专利名称：激光加工设备和激光加工方法
技术领域：
本发明涉及激光加工设备，特别用于激光光束切割，其包括带有 用于将激光射线偏转和/或聚焦到工件上的光束导引件的激光加工头、 用于光束导引件的光学部件的热敏监视传感器系统和被连接到设备上 以处理被监视传感器系统监视的数据的评估单元。本发明还涉及用于 激光加工的方法。
背景技术：
这种类型的激光加工设备已经已知了，例如通过欧洲专利EP 988916。文献公开了一种通过测量光密度检测光学部件温度的装置。 因此，可能会将检测到由于吸收激光射线而导致的光学部件变热认为 是污染的结果。所选择的光敏传感器系统和其定位被如此设置，以使 只有从光学部件辐射出的尽可能远的光才被检测到。
不良激光切割可能会导致工件不完全切掉。术语"不良"在此处是 指切割还没有完成或仅仅是部分完成了。类似地，如果分开不完全， 激光加工头的部件，特别是光束导引件的光学部件，或其它邻接元件， 可能会被置于从工件反射回来的射线的危险中。
用于在激光束焊接过程中在线过程监视的被反射回来的射线的检 观ij从Miiller等人的"Online process monitoring of laser welding by measuring the reflected laser power"—文中已矢B 了 。从工件上反射回来 的射线被用作焊接质量的指示器。那些射线的比例是由基准孔的深度 和直径的比值决定的并与焊熔深度有关。
检测需要的己知的传感器系统，在可与高速摄影机组合使用的地 方，增加了整体尺寸和复杂性并需要相应的费用。因此，可能就会出 现关于可接近性的限制。
用于过程监视的另一替代在引论中提及的文献中被介绍了，且包括在激光束切割过程中使用电容式传感器监视焦点位置。但是，它自 己不是产生不良切割的决定性因素，因此不提供足够的安全性。
发明内容
因此，本发明所要解决的问题是，开发一种激光加工设备和在引 论中提到的那种能够检测不良切割，并以可靠方式和最少的费用使适 当的过程控制成为可能的方法。
这个问题通过激光加工设备特别是用于激光束切割的激光加工设 备解决了 ，其具有带有用于偏转和/或聚焦激光射线到工件上的光束导 引件的激光加工头、用于光束导引件的光学部件的热敏监视传感器系 统和连接着设备控制器上以处理获取的数据的评估单元，其中评估单 元将与由从工件上反射回来的射线所导致的光束导引件的光学部件有 关联的/由其产生的温度或另一可测量的变量的升高(增加)归因于不 良切割。通过用于在激光加工过程中检测不良切割的方法，上面提及 的问题也被解决了，其中，由从工件上反射回来的射线所导致的光束 导引件的部件的温度升高被监视。
在不良切割的情况下，切口内熔池上的激光的大部分被反射。通 过光束导引件的适宜地适合结构及其部件，从工件上反射回来射线的 结果可以由热敏监视传感器系统检测并通过评估单元评估。这个评估 的结果被用于调整激光加工设备。
光束导引件的光学部件偏转和/或反射被反射回的射线。结果，从 工件上反射回来的射线可以以其垂直于光束轴线/相对于光束轴线的 径向上的尺寸超过在朝向工件的方向内传播的光束的尺寸的方式被局 部定形。被置于那个位置上的光束导引件的光学(或其它)部件将被 变热超出正常的工作温度。随着早期检测到的温度升高，不良切割可 以被可靠地发现，且加工控制器能够通过评估单元起反作用。可能的 控制选择是，例如，立即或延时切断或修正和它们的组合，由所定义 的极限决定。还可以定义很多温度极限并控制与其(分级的数值范围) 有关联的程序。
例如，可以想象在温度稍微增加的情况下，首先增加监视传感器系统的抽样率，然后如果温度进一步升高超出下一个极限数值，再进 行激光加工的修正。如果温度不能再次回落到正常/可容忍的加工水平 上，通过切断激光加工设备使激光加工被停止。这些和其它的控制步 骤不仅可以在一个工件的加工过程中实施还可以在一个工件系列的加 工过程中实施(控制步骤从一个工件到另一个工件上实施)。
在优选实施例中，被监视的部件是孔板。在该实例中，由从被熔 化的材料上反射回来的射线导致的相应温度变化被检测到了，几乎没 有滞后。
如果孔板被优选置于在朝向工件的方向内传播的射线的中间焦点 内或附近，那么其缝隙可以被保持尽可能小。缝隙越小，射线被反射 的越快，被反射回的射线将能够导致孔板变热。这还可以是指测量的 灵敏度将因此被增加。
另外，将要被监视的部件上的温度测量可以被直接或间接进行。 在直接测量的情况下，被监视的部件上的温度被检测到。如果因为缺 乏可接近性或其它原因(从加工过程、经济学或其它方面来说)不可 能接触测量，那么，例如，可以记录允许关于光学部件的温度或温度 变化进行推理的(相邻)部件的温度。在这种情况下的可能的策略是， 例如，监视孔板安装温度或监视用于孔板的冷却系统的特征数值(温 度、流速......)。
优选地，温度通过作为监视的最简单形式的热电元件以接触的方 式被测量。如果不可能，非接触测量方法，例如通过使用高温计，也 可以被采用。
本发明的优选实施例在附图中被示意性示出了，并关于附图在下 面详细介绍了。具体而言
图1用侧视图示出了带有用于检测不良切割的装置的第一激光加 工设备；
图2用侧视图示出了带有用于检测不良切割的装置的第二激光加 工设备；图3用纵向截面图示出了图1或图2中的激光加工设备的激光加 工头；
图4示出了带有直接温度监视的激光加工头的细节； 图5示出了带有直接温度监视的激光加工头的细节； 图6示出了带有非接触的、直接温度监视的激光加工头的细节； 图7示出了带有非接触的、直接温度监视的激光加工头的细节。
具体实施例方式
图1通过实例示出了 C02激光加工设备1，其具有激光发生器2 和在双箭头3的方向内可相对移动的激光加工头4。通过激光发生器2 产生的激光束(激光射线)5从激光发生器2经过光束导引腔6到加 工头4上，并被指示到金属钣金形式的被放置在激光加工设备1的工 件支撑体8上面的将要被加工的工件7上。
如果出现不良切割，从工件7上反射回射线的结果可以通过监视 激光加工头4光束导引件的部件温度被检测、评估并用于控制目的。
如果超过了限定的温度，评估单元38就给出适当的设备指令到将 控制措施予以施行的设备控制器39上。评估单元38可以被理解为单 独的单元，或如图2中所示，评估单元38'是设备控制器39'的组成部 分。
在箭头21方向内来自于激光发生器2的激光加工头4内的激光束 5，如图3中所示，被抛物线形镜子19聚焦在箭头22的方向内的中间 焦点上，随后入射到椭圆形镜子20上，其将激光束5聚焦在箭头24 的方向内用于进行实际加工操作。
如果出现不良切割，工件7切口内的熔池上的激光束5的大部分 作为激光射线5'被反射到激光加工头4内并入射到椭圆形镜子20上。 来自于几乎为点状的熔池上的激光射线5'被向后投射到中间焦点28 内。因为被熔化的材料形成不确定的反射表面，所以在中间孔板 (ape加replate) 25的位置上生成了一个相对较大的聚焦点。这样，光 就部分入射到中间孔板25上并使其变热。
加工头光束导引件的光学部件的监视在图4中以接触方式通过温度测量在孔板25处而直接进行，在此实例中通过热电元件 (thermoelement) 36。
如果是可接近性、材料或其它不允许直接测量的情况，假如由实 际将要被监视的部件变热引起的温度升高可以同等可靠地被归因于不 良切割的话，监视也可以如图5中所示通过测量相邻部件的温度进行。
除了以接触方式测量，非接触式的主要光学测量系统，例如高温 计(pyrometer),也可以被用作监视传感器系统。
在图6中，测量被直接在孔板上进行了，高温计37被以这种方式 定向，以使其吸收朝向激光发生器2的方向内的热辐射。
因此，将高温计放置在朝向工件的光学部件的侧面上也是可能的。 这等同于应用接触方式测量。
如果将要被监视的部件不是可接近的或如果其他原因反对直接测 量，非接触式测量和接触式测量都可以通过间接地记录相邻部件处的 热辐射进行，如图7中所示。
权利要求
1. 一种激光加工设备(1)，包括激光加工头(4)，其带有用于将激光射线(5)偏转和/或聚焦到工件(7)上的光束导引件，热敏监视传感器系统，其用于监视光束导引件的光学部件(25)，以及评估单元(38)，其连接着设备控制器(39)，用于处理由监视传感器系统获取的数据，其特征在于，评估单元(38)将由从工件(7)反射的激光射线(5′)所导致的光束导引件的光学部件(25)的温度升高归因于不良切割。
2. 根据权利要求1所述的激光加工设备，其特征在于，光束导 引件的被监视的部件是孔板(25)。
3. 根据权利要求1或2所述的激光加工设备，其特征在于，孔 板(25)被置于沿朝向工件(7)的方向传播的射线(5')的中间焦点(28)处或附近。
4. 根据前面任一权利要求所述的激光加工设备，其特征在于， 设有用于直接或间接进行温度监视的装置。
5. 根据前面任一权利要求所述的激光加工设备，其特征在于， 评估单元(38)具有依赖于被监视的部件(25)的温度而立即或延时 切断或修正激光加工的装置。
6. 根据前面任一权利要求所述的激光加工设备，其特征在于， 设有使用热电元件(38)以接触方式进行温度监视的装置。
7. 根据前面任一权利要求所述的激光加工设备，其特征在于， 设有使用高温计(37)以非接触方式进行温度监视的装置。
8. —种在激光加工过程中检测不良切割的方法，其特征在于， 从工件(7)反射的射线(5')所导致的光束导引件的部件(25)的温 度升高被监视并被归因于不良切割。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，超过限定的温度 极限将导致立即或延时切断激光加工或导致对激光加工的修正。
10. 根据权利要求8或权利要求9所述的方法，其特征在于，不 同的温度极限被与不同的反应/设备指令相关联。
全文摘要
本发明涉及激光加工设备(1)，其包括带有用于将激光束(5)偏转和/聚焦到工件(7)上的光束导引件的激光加工头(4)、用于光束导引件的光学部件(25)的热敏监视传感器系统和连接着设备控制器(39)以处理由监视传感器系统获取的数据的评估单元(38)。本发明还涉及激光加工方法。评估单元(38)将由从工件(7)反射的激光射线(5′)所导致的光束导引件的光学部件(25)的温度升高归因于不良切割。
文档编号B23K26/03GK101432093SQ200680054403
公开日2009年5月13日 申请日期2006年4月28日 优先权日2006年4月28日
发明者M·兰贝特 申请人:通快机床两合公司