的焦点162而产生具有期望的宽度B的切割间隙164，如图3b所示。可替选地，在火焰切割期间，焦点162可以被调整并保持在工件12和产生的切割间隙164(未示出)上方。以这种方式，在每种情况下，实现了切割间隙164的良好质量和切割间隙的理想宽度B。切割间隙的相应理想宽度B在此处用作目标值。

在本示例中，使用检测器20的视频摄像装置来观察切割间隙164，并且切割间隙宽度B作为几何参数被监测。例如，切割间隙宽度可以在激光切割的过程中通过聚焦透镜18和/或其他光学元件的加热而变化。如果切割间隙宽度B偏离了理想宽度，也就是说偏离了目标值，则通过用于调节切割间隙宽度的装置22对焦点位置进行偏移。在本示例的方法中，通过对聚焦透镜18进行偏移来发生焦点位置的偏移。对用于切割间隙宽度校正的焦点位置进行偏移的方向可以由用于相应类型的激光切割的合适焦点位置产生。焦点位置适于本示例，如以上对图3a和图3b所说明的。如果在激光切割期间切割间隙宽度B变小，则聚焦透镜17在工件12的方向上移动并将焦点162偏移至工件的下部区域中。如果切割间隙164变宽，则通过调整聚焦透镜17并增加聚焦透镜17与工件12的距离来补偿，将该焦点位置偏移至工件12的上部区域中。如果焦点位置的偏移没有致使期望的切割间隙宽度B，即目标值，则立即使用检测器20确定焦点位置的偏移，并启动对应的更新的焦点位置偏移例如在其他方向上的焦点位置偏移，以调节切割间隙宽度B。

在本示例中的熔化切割期间，首先在切割间隙的下部区域中调整焦点162，如图3a中所示。如果在熔化切割的过程中所监测的切割间隙宽度减小，例如，由于焦点移动至工件12的上部区域中，如图3b中所示，则以使得切割间隙宽度B再次对应于目标值的方式通过调整聚焦透镜18并将焦点位置偏移至切割间隙的下半部中来调节切割间隙宽度，如图3a中所示。在本示例中的火焰切割的情况下，首先在切割间隙164的上部区域中调整焦点162，如图3b中所示。如果在火焰切割的过程中所监测的切割间隙宽度B增加，例如，由于焦点移动至工件12的下部区域中，如图3a中所示，则通过调整聚焦透镜18并将焦点位置移动至切割间隙的上半部中来执行切割间隙宽度的调节，使得切割间隙宽度再次对应于目标值，如图3b中所示。以这种方式，切割间隙宽度保持基本上恒定。

以上示例的方法和作为几何参数的切割间隙宽度的调节是在可调聚焦透镜18的帮助下执行的。在不具有可调聚焦透镜的加工头(切割头)中，焦点位置可以与其他光学元件类似地偏移，例如使用可调准直透镜或具有可调表面曲率的镜类似地偏移。例如，分色镜17可以具有镜表面，其曲率可以借助于致动器来调节，而聚焦透镜18是不可调节的。然而，也可以使用若干个可调光学元件的组合，例如具有可调曲率的镜和可调聚焦透镜的组合。

此外，以上示例的方法和作为几何参数的切割间隙宽度的调节不仅可以通过改变加工激光束在其传播方向上的焦点的位置来执行，而且可替选地或附加地，还可以通过改变选自以下中的至少一个参数来执行：加工激光束的宽度、加工激光束的直径、平行于加工激光束传播方向的光学元件中的至少一个的位置、光学元件中的至少一个的表面曲率、包括至少一个光学元件的光学系统的焦距以及/或者加工激光束的强度分布、特别是垂加工激光束的直于其传播方向的强度分布。例如，可以使用静态和/或动态光束成形来改变强度分布。

在以上示例的修改中，除了加工激光源14a之外，照明激光源(未示出)被设置在设备10中的加工头11上。照明激光源与加工激光源14a一起以如下方式耦接至传输光纤14b，该方式使得加工激光束16和由照明激光源生成的照明激光束被同轴地引导至加工头11中并通过加工头11，并且最终同轴地通过出口19。然而，照明激光源也可以被设置在不同的位置处，从该位置开始，照明激光束被引导至工件12的激光加工区上。照明激光源具有约1000mW的功率，并且生成具有在973nm至979nm的光谱范围内的中心波长、具有6nm的波段的照明激光束。聚焦透镜18和分色镜17对该波长范围内的光束至少部分透明。检测器20的视频摄像装置对该波长范围至少部分敏感。

为了加工工件12，加工激光源14a和照明激光源以上述功率和光谱范围投入操作。以此方式生成的加工激光束和照明激光束借助于加工头11被引导至工件11上。以这种方式，使用加工激光束16来处理工件，作为该处理的结果，在激光加工区中生成工件的固有发射。此外，工件12的激光加工区通过照明激光束照明。由工件12至少部分反射的照明激光束通过聚焦透镜18和分色镜13至少部分地照射在检测器20的视屏摄像装置上。通过对激光加工区进行照明，激光加工区的环境，特别是切割间隙几何形状并且因此切割间隙宽度，可以变得特别清晰可见。因此，观察工件12的激光加工并且使用检测器20来监测产生的切割间隙的宽度B。切割间隙的宽度以使得切割间隙的宽度对应于目标值的方式通过调整聚焦透镜18使用用于调节几何参数的装置22来控制，如上所说明的。以这种方式，切割间隙宽度保持基本上恒定。

图4a和图4b示出了在前述示例的方法中可以如何确定关于切割间隙宽度的实际值。图4a示意性地示出了在使用加工激光束的激光切割期间，利用检测器20的视屏摄像装置获得的切割间隙164与使用照明激光源进行照明的激光加工区的同轴记录。记录的切割间隙164具有其中当前正在进行激光加工的前部区域165。在图4a中，区域165被示出为近似半圆形，但是也可以具有不同的形状，在任何情况下其尺寸都反映了记录范围内的切割间隙的当前宽度B。为了确定切割间隙164的当前宽度B的值(实际值)，使用用于调节所监测的几何参数的装置22将模拟圆166拟合至视频记录中的区域165，如图4b中所示。区域165与从校准已知的不同直径的圆166叠加。区域165的当前宽度通过与圆166的已知直径进行比较来确定。以这种方式，切割间隙164的当前宽度B被确定为实际值。

可替选地，可以使用关于切割间隙宽度的实际值及其调节，对于该实际值的确定，不需要图4a和图4b中所示的圆166的校准的已知直径。在激光切割期间，圆166在切割间隙164的宽度B内被连续地拟合至视频记录中的区域165。为了监测切割间隙宽度，圆166的直径被监测为实际值。为了调节切割间隙宽度，使圆166的直径与关于圆166的直径的目标值相一致，圆166的直径对应于切割间隙宽度的目标值。这通过调整聚焦透镜18借助于用于调节所监测的几何参数的装置22来完成，如前述示例中所述。

图5示出了在前述示例的方法中可以如何确定关于切割间隙宽度的实际值的另一可能性。图5还示意性地示出了在激光切割期间，利用检测器20的视屏摄像装置获得的切割间隙164与使用照明激光源进行照明的激光加工区的同轴记录。记录的切割间隙164具有其中不久之前进行了激光加工的后部区域167。在部分包括切割间隙的后部区域167的记录的预定义区域168(绘制为矩形)中，以记录的高亮度为目标，切割间隙164的相对切割边缘对应并反映记录范围中的切割间隙的当前宽度B。目标亮度的相对切割边缘在记录中使用两个十字169来标记，两个十字169之间的距离通过校准已知。通过与十字169之间的已知距离进行比较，切割间隙164的宽度B被确定为实际值。例如，可以校准摄像装置记录。这意味着记录中像素的绝对大小/范围以及从像素至像素的距离是已知的。一旦在摄像装置记录中确定了十字的位置和距离，或相关联像素的距离，则可以立即且定量地计算出工件上的切割间隙宽度。

可替选地，图5中的示例中的十字169可以在与区域167的高亮度相关的激光切割期间被连续地拟合至切割间隙164的宽度B。为了监测和调节切割间隙宽度，十字169之间的距离被监测为实际值。如果这偏离了预定的目标值，则将实际值调整至目标值并通过借助于如上所述的装置22的调节来尽可能保持恒定。

参照图4a、图4b和图5描述的实际值确定还可以通过使相应的视频记录二值化、互补地显示二值化数据(即，具有倒数的亮度值)来支持，并且对延伸超出激光加工区的边缘的记录部分进行掩蔽。在以此方式获得的处理过的记录中，对切割间隙的宽度起决定性作用的结构，例如图4a、图4b中的区域165或使用图5中的十字169标记的切割边缘，可以以较丰富的对比度和/或较鲜明的亮度被显示并且较容易地被识别。

以上示例及其修改中的关于切割间隙宽度的目标值确定可以基于以最佳切割间隙宽度产生的切割工件并且基于在产生这些工件时使用检测器20记录的数据和处理参数来进行。这不仅可以考虑一种激光加工的类型，而且可替选地或附加地，还可以考虑工件的材料、工件的厚度、工件的形状、使用其生成加工激光束的加工激光源的功率、加工激光束在工件上的入射角、加工激光束的光束参数乘积(BPP，Beam Parameter Product)、加工激光束的焦点直径、以及/或者加工激光束的发散角来执行。例如，该目标值可以从对应的查找表中获取。

以上示例及其修改的说明类似地应用于示例和实施方式，在这些示例和实施方式中，可替选地或附加地应用于切割间隙宽度，监测和控制切割间隙的其他几何参数。这些包括切割间隙的切割前角、切割间隙的切割边缘的表面结构、切割间隙的切割边缘的粗糙度、和/或工件在切割间隙处的形状。此外，这包括由工件反射和/或发射的光束的宽度以及/或者由工件反射和/或发射的光束的形状。激光加工过程期间发生的过程照明可以被理解为由工件发射的光束。

最后，应当注意，本发明的描述和示例性实施方式不应被理解为对在本发明的特定物理实现方面的限制。可以在根据本发明的主题中以不同的组合来提供结合本发明的各个实施方式说明和示出的所有特征，以同时实现其有利效果。

本发明的保护范围由权利要求书给出，并且不受说明书中示出或附图中示出的特征的限制。

对于本领域技术人员来说特别明显的是，本发明不仅可以用于激光加工系统，而且可以用于包括激光器的其他装置。此外，用于激光加工工件的加工设备的部件可以被制造成分布在若干个物理产品上。

附图标记列表

10 加工设备

11 加工头

12 工件

14a 加工激光源

14b 传输光纤

16 加工激光束

17 光学元件；分色镜

18 光学元件；聚焦透镜

19 出口

20 用于监测几何参数的装置；检测器；视屏摄像装置

22 用于调节几何参数的装置

161 加工激光束的限制

162 加工激光束的焦点

164 切割间隙

165 切割间隙的前部区域

166 圆

167 切割间隙的后部区域

168 记录区域

169 十字

B 切割间隙的宽度

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用于激光加工工件的方法，特别是用于激光切割的方法，其中

a)生成加工激光束(16)并使用至少一个光学元件(17，18)将所述加工激光束成像在所述工件(12)上；

b)使用所成像的加工激光束加工所述工件(12)并在所述工件中生成切割间隙(164)；

c)在步骤b)期间监测所述切割间隙(164)的至少一个几何参数；以及

d)在步骤c)期间调节所述切割间隙(164)的所监测的几何参数，以用于与所述切割间隙的几何参数的目标值相协调；

其特征在于，步骤d)通过改变所述加工激光束在其传播方向上的焦点(162)的位置并且附加地通过改变选择以下中的至少一个参数来执行：所述加工激光束(16)的宽度、所述加工激光束的直径、平行于所述加工激光束的传播方向的所述光学元件(17；18)中的至少一个的位置、所述光学元件(17；18)中的至少一个的表面曲率、包括所述至少一个光学元件的光学系统的焦距以及所述加工激光束的强度分布，特别是所述加工激光束的垂直于其传播方向的强度分布；其中，步骤d)独立于所述加工激光束的焦散来执行。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤d)独立于所述加工激光束的束腰的位置来执行。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在步骤d)中使用的所述几何参数的目标值将被确定或被确定为选自以下中的至少一个元素的函数：激光加工的类型；所述工件(12)的材料；所述工件的厚度；所述工件的形状；使用其生成所述加工激光束的所述加工激光源(14a)的功率；所述加工激光束(16)在所述工件上的入射角；所述加工激光束的光束参数乘积(BPP)；所述加工激光束的焦点直径；以及所述加工激光束的发散角。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，作为所述至少一个几何参数，所述切割间隙(164)的宽度(B)被监测。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在步骤d)中，所述几何参数特别是所述切割间隙的宽度(B)保持恒定；以及/或者，其中，在步骤d)中，所述几何参数特别是所述切割间隙的宽度(B)保持独立于所述加工激光源(14a)的功率。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过在所述切割间隙(164)的上半部中或者在所述切割间隙上方反复和/或连续调整所述加工激光束的焦点(162)来执行火焰切割并且执行步骤d)；以及/或者，其中，通过在所述切割间隙(164)的下半部中反复和/或连续调整所述加工激光束的焦点(162)来执行熔化切割并且执行步骤d)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在步骤c)中，使用检测器(20)特别是使用摄像装置来记录由所述工件(12)特别是由所述工件的激光加工区反射和/或发射的光束。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在步骤c)中，对所述工件(12)特别是所述工件的激光加工区进行照明，特别是使用照明源或照明激光束进行照明。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在步骤a)中，通过所述加工激光束(16)来加热所述至少一个光学元件(17；18)；以及/或者

其中，在步骤a)中，所述加工激光束(16)被所述至少一个光学元件(17；18)成形、偏转、转向和/或反射。

10.一种用于激光加工工件的设备，特别是用于激光切割的设备，特别是使用根据前述权利要求中一项所述的方法的设备，所述设备具有

-加工激光源(14a)，其用于生成加工激光束(16)；

-至少一个光学元件(17；18)，其用于将所述加工激光束成像在所述工件(12)上；

-用于监测使用所述加工激光束生成的所述工件中的切割间隙(164)的至少一个几何参数的装置(20)；以及

-用于调节所监测的所述切割间隙(164)的几何参数，以用于与所述切割间隙的几何参数的目标值相协调的装置(22)；

其特征在于，用于调节所监测的几何参数的所述装置(22)以如下方式进行设计或者能够以如下方式调整：使得所述加工激光束的焦点(162)的位置在其传播方向上变化，并且附加地以使得改变选自以下中的至少一个参数的方式进行设计或者能够以使得改变选自以下中的至少一个参数的方式调整：所述加工激光束(16)的宽度、所述加工激光束的直径、平行于所述加工激光束的传播方向的所述光学元件(17；18)中的至少一个的位置、所述光学元件中的至少一个的表面曲率、包括所述至少一个光学元件的光学系统的焦距以及所述加工激光束的强度分布，特别是所述加工激光束的垂直于其传播方向的强度分布；

其中，用于调节所监测的几何参数的所述装置(22)以如下方式进行设计或者能够以如下方式调整：使得所述几何参数独立于所述加工激光束(16)的焦散来调节。

11.根据权利要求10所述的设备，其中，用于调节所监测的几何参数的所述装置(22)以如下方式进行设计或者能够以如下方式调整：使得所述几何参数独立于所述加工激光束的束腰的位置来调节。

12.根据权利要求10至11中任一项所述的设备，其中，在步骤d)中使用的所述几何参数的目标值被确定为选自以下中的至少一个元素的函数：激光加工的类型；所述工件(12)的材料；所述工件的厚度；所述工件的形状；使用其生成所述加工激光束(16)的所述加工激光源(14a)的功率；所述加工激光束在所述工件上的入射角；所述加工激光束的光束参数乘积(BPP)；所述加工激光束的焦点直径；以及所述加工激光束的发散角。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的设备，其中，所述至少一个几何参数是所述切割间隙(164)的宽度(B)。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的设备，其中，用于调节所监测的几何参数的所述装置(22)以如下方式进行设计或者能够以如下方式调整：使得所述几何参数特别是所述切割间隙(B)的宽度保持恒定；以及/或者

其中，用于调节所监测的几何参数的所述装置(22)以如下方式进行设计或者能够以如下方式调整：使得所述几何参数特别是所述切割间隙的宽度(B)保持独立于所述加工激光源(14a)的功率。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的设备，其中，用于调节所监测的几何参数的所述装置(22)以如下方式进行设计或者能够以如下方式调整：使得对于火焰切割，所述加工激光束的焦点(162)在所述切割间隙(164)的上半部中或者在所述切割间隙上方反复地和/或连续地调整；以及/或者，其中，用于调节所监测的几何参数的所述装置(22)以如下方式进行设计或者能够以如下方式调整：使得对于熔化切割，所述加工激光束的焦点(162)在所述切割间隙(164)的下半部中反复地和/或连续地调整。

16.根据权利要求10至15中任一项所述的设备，其中，用于监测所述至少一个几何参数的所述装置(20)包括检测器特别是摄像装置以用于记录由所述工件(12)特别是由所述工件的激光加工区反射和/或发射的光束；以及/或者，其中，提供了用于对所述工件进行照明的装置，特别是用于对所述工件的激光加工区进行照明的装置，特别是照明源或照明激光束；以及/或者

其中，所述至少一个光学元件以如下方式进行设计或者能够以如下方式调整：使得所述加工激光束被成形、偏转、转向和/或反射。

17.一种根据权利要求10至16中一项所述的用于激光加工工件的设备的用途，其中，所述激光加工包括选自激光切割、熔化切割和火焰切割的至少一个加工操作。

Claims (19)

1.一种用于激光加工工件的方法，特别是用于激光切割的方法，其中

a)生成加工激光束(16)并使用至少一个光学元件(17，18)将所述加工激光束成像在所述工件(12)上；

b)使用所成像的加工激光束加工所述工件(12)并在所述工件中生成切割间隙(164)；

c)在步骤b)期间监测所述切割间隙(164)的至少一个几何参数；以及

d)在步骤c)期间调节所述切割间隙(164)的所监测的几何参数，以用于与所述切割间隙的几何参数的目标值相协调。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤d)通过改变选自以下中的至少一个参数来执行：所述加工激光束(16)的宽度、所述加工激光束的直径、所述加工激光束在其传播方向上的焦点(162)的位置、平行于所述加工激光束的传播方向的所述光学元件(17；18)中的至少一个的位置、所述光学元件(17；18)中的至少一个的表面曲率、包括所述至少一个光学元件的光学系统的焦距以及所述加工激光束的强度分布，特别是所述加工激光束在垂直于其传播方向的强度分布；以及/或者，其中步骤d)通过调整所述加工激光束(16)在所述工件(12)上的成像来执行。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，步骤d)独立于所述加工激光束的焦散和/或独立于所述加工激光束的束腰的位置来执行。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在步骤d)中使用的所述几何参数的目标值将被确定或被确定为选自以下中的至少一个元素的函数：激光加工的类型；所述工件(12)的材料；所述工件的厚度；所述工件的形状；使用其生成所述加工激光束的所述加工激光源(14a)的功率；所述加工激光束(16)在所述工件上的入射角；所述加工激光束的光束参数乘积(BPP)；所述加工激光束的焦点直径；以及所述加工激光束的发散角。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述至少一个几何参数被选择或者选自所述切割间隙(164)的宽度(B)、所述切割间隙的切割前角、所述切割间隙的切割边缘的表面结构、所述切割间隙的切割边缘的粗糙度、所述工件(12)在所述切割间隙处的形状、由所述工件反射和/或发射的光束的宽度、以及/或者由所述工件反射和/或发射的光束的形状。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在步骤d)中，所述几何参数特别是所述切割间隙的宽度(B)保持恒定；以及/或者，其中，在步骤d)中，所述几何参数特别是所述切割间隙的宽度(B)保持独立于所述加工激光源(14a)的功率。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过在所述切割间隙(164)的上半部中或者在所述切割间隙上方反复和/或连续调整所述加工激光束的焦点(162)来执行火焰切割并且执行步骤d)；以及/或者，其中，通过在所述切割间隙(164)的下半部中反复和/或连续调整所述加工激光束的焦点(162)来执行熔化切割并且执行步骤d)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在步骤c)中，使用检测器(20)特别是使用摄像装置来记录由所述工件(12)特别是由所述工件的激光加工区反射和/或发射的光束。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在步骤c)中，对所述工件(12)特别是所述工件的激光加工区进行照明，特别是使用照明源或照明激光束进行照明。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在步骤a)中，通过所述加工激光束(16)来加热所述至少一个光学元件(17；18)；以及/或者

其中，在步骤a)中，所述加工激光束(16)被所述至少一个光学元件(17；18)成形、偏转、转向和/或反射。

11.一种用于激光加工工件的设备，特别是用于激光切割的设备，特别是使用根据前述权利要求中一项所述的方法的设备，所述设备具有

-加工激光源(14a)，其用于生成加工激光束(16)；

-至少一个光学元件(17；18)，其用于将所述加工激光束成像在所述工件(12)上；

-用于监测使用所述加工激光束生成的所述工件中的切割间隙(164)的至少一个几何参数的装置(20)；以及

-用于调节所监测的所述切割间隙(164)的几何参数，以用于与所述切割间隙的几何参数的目标值相协调的装置(22)。

12.根据权利要求11所述的设备，其中，用于调节所监测的几何参数的所述装置(22)以使得改变选自以下中的至少一个参数的方式进行设计或者能够以使得改变选自以下中的至少一个参数的方式调整：所述加工激光束(16)的宽度、所述加工激光束的直径、所述加工激光束在其传播方向上的焦点(162)的位置、平行于所述加工激光束的传播方向的所述光学元件(17；18)中的至少一个的位置、所述光学元件中的至少一个的表面曲率、包括所述至少一个光学元件的光学系统的焦距以及所述加工激光束的强度分布，特别是所述加工激光束的垂直于其传播方向的强度分布；以及/或者，其中，用于调节所监测的几何参数的所述装置(22)以如下方式进行设计或者能够以如下方式调整：使得所述加工激光束在所述工件上的所述成像被调整。

13.根据权利要求11和12中任一项所述的设备，其中，用于调节所监测的几何参数的所述装置(22)以如下方式进行设计或者能够以如下方式调整：使得所述几何参数独立于所述加工激光束(16)的焦散和/或独立于所述加工激光束的束腰的位置来调节。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的设备，其中，在步骤d)中使用的所述几何参数的目标值被确定为选自以下中的至少一个元素的函数：激光加工的类型；所述工件(12)的材料；所述工件的厚度；所述工件的形状；使用其生成所述加工激光束(16)的所述加工激光源(14a)的功率；所述加工激光束在所述工件上的入射角；所述加工激光束的光束参数乘积(BPP)；所述加工激光束的焦点直径；以及所述加工激光束的发散角。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的设备，其中，所述至少一个几何参数选自所述切割间隙(164)的宽度(B)、所述切割间隙的切割前角、所述切割间隙的切割边缘的表面结构、所述切割间隙的切割边缘的粗糙度、所述工件在所述切割间隙处的形状、由所述工件反射和/或发射的光束的宽度以及/或者由所述工件反射和/或发射的光束的形状。

16.根据权利要求11至15中任一项所述的设备，其中，用于调节所监测的几何参数的所述装置(22)以如下方式进行设计或者能够以如下方式调整：使得所述几何参数特别是所述切割间隙(B)的宽度保持恒定；以及/或者

其中，用于调节所监测的几何参数的所述装置(22)以如下方式进行设计或者能够以如下方式调整：使得所述几何参数特别是所述切割间隙的宽度(B)保持独立于所述加工激光源(14a)的功率。

17.根据权利要求11至16中任一项所述的设备，其中，用于调节所监测的几何参数的所述装置(22)以如下方式进行设计或者能够以如下方式调整：使得对于火焰切割，所述加工激光束的焦点(162)在所述切割间隙(164)的上半部中或者在所述切割间隙上方反复地和/或连续地调整；以及/或者，其中，用于调节所监测的几何参数的所述装置(22)以如下方式进行设计或者能够以如下方式调整：使得对于熔化切割，所述加工激光束的焦点(162)在所述切割间隙(164)的下半部中反复地和/或连续地调整。

18.根据权利要求11至17中任一项所述的设备，其中，用于监测所述至少一个几何参数的所述装置(20)包括检测器特别是摄像装置以用于记录由所述工件(12)特别是由所述工件的激光加工区反射和/或发射的光束；以及/或者，其中，提供了用于对所述工件进行照明的装置，特别是用于对所述工件的激光加工区进行照明的装置，特别是照明源或照明激光束；以及/或者

其中，所述至少一个光学元件以如下方式进行设计或者能够以如下方式调整：使得所述加工激光束被成形、偏转、转向和/或反射。

19.一种根据权利要求11至18中一项所述的用于激光加工工件的设备的用途，其中，所述激光加工包括选自激光切割、熔化切割和火焰切割的至少一个加工操作。

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