專(zhuān)利名稱(chēng)：用于進(jìn)行材料切除的方法以及用于實(shí)施該方法的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
發(fā)明涉及一種用于借助于激光束在工件的預(yù)先給定的切削深度范圍內(nèi)進(jìn)行材料
切除的方法，所述激光束由一個(gè)或者多個(gè)分別具有指定的射束軸線的部分射束所構(gòu)成，其 中所述激光束的軸線或者所述部分射束的各個(gè)軸線共同地沿切削線以預(yù)先給定的移動(dòng)速
度得到導(dǎo)引并且激光束具有預(yù)先給定的空間的確定坡印廷向量s的能流密度，所述能流密
度具有數(shù)值I。f (x)和方向s，其中所述空間的能流密度產(chǎn)生切削正面，該切削正面具有一個(gè) 頂部作為該切削正面的沿切削方向進(jìn)展得最遠(yuǎn)的部分，利用該切削正面產(chǎn)生切削棱邊。此 外，本發(fā)明涉及一種用于實(shí)施所述方法的裝置。
背景技術(shù)：
激光切割是一種得到認(rèn)可的用于通過(guò)熔化進(jìn)行材料切除的方法，在該方法中所產(chǎn) 生的切削深度包括工件的總厚度。在切割金屬時(shí)，切削正面變?yōu)槿刍簯B(tài)并且也稱(chēng)為切割 正面。在激光支持的加工方法中，激光切割在工業(yè)應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位。從使用者的眼光 看，在質(zhì)量改進(jìn)的情況下提高方法的生產(chǎn)率是持久的要求。 已經(jīng)知道，對(duì)于激光切割來(lái)說(shuō)(在用于1mm到30mm的板厚范圍的宏觀(Makro)-應(yīng) 用方案的領(lǐng)域內(nèi))在工業(yè)上使用具有大約10 m的輻射的波長(zhǎng)以及l(fā)-6kW的激光器功率的 高功率二氧化碳激光器(lOy-輻射器)。除此以外，為進(jìn)行激光切割也使用具有大約lym 的輻射的波長(zhǎng)以及l(fā)-8kW的激光器功率的纖維激光器和盤(pán)形激光器(1 P _輻射器)。恰好 這些輻射源提供經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)點(diǎn)，并且因此得到越來(lái)越多的使用。不過(guò)事實(shí)表明，工件上的 切削質(zhì)量比如依賴(lài)于所使用的輻射源(纖維激光器、盤(pán)形激光器lP-輻射器、氣體激光器 10 y -輻射器)并且比如依賴(lài)于有待切割的板厚和移動(dòng)速度。
因此在熔融切割時(shí)必須可靠地實(shí)現(xiàn)以下主要特征
過(guò)程的生產(chǎn)率 更短的加工時(shí)間和更大的材料厚度的在質(zhì)量上一流的切削或分開(kāi)是基本要求。因 此在加工中采用越來(lái)越大的激光器功率和具有一流驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)備。開(kāi)發(fā)工作旨在拓寬工 藝控制的技術(shù)上的限制。
切割棱邊的質(zhì)量 除了粗糙度和附著的毛剌以及氧化層的形成之外，平整度和垂直度是切割棱邊的
主要的質(zhì)量特征。切割-焊接這個(gè)過(guò)程鏈?zhǔn)且粋€(gè)實(shí)例，在該實(shí)例上可以看出，切割棱邊的質(zhì)
量對(duì)于接合縫的準(zhǔn)備來(lái)說(shuō)具有何種意義。為了能夠用激光產(chǎn)生細(xì)長(zhǎng)的焊縫-細(xì)長(zhǎng)的焊縫不
要求通過(guò)磨削和矯直進(jìn)行返修，有待接合的構(gòu)件的具有平整的直角的以及光滑的無(wú)毛剌的
和無(wú)氧化物的切割棱邊的下料是值得追求的。因此應(yīng)該考慮到以下小點(diǎn)-在切割棱邊上隨著板厚的增加產(chǎn)生越來(lái)越粗糙的凹槽，這樣的凹槽尤其出現(xiàn)在
切割棱邊(或者說(shuō)切削縫)的下面的部分中。這個(gè)問(wèn)題在板厚很大時(shí)還更為嚴(yán)重。-尤其在進(jìn)給速度很小和很大時(shí)，熔化液不完全從下棱邊上脫落。附著的并且而后
凝固的熔化液形成不受歡迎的毛剌。這樣的毛剌的產(chǎn)生的機(jī)制只是部分地為人所理解。
-焊縫中的裂紋和氣孔的形成可能通過(guò)如其在氣割中產(chǎn)生的一樣的氧化的接合棱
邊所引起。因此使用借助于惰性的切割氣體的熔融切割，用于得到無(wú)氧化物的切割棱邊。
已知的用于用激光輻射來(lái)切割金屬的技術(shù)通過(guò)所參與的用于加入切割能量的機(jī)構(gòu)被劃分為-使用反應(yīng)的切割氣體射流的激光束切割
-使用惰性的切割氣體射流的激光束切割。 對(duì)于使用反應(yīng)的切割氣體射流(比如氧氣、壓縮氣體)的激光束切割來(lái)說(shuō)，激光束和放熱的化學(xué)反應(yīng)一起提供切割能量。用于用反應(yīng)的切割氣體射流進(jìn)行激光束切割的技術(shù)進(jìn)一步通過(guò)激光束是主要在切割縫中起作用(激光束氣割)還是額外地在板材的上側(cè)面上噴入(燃燒穩(wěn)定的激光束氣割)來(lái)區(qū)分。 在用惰性的切割氣體射流(比如氮?dú)?進(jìn)行激光束切割時(shí)，激光束施加切割能量。使用惰性的切割氣體射流的激光束切割通過(guò)用于使熔化液加速/將熔化液排出的不同的機(jī)構(gòu)進(jìn)一步加以區(qū)分。作為切割氣體射流的作用的補(bǔ)充，可能出現(xiàn)熔化液態(tài)的材料的汽化情況，并且這種汽化情況會(huì)使熔化液加速。隨著進(jìn)給速度的增加，驅(qū)動(dòng)作用由于汽化而增加。 對(duì)于使用惰性的切割氣體射流的激光切割來(lái)說(shuō)，區(qū)分出三種方法變型方案
激光束熔融切割 熔化液的表面上的溫度保持在汽化溫度之下并且熔化液僅僅通過(guò)切割氣體射流來(lái)排出。這種方法變型方案用在薄板、中等板和厚板的領(lǐng)域中。熔化液主要在切割正面的頂部上-在激光束軸線的前面_流出。凹槽和毛剌形成現(xiàn)象限制了質(zhì)量。
快速切割 在切割正面的下面的部分上超過(guò)汽化溫度并且由于切割氣體和汽化的材料引起的排出的作用是類(lèi)似的。熔化液主要在切割正面的前面的區(qū)域中-在激光束軸線旁邊的左邊和右邊-流出。這種方法變型方案可以用在薄板和中等板的領(lǐng)域中。凹槽和毛剌形成現(xiàn)象限制了質(zhì)量。
高速切割 幾乎在整個(gè)切割正面上超過(guò)汽化溫度。由于汽化引起的驅(qū)動(dòng)的作用占優(yōu)勢(shì)。熔化液圍繞著激光束軸線流動(dòng)并且在激光束的尾部(Nachlauf)中將切割縫的一部分封閉，并且在那里通過(guò)切割氣體的作用來(lái)排出。這種方法變型方案用于薄板。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是，說(shuō)明一種用于在預(yù)先給定的切削深度的范圍內(nèi)進(jìn)行材料切除的方法，利用該方法能夠?qū)疾奂懊菪纬涩F(xiàn)象降低到最低限度并且在切削過(guò)程中使激光束理想地成形。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，已知切削參數(shù)(或者說(shuō)切割參數(shù))的不恰當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)會(huì)使凹槽幅度隨切削深度不必要地增加很多。事例是氣壓太小、切削縫太窄(比如在精密沖裁時(shí))或者移動(dòng)速度太大。中心任務(wù)是，避免形成具有不必要的很大的幅值的凹槽，這樣的凹槽甚至在恰當(dāng)?shù)厥褂靡阎拇胧┲笠膊辉倌軌蚩s小。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)通過(guò)令人驚訝的觀察為所述任務(wù)說(shuō)明理由在使用所選擇的用于激光切割的輻射源比如1P輻射器(纖維激光器、盤(pán)形激光器等)時(shí)或者在切割很大的工件厚度時(shí)出現(xiàn)很大的用已知的措施無(wú)法避免的凹槽幅度。已知的研究水平?jīng)]有通過(guò)解釋來(lái)提示，是哪些原因或者說(shuō)哪種機(jī)制引起不受歡迎的很大的凹槽幅度。 從根據(jù)實(shí)驗(yàn)的觀察中已經(jīng)知道，不受歡迎的今天還不可避免的凹槽典型地在一個(gè)自特定的切削深度(或者說(shuō)切割深度)起的區(qū)域中從凹槽幅度的較小的數(shù)值轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@更大的數(shù)值。這種轉(zhuǎn)變會(huì)在切削深度的比工件的厚度小的區(qū)域中出現(xiàn)。這個(gè)區(qū)域會(huì)在切割過(guò)程中在變化的深度中出現(xiàn)在切割棱邊(或者說(shuō)切削棱邊)上。 因此有待解決的任務(wù)是，說(shuō)明一些方法，利用這些方法可以抑制或者完全避免這種尚未知曉的形成凹槽的機(jī)制的影響。另一項(xiàng)任務(wù)是，說(shuō)明一些參數(shù)，這些參數(shù)自特定的切削深度(或者說(shuō)切割深度)起引起尚不清楚的從凹槽幅度的小數(shù)值到大數(shù)值的轉(zhuǎn)變。
此外，應(yīng)該說(shuō)明一種用于實(shí)施這樣的方法的裝置。 該任務(wù)用一種用于借助于激光束在工件的預(yù)先給定的切削深度范圍內(nèi)進(jìn)行材料
切除的方法來(lái)解決，所述激光束由一個(gè)或者多個(gè)分別具有指定的射束軸線的部分射束所構(gòu)
成，其中所述激光束的軸線或者所述部分射束的各個(gè)軸線共同地沿切削線以預(yù)先給定的移
動(dòng)速度得到導(dǎo)引并且激光束具有預(yù)先給定的空間的確定坡印廷向量S的能流密度，所述能
流密度具有數(shù)值1。f(x)和方向s，其中所述空間的能流密度產(chǎn)生切削正面，該切削正面具
有一個(gè)頂部作為該切削正面的沿切削方向進(jìn)展得最遠(yuǎn)的部分，利用該切削正面產(chǎn)生切削棱
邊，其特征在于，如此調(diào)節(jié)所述切削正面的由該切削正面上的法向量n和坡印廷向量的方
向s所圍成的相應(yīng)的入射角a ，使得其在一個(gè)預(yù)先定義的圍繞著切削正面的頂部的區(qū)域中
不超過(guò)最大值a ^，其中在從所述切削棱邊的上面部分中的較小的凹槽幅度到所述切削棱
邊的下面部分中的較大的凹槽幅度的轉(zhuǎn)變中檢測(cè)該最大值的超過(guò)情況。 所述任務(wù)也通過(guò)一種用于實(shí)施所述用于材料切除的方法的裝置得到解決，該裝置
具有產(chǎn)生由一個(gè)或者多個(gè)部分射束構(gòu)成的激光束的機(jī)構(gòu)，其中所述激光束或者相應(yīng)的部分
射束具有指定的射束軸線，該裝置還具有這樣的機(jī)構(gòu)，即借助于其能夠沿切削線以預(yù)先給
定的移動(dòng)速度來(lái)共同地導(dǎo)引所述激光束的軸線或者相應(yīng)的射束軸線，使得空間的能流密度
產(chǎn)生切削正面，該切削正面具有一個(gè)頂部作為該切削正面的沿切削方向進(jìn)展得最遠(yuǎn)的部
分，利用該切削正面產(chǎn)生切削棱邊，并且如此調(diào)節(jié)所述激光束，使得其具有一個(gè)預(yù)先給定的
空間的確定坡印廷向量s的能流密度。所述裝置的特征在于，設(shè)置了如下的機(jī)構(gòu)，即利用這
些機(jī)構(gòu)能夠如此調(diào)節(jié)所述切削正面的由該切削正面上的法向量n和坡印廷向量s所圍成
的相應(yīng)的入射角a ，使得其在一個(gè)預(yù)先定義的圍繞著切削正面的頂部的區(qū)域中不超過(guò)最大值。 —項(xiàng)優(yōu)選的在方法方面的措施在于，以增加的尺度來(lái)縮小切削縫的下面部分中的凹槽幅度，方法是讓相應(yīng)的入射角a在具有較大的離開(kāi)切削正面的頂部的距離的區(qū)域中不超過(guò)最大值aMX。 優(yōu)選在所述在方法方面的措施中通過(guò)以下方式來(lái)調(diào)節(jié)入射角，也就是在激光器內(nèi)部或者激光器外部用射束整形的光學(xué)器件使坡印廷向量S旋轉(zhuǎn)。如果比如切割任務(wù)在射束整形的光學(xué)器件與工件之間要求太小的工作間距并且因此激光器外部的裝置不能有利地加以使用，那就應(yīng)該考慮在激光器內(nèi)部調(diào)節(jié)坡印廷向量S，而如果比如經(jīng)常更換的切割任務(wù)應(yīng)該用一個(gè)裝置來(lái)完成并且始終應(yīng)該匹配地調(diào)節(jié)激光器內(nèi)部的光學(xué)器件的參數(shù)這個(gè)工作太麻煩或者如果激光器的功能(比如其時(shí)間上的穩(wěn)定性)受到不好的影響或者如果附加的或者經(jīng)過(guò)改動(dòng)的光學(xué)組件在激光器內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中因激光輻射受到的負(fù)荷太大，那就應(yīng) 該使用激光器外部的旋轉(zhuǎn)。 可以通過(guò)以下方式來(lái)調(diào)節(jié)入射角a ，即用一個(gè)激光器內(nèi)部的或者激光器外部的形 面射束的光學(xué)器件使坡印廷向量S在切削正面上旋轉(zhuǎn)，并且作為射束整形的光學(xué)器件使用 氣態(tài)的和/或液態(tài)的介質(zhì)。 一種作為替代方案的方案在于，入射角a的調(diào)節(jié)通過(guò)以下方式 來(lái)進(jìn)行，即用一個(gè)在激光器內(nèi)部或者激光器外部射束整形的光學(xué)器件來(lái)獲得使所述輻射矢 量S在切削正面上旋轉(zhuǎn)的效果并且作為射束整形的光學(xué)器件使用衍射的、折射的、反射的 和/或散射的光學(xué)器件。 也可以通過(guò)以下方式來(lái)調(diào)節(jié)入射角a ，即用更大的直徑來(lái)調(diào)節(jié)在空間上變化的能 流密度的數(shù)值I。f(x)的分布。 一種用于擴(kuò)大直徑的實(shí)例是調(diào)節(jié)工件上方或者下方的焦點(diǎn) 位置。 發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在切削時(shí)也就是說(shuō)在產(chǎn)生切削縫的過(guò)程中，對(duì)切削正面的運(yùn)動(dòng) 來(lái)說(shuō)存在著內(nèi)部的不穩(wěn)定性，這種不穩(wěn)定性在工件上導(dǎo)致切削縫的寬度的波動(dòng)并且在工件 上在切削棱邊(切割棱邊)的區(qū)域中導(dǎo)致凹槽。
因此，用前面說(shuō)明的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)明校驗(yàn)值 ^f = g(a) 其中，qA =A (ii ) l。f (x) ， ii = cos ( a ) 其中aMX= a表明朝向不穩(wěn)定性的躍遷。在切削正面上在入射角a超過(guò)一個(gè) 最大的數(shù)值aMX< a的地方，切削過(guò)程是不穩(wěn)定的。入射角a的余弦y是來(lái)自沿坡印 廷向量的方向s的單位矢量與切削正面上的法向量n的標(biāo)積
u = s (x) n (x)。 激光輻射的在切削正面上的吸收度依賴(lài)于入射角并且用A(iO來(lái)表示。激光輻射 的強(qiáng)度也就是在時(shí)間上平均的坡印廷向量S的數(shù)值通過(guò)最大值I。和空間上的分布f (x) (0 < f < 1)來(lái)表示。參量x表示受到波動(dòng)干擾的切削正面離開(kāi)其未受干擾的數(shù)值x = 0的 間距。尤其所述切削正面的幾何形狀以及由此切削正面上的法向量n依賴(lài)于所述坡印廷向 量S的預(yù)先給定的數(shù)值I。f(x)。 按本發(fā)明，因此如此在時(shí)間上調(diào)節(jié)入射角(a (t))，從而對(duì)于所有時(shí)間t來(lái)說(shuō)適用 a,> a (t)。由此從激勵(lì)(Anfach皿g)(或者說(shuō)不穩(wěn)定性)中沒(méi)有產(chǎn)生粗糙的凹槽，并且 凹槽幅度具有最小可能的數(shù)值，僅僅在固定調(diào)節(jié)的切削參數(shù)的不可避免的波動(dòng)之后才引起 該數(shù)值。作為條件處理措施，亦會(huì)作為跳躍式的上升而出現(xiàn)的凹槽幅度的在切削正面的區(qū) 域中的轉(zhuǎn)變?cè)?L < d，其中z = L表示朝向激勵(lì)的躍遷的深度，所述激勵(lì)則是從由于 不可避免的波動(dòng)而產(chǎn)生的具有較小幅值的凹槽轉(zhuǎn)為由于激勵(lì)(或者說(shuō)不穩(wěn)定性)而產(chǎn)生的 具有較大的幅值的凹槽，并且d表明從工件的上側(cè)面起的切削深度(最大為工件的厚度)， 因而適用aMX> a 。 入射角如其前面所表明的一樣通過(guò)以下等式來(lái)產(chǎn)生
a = a [旦 n] 其中，旦=沿坡印廷向量S的方向的單位矢量，|旦| = 1
|Sl =坡印廷向量的數(shù)值
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n =法向量，|nl = 1 根據(jù)本發(fā)明，為調(diào)節(jié)入射角考慮到以下幾點(diǎn)-利用一個(gè)完整的二維的相空間，該相空間通過(guò)激光束中的坡印廷向量的數(shù)值和 方向來(lái)?yè)伍_(kāi)，-在不依賴(lài)于彼此的情況下調(diào)節(jié)坡印廷向量的數(shù)值和方向，-有意識(shí)地調(diào)節(jié)M2的很大的數(shù)值，也就是說(shuō)M2 > 1，其中M2 = 1表示用于激光輻 射的最佳質(zhì)量的物理極限，-有意識(shí)地調(diào)節(jié)射束半徑w。的很大的數(shù)值，-有意識(shí)地調(diào)節(jié)像差的很大的數(shù)值， 因?yàn)橐呀?jīng)發(fā)現(xiàn)，用這些措施來(lái)縮小用于入射角的數(shù)值。 與此相反，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，工藝參數(shù)的變更/變化比如切割參數(shù)的變更或者光學(xué) 器件的參數(shù)的變更僅僅在一個(gè)近乎于一維的相空間中實(shí)施，其中的標(biāo)準(zhǔn)是，應(yīng)該盡可能好 地實(shí)現(xiàn)用于激光輻射的質(zhì)量的物理上的理想值M2 = 1并且射束半徑w。應(yīng)該很小并且除此 以外不應(yīng)該存在像差。標(biāo)準(zhǔn)M2 = l代表著用于一個(gè)在空間上為三維的輻射場(chǎng)的坡印廷向 量的數(shù)值和方向的固定的關(guān)聯(lián)。如果所述標(biāo)準(zhǔn)比如由于技術(shù)上的不完善不僅近似地而是理 想地得到執(zhí)行，那么它就引起局限于一維的相空間的限制。 只要本申請(qǐng)文件中談及"設(shè)備"或者說(shuō)"設(shè)備所特有的"性能，那么它們就應(yīng)該被 理解為用于實(shí)施所述方法的全部組件或者說(shuō)全部組件的特殊的性能，所述組件比如包括輻 射源、操縱機(jī)器和用于導(dǎo)引氣體射流的組件。在時(shí)間上出現(xiàn)入射角a的設(shè)備所特有的波動(dòng) 時(shí)，應(yīng)該縮小切削參數(shù)的初始的(verursachende)波動(dòng)幅度，因而適用
a隨> a + A a (t) 作為切削參數(shù)，考慮到激光器功率、強(qiáng)度分布、氣體壓力和/或激光束或者說(shuō)其軸 線的方向和移動(dòng)速度的數(shù)值。即使在一臺(tái)設(shè)備上固定地調(diào)節(jié)了切削參數(shù)的數(shù)值，也始終會(huì) 出現(xiàn)這些數(shù)值的在技術(shù)上不可避免的波動(dòng)。 前面的規(guī)定amax > a + A a (t)表明，用于切削參數(shù)的固定調(diào)節(jié)的數(shù)值的在技術(shù) 上不可避免的波動(dòng)如此之大，使得其導(dǎo)致所調(diào)節(jié)的入射角a的波動(dòng)A a并且由此在切割 過(guò)程中通過(guò)太大的波動(dòng)寬度A a (t)而超過(guò)所述入射角a (t) = a+A a (t)的允許的數(shù) 值a max ;由此超過(guò)最大的入射角a max并且產(chǎn)生激勵(lì)(Anfach皿g)。 只要在這些資料中談及"激勵(lì)"，那么它就應(yīng)該被理解為太大的入射角的影響，所
述太大的入射角隨著波幅的增加引起切削正面的波紋狀的運(yùn)動(dòng)的形式的不穩(wěn)定性。 事實(shí)已經(jīng)表明，用所述按本發(fā)明的方法來(lái)如此改進(jìn)尤其用于用激光輻射將金屬?gòu)?br> 工件一直切削到完全分開(kāi)工件(切割)的傳統(tǒng)的技術(shù)，從而可以在切割較大的板厚時(shí)以很
小的凹槽幅度并且基本上在沒(méi)有形成毛剌的情況下并且以更大的切割速度來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)切
割效果。 對(duì)于以往已知的沒(méi)有有意識(shí)地調(diào)節(jié)的調(diào)制(Modulation)的方法來(lái)說(shuō)，也就是說(shuō) 從關(guān)于在切割正面上在時(shí)間上平均的能量平衡的經(jīng)驗(yàn)中推導(dǎo)出用于切削的參數(shù)。所述凹槽 幾乎是切割棱邊的輪廓的空間_周期性的波動(dòng)并且是切割時(shí)的動(dòng)態(tài)過(guò)程的后果。因此應(yīng)該 解決動(dòng)態(tài)的任務(wù)。 所有已知的具有切割參數(shù)的調(diào)制的方法都沒(méi)有如愿地導(dǎo)致凹槽幅度的縮小；這些方法的主要目的在于在移動(dòng)速度如其在切割輪廓時(shí)一樣很小時(shí)避免毛剌，在切割棱邊的質(zhì) 量不變的情況下獲得更大的切割速度和更大的能夠切割的材料厚度。 利用本發(fā)明來(lái)說(shuō)明一些參數(shù)，利用這些參數(shù)由于切割參數(shù)的不可避免的波動(dòng)引起 的軸向延伸的波紋得到抑制并且沒(méi)有受到激勵(lì)，也就是說(shuō)新的_以往尚未解決的_動(dòng)態(tài)的 任務(wù)得到解決。 本發(fā)明利用這樣的認(rèn)識(shí)，那就是，要么因?yàn)橛捎谇懈畹膮?shù)的不可避免的波動(dòng)引 起的切削波動(dòng)通過(guò)內(nèi)部的不穩(wěn)定性受到激勵(lì)，要么因?yàn)椴豢杀苊獾牟▌?dòng)處于導(dǎo)致切削波動(dòng) 的特別大的振幅的頻率間隔中并且所述不可避免的波動(dòng)的幅度太大，所以產(chǎn)生凹槽。這種 內(nèi)部的不穩(wěn)定性直到今天尚不知曉并且通過(guò)發(fā)明人首次歸類(lèi)為用于凹槽形成的重要的參 量并且用于改進(jìn)切削或者說(shuō)切割的質(zhì)量。 發(fā)明人由此已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，由于外部的波動(dòng)引起的從受抑制的到受激勵(lì)的切削波動(dòng) 的躍遷尤其依賴(lài)于輻射的局部的入射角a 、激光束中的強(qiáng)度的最大值I。以及激光束中的強(qiáng) 度的空間分布f(x)。 在此出現(xiàn)朝向受激勵(lì)的切削波動(dòng)的躍遷，如果所述輻射的入射角調(diào)節(jié)得太大，激 光束中的強(qiáng)度的最大值1。調(diào)節(jié)得太大并且以過(guò)度下降的方式調(diào)節(jié)沿垂直于吸收正面或者 說(shuō)切割正面的方向x的分布f (x)也就是說(shuō)df (x)/dx < c < 0。 所述切削正面的所談及的由切削正面上的相應(yīng)的法向量n和相應(yīng)的坡印廷向量 的方向s所圍成的入射角a可以通過(guò)以下方式來(lái)調(diào)節(jié)，即擴(kuò)大光學(xué)器件中的光學(xué)成像的像差。 光學(xué)器件中的像差可以通過(guò)折射的(比如透鏡)、反射的(比如反射鏡)、衍射的 (比如光闌)和散射的(比如顆粒)光學(xué)器件來(lái)擴(kuò)大。折射的光學(xué)器件用于很小的激光器 功率(比如對(duì)于二氧化碳激光器來(lái)說(shuō)< 6kW)。如果折射的光學(xué)器件的由于吸收引起的加熱 而受到的負(fù)荷導(dǎo)致不受歡迎的像差或者甚至導(dǎo)致光學(xué)元件的毀壞，則將反射的光學(xué)器件有 利地用于很大的激光器功率的射束成形。如果應(yīng)該產(chǎn)生很大的偏差角或者如果僅僅應(yīng)該使 激光輻射的邊緣區(qū)域成形，則應(yīng)該有利地使用衍射的光學(xué)器件。 光學(xué)器件中的像差可以通過(guò)以下方式來(lái)擴(kuò)大，即實(shí)現(xiàn)光學(xué)器件中的像差，方法是 使用由凹透鏡和凸透鏡構(gòu)成的組合。這樣的光學(xué)器件如此有利，從而可以為像差的數(shù)值調(diào) 節(jié)特別大的數(shù)值。利用產(chǎn)生像差的透鏡組合，可以同時(shí)實(shí)施激光輻射的準(zhǔn)直和/或聚焦，從 而可以將設(shè)計(jì)開(kāi)銷(xiāo)保持在微小的程度上。 光學(xué)器件中的像差也可以通過(guò)使用具有非球面的表面的光學(xué)元件這種方式來(lái)擴(kuò) 大。在這種情況下，所述光學(xué)元件構(gòu)造為軸棱鏡或者構(gòu)造為菲涅耳透鏡。如果應(yīng)該調(diào)節(jié)具 有在切削正面的區(qū)域中上升的數(shù)值的環(huán)形分布f(x)，那就應(yīng)該優(yōu)選使用軸棱鏡，而如果應(yīng) 該實(shí)現(xiàn)很大的偏差角，那么菲涅耳透鏡則提供了相關(guān)優(yōu)點(diǎn)。 光學(xué)器件中的像差也可以通過(guò)激光器內(nèi)部的或者激光器外部的梯度索引光學(xué)器 件(Gradientenindexoptiken)來(lái)產(chǎn)生，所述梯度索引光學(xué)器件比如可以構(gòu)造為梯度索引 纖維或者梯度索引透鏡。 為了能夠調(diào)節(jié)像差的數(shù)值，將光學(xué)器件構(gòu)造為自適應(yīng)的光學(xué)器件。 在預(yù)先規(guī)定激光輻射具有在空間上變化的能流密度的數(shù)值I。f (x)的情況下，其中
該數(shù)值具有最大值I。和分布f (x) (0 < f < 1)，通過(guò)用預(yù)先定義的切削深度單調(diào)上升地調(diào)節(jié)所述分布f(x)的寬度這種方式來(lái)調(diào)節(jié)入射角。 除此以外，應(yīng)該沿切削正面上的頂部來(lái)調(diào)節(jié)所述入射角，方法是用射束成形在激
光諧振器的內(nèi)部或者外部產(chǎn)生橢圓形的射束橫截面，其中大的半軸線指向切削線的方向，
其中切削正面的頂部定義為切削正面的沿切削方向進(jìn)展得最遠(yuǎn)的部分。借助于該措施來(lái)利
用這一點(diǎn)，即僅僅在所述頂部的一個(gè)環(huán)境中避免激勵(lì)，在該環(huán)境中通過(guò)所述激勵(lì)出現(xiàn)最大
的波幅，并且在這個(gè)環(huán)境之外有意識(shí)地允許激勵(lì)，在這里通過(guò)所述激勵(lì)出現(xiàn)較小的波幅。 在預(yù)先規(guī)定激光輻射具有在空間上變化的能流密度的數(shù)值I。f (x)的情況下，其中
該數(shù)值具有最大值1。和分布f (x) (0 < f < 1)，通過(guò)以下方式來(lái)調(diào)節(jié)入射角，也就是通過(guò)設(shè)
在激光諧振器內(nèi)部或者外部的射束整形的光學(xué)器件所述分布f (x)的邊緣區(qū)域如此強(qiáng)烈地
受到抑制(隱沒(méi)或者再分布)，從而不進(jìn)行切削，其中在所述分布f (x)的邊緣區(qū)域中存在著
在空間上變化的能流密度的很小的數(shù)值。利用該措施來(lái)避免尤其會(huì)在所述分布的邊緣區(qū)域
中出現(xiàn)的不必要的很小的入射角。 為調(diào)節(jié)入射角，可以使用多個(gè)激光束，或者可以用劃分射束的光學(xué)器件將激光束
劃分為多個(gè)射束部分，方法是調(diào)節(jié)具有不同的焦點(diǎn)深度的部分射束并且調(diào)節(jié)隨焦點(diǎn)深度的
增加具有更小的射束半徑和更大的瑞利長(zhǎng)度和/或更大的功率的部分射束。這樣的措施的
優(yōu)點(diǎn)是，如果應(yīng)該產(chǎn)生特別陡峭的切削正面那也避免所述激勵(lì)，并且如果應(yīng)該切削很大的
工件厚度或者應(yīng)該實(shí)現(xiàn)很大的移動(dòng)速度，那就應(yīng)該采取這樣的措施。為使用多個(gè)比如用多
個(gè)激光輻射源并且由此獨(dú)立地并且在沒(méi)有相位關(guān)系的情況下產(chǎn)生的激光束而產(chǎn)生的更大
的技術(shù)上的開(kāi)銷(xiāo)是有利的，因?yàn)槟軌蚶孟鄳?yīng)的波場(chǎng)的不連貫的疊加并且可以實(shí)現(xiàn)用于切
削正面上的坡印廷向量S的數(shù)值和方向這兩個(gè)自由度的所期望的調(diào)節(jié)方案。 為了在切削很大的工件厚度并且實(shí)現(xiàn)很大的移動(dòng)速度時(shí)避免激勵(lì)，應(yīng)該調(diào)節(jié)入射
角，方法是額外地隨焦點(diǎn)深度的增加單調(diào)地反向于切削方向偏移地調(diào)節(jié)部分射束的射束軸
線的位置。 在預(yù)先規(guī)定激光輻射具有在空間上變化的能流密度的數(shù)值I。f (x)的情況下，其中 該數(shù)值具有最大值I。和分布f (x) (0 < f < 1)，在切削正面上以下降程度不大或者甚至上 升的方式調(diào)節(jié)所述分布f (x)，由此縮小所述入射角。在這種情況下應(yīng)該優(yōu)選以更加微弱下 降的方式(比如加寬的高斯分布)來(lái)調(diào)節(jié)所述分布f(x)的在空間上隨x下降的部分。這 里激光輻射也應(yīng)該理解為多個(gè)部分射束的共同作用并且所述分布而后描述多個(gè)部分射束 的疊合。 為了進(jìn)一步縮小切削棱邊的下面部分中的凹槽幅度，所述預(yù)先定義的區(qū)域必須具 有較大的離開(kāi)頂部的距離，在所述預(yù)先定義的區(qū)域中將入射角調(diào)節(jié)得小于最大允許的數(shù) 值。這通過(guò)以下方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，也就是恒定地因而平頂帽狀地調(diào)節(jié)所述分布f(x)的在空間上 隨x下降的部分。 如果要求所述切削縫的下面的部分中的凹槽幅度達(dá)到最小的數(shù)值，那么所述預(yù)先
定義的區(qū)域必須具有最大的離開(kāi)頂部的距離。這通過(guò)以下方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，也就是以在空間上
上升的并且因此環(huán)形的方式調(diào)節(jié)所述切削正面的區(qū)域中的空間分布f (x)。 可以通過(guò)使用一個(gè)或者多個(gè)用于射束成形的軸棱鏡這種方式來(lái)調(diào)節(jié)所述在空間
上變化的能流密度的分布f(x)。也可以通過(guò)使用產(chǎn)生像差的并且前面已經(jīng)提到的光學(xué)器件
這種方式來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
在切割正面和可能出現(xiàn)的側(cè)凹的區(qū)域中的熔液膜的熱表面的熱排放以及額外的 照明源的反射可以用照相機(jī)拍攝下來(lái)，用于確定在加工過(guò)程中沿軸向方向延伸的波紋的激 勵(lì)現(xiàn)象并且對(duì)其進(jìn)行分析。 將這樣的照明源分配給切割正面的上棱邊并且確定材料的表面的預(yù)加熱的熱作 用，用于而后確定切削正面的在上棱邊上的位置。所述切削正面的在上棱邊上的如此確定 的位置納入入射角的確定過(guò)程中。 對(duì)照相機(jī)圖像的集中照亮的區(qū)域的大小和測(cè)量信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行分析，以便對(duì)切割 正面的在實(shí)際上產(chǎn)生的幾何形狀進(jìn)行監(jiān)控，方法是用專(zhuān)門(mén)成形的激光輻射的在切割之前所 測(cè)量的數(shù)值對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)，用于由此對(duì)用于入射角a的在實(shí)際上用所述調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的數(shù)值 進(jìn)行監(jiān)控并且額外地對(duì)控制的效率進(jìn)行監(jiān)控。 在監(jiān)控的范圍內(nèi)，可以用光電二極管來(lái)檢測(cè)熔液膜的熱表面的熱排放；在此也通 過(guò)所述光電二極管的在空間上平均的信號(hào)對(duì)所述集中照亮的區(qū)域以及測(cè)量信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn) 行定性檢測(cè)。 所述方法的優(yōu)選的實(shí)施方式從從屬的方法權(quán)利要求2到31中獲得。
所述裝置的優(yōu)選的實(shí)施方式從從屬的裝置權(quán)利要求33到46中獲得。


下面尤其關(guān)于工件上的切削的區(qū)域中產(chǎn)生的幾何形狀說(shuō)明一些普遍的研究情況
并且說(shuō)明所述按本發(fā)明的裝置的實(shí)施例，為此參照附圖。
其中 圖1是沿圖2中的切削線I-I的切削示意圖，用于對(duì)在本發(fā)明中所考慮的幾何情 況進(jìn)行解釋?zhuān)?圖2是材料塊的示意的透視圖，在該材料塊上借助于激光輻射在材料切除的情況 下沿切削線形成切削棱邊， 圖3是相平面、經(jīng)過(guò)聚焦的激光束的收縮部半徑以及激光束的借助于高斯射束 (Gau 13 strahl)產(chǎn)生的射束軸線的示意圖， 圖4是所述按本發(fā)明的裝置的一種實(shí)施例連同主要的光學(xué)組件的示意圖，其中放 大示出了細(xì)節(jié)"A"，并且 圖5是所述裝置的相對(duì)于圖4改動(dòng)過(guò)的結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)上使用了軸棱鏡。
具體實(shí)施例方式
如已經(jīng)解釋的一樣，應(yīng)該將切削參數(shù)的超過(guò)不可避免的波動(dòng)的尺度并且反映在凹 槽圖中的、不必要的很大的波動(dòng)識(shí)別為可以避免的波動(dòng)并且至少應(yīng)該縮小這樣的波動(dòng)。
圖2示意示出了工件3中的沿切削線I-I (附圖標(biāo)記2)借助于激光束產(chǎn)生的切口 1。切口 1中的材料的切削通過(guò)工件材料的熔化必要時(shí)也通過(guò)其汽化在將激光束包圍的氣 體射流的支持下進(jìn)行。氣體射流相對(duì)于工件材料可以起反應(yīng)或者也可以是惰性的。
切口 1是具有兩條切割棱邊或者說(shuō)切削棱邊4(在圖2的"半切口"中只能看出其 中一條切削棱邊)和一個(gè)切削正面11的切割縫。通常所述切削棱邊或者說(shuō)切割棱邊4顯 示出具有或多或少簡(jiǎn)明特征的凹槽6并且可能在工件下側(cè)面9上在切口下棱邊8上顯示出毛剌。 凹槽6和毛剌7必要時(shí)要求再加工，因此應(yīng)該避免或者至少應(yīng)該減少所述凹槽和 毛剌。 此外借助于圖1進(jìn)行一些理論上的考慮，這些考慮涉及在切口 1的中間沿圖2中 的切削線I-I的切口。 具有射束軸線10的激光束的部分強(qiáng)度A I的一小部分被吸收并且將工件3的材 料熔化。熔化液態(tài)的切削正面ll現(xiàn)在以速度Vp沿x方向運(yùn)動(dòng)。在所表明的坐標(biāo)中，"z"從 工件上側(cè)面12出發(fā)表明部分強(qiáng)度AI在切口 1的分離縫或者說(shuō)切割縫中的到相應(yīng)的入射 位置。熔化液態(tài)的切削正面11也稱(chēng)為頂部，該切削正面11的運(yùn)動(dòng)由此依賴(lài)于激光束的被 吸收的能流密度qA。所述被吸收的能流密度qA本身依賴(lài)于激光束的射束軸線10在切削正 面ll上的入射角a以及吸收度A，所述吸收度A則依賴(lài)于所使用的激光波長(zhǎng)A以及入射 角a的余弦。 應(yīng)該說(shuō)明，在下面的研究中經(jīng)過(guò)聚焦的激光束13的激光束軸線10的入射角a的 使用僅僅代表著近似值。正確地講，也就是說(shuō)必須以法線ph在激光束中的相應(yīng)的相平面上 的角度(坡印廷向量)為出發(fā)點(diǎn)(參見(jiàn)圖3)。 現(xiàn)在圖3借助于0階高斯射束示出了相平面15a、15b、15c、…、經(jīng)過(guò)聚焦的激光束 13的收縮部半徑w。與射束軸線IO之間的關(guān)聯(lián)。不過(guò)，這張簡(jiǎn)單的示意圖不再示出如其經(jīng) 常在材料加工中所使用的一樣的更高階的高斯射束。 又如圖2示出的一樣，沿切削棱邊或者說(shuō)切割棱邊4可以觀察到在上面的部分中 也就是說(shuō)朝向工件上側(cè)面12具有很小的凹槽幅度的凹槽6，這些凹槽6用附圖標(biāo)記14來(lái)表 示。相反，在下面的部分中也就是說(shuō)在朝向工件下側(cè)面9的區(qū)域中在特定的情況下則顯示 出較大的用附圖標(biāo)記15表示的凹槽幅度。 預(yù)先定義的區(qū)域的界線在圖2中用附圖標(biāo)記16來(lái)表示，其中這個(gè)預(yù)先定義的區(qū)域 是一個(gè)特定的區(qū)域，在該區(qū)域中可以觀察到軸向延伸的在熔化液態(tài)的切削正面11中引起 的波紋(附圖標(biāo)記5)。 用附圖標(biāo)記17來(lái)表示用激光輻射產(chǎn)生的切口 1的一半寬度，而附圖標(biāo)記18則表 示切削深度。 如圖l示出的一樣，入射角a的余弦cos(a) = s * n從坡印廷向量S = I (x) s 的單位矢量s的標(biāo)積和吸收正面11上的法向量n中形成。 在此要提醒，如開(kāi)頭所解釋的一樣，已經(jīng)獲得這樣的認(rèn)識(shí)，即由于切削或者說(shuō)切割 的內(nèi)部的不穩(wěn)定性產(chǎn)生粗糙的凹槽?？梢哉f(shuō)明用于朝向不穩(wěn)定性或者說(shuō)朝向切削波動(dòng)的激
勵(lì)(Anfach皿g)的躍遷(tbergang )的控制變量。此外已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，不僅在用10y輻射器
而且在用ly輻射器進(jìn)行切削時(shí)由于相同的機(jī)制都產(chǎn)生凹槽。 原則上由于切割的參數(shù)(激光器參數(shù)和機(jī)器參數(shù))的波動(dòng)而產(chǎn)生凹槽，所述切割
參數(shù)的波動(dòng)則引起切削速度的波動(dòng)(切削波動(dòng))。 朝向激勵(lì)的躍遷是從切割正面運(yùn)動(dòng)的受抑制的響應(yīng)性能到不穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)變或者 說(shuō)從切削波動(dòng)的對(duì)切割參數(shù)的外部波動(dòng)的所期望的很小敏感性到其不受歡迎的很大的敏 感性的幾乎跳躍性的轉(zhuǎn)變。 物理參量[dqA(X，Z，t)/dX]是用于從切割正面運(yùn)動(dòng)的受抑制的響應(yīng)性能到不穩(wěn)定性的躍遷的控制變量。為了縮小凹槽形成的幅度，按本發(fā)明避免朝向激勵(lì)的躍遷。為了避 免朝向自激的躍遷，調(diào)節(jié)或者說(shuō)縮小所述控制變量[dqA(x， z， t)/dx]。 此外，所述控制變量依賴(lài)于吸收度并且由此依賴(lài)于激光輻射的波長(zhǎng)。所述控制變 量的典型的數(shù)值對(duì)于10y輻射器來(lái)說(shuō)比1P輻射器小了不足一個(gè)因數(shù)四，因而對(duì)于在技術(shù) 和科學(xué)上更好地得到研究的10 P輻射器來(lái)說(shuō)只有在技術(shù)上無(wú)關(guān)緊要的極限情況中才會(huì)出 現(xiàn)太大的入射角的效應(yīng)，并且因此不僅朝向不穩(wěn)定性的躍遷的效應(yīng)而且用于所述躍遷的控 制變量都不清楚。 新穎的是，應(yīng)該從以下情況中推導(dǎo)出具體任務(wù)的解決方案，即在超過(guò)朝向不穩(wěn)定 性的躍遷時(shí)出現(xiàn)切削正面的從不可避免的波動(dòng)或者說(shuō)與切削正面的靜止的形態(tài)之間的 偏差返回到靜止的位置中的可以避免的在時(shí)間上快速變化的運(yùn)動(dòng)。速度Vp(X， z， t)的 與隨著所述控制變量的數(shù)值單調(diào)上升的移動(dòng)速度之間的偏差以及由此持續(xù)時(shí)間T^^ti。n 是重要的，其中正面位置的不可避免的偏差以所述持續(xù)時(shí)間T^^ti。n返回到靜止的位置
中，并且按本發(fā)明如此調(diào)節(jié)切削參數(shù)，使得速度的偏差具有很小的數(shù)值并且由此用于松弛 (Relaxation)的持續(xù)時(shí)間大于用于熔化液在整個(gè)切口深度的范圍內(nèi)流出的持續(xù)
時(shí)間T網(wǎng)striJm。 圖4示意示出了一個(gè)裝置，用于實(shí)施所說(shuō)明的按本發(fā)明的方法。該裝置用于在預(yù) 先給定的切削深度范圍內(nèi)進(jìn)行材料切除。 該裝置作為輻射源可選包括一個(gè)具有纖維導(dǎo)引的激光輻射的激光器，激光輻射普 遍用箭頭20來(lái)表示。由激光器20或者說(shuō)纖維光學(xué)器件發(fā)出的輻射的射束軸線用附圖標(biāo)記 10來(lái)表示，這樣的輻射通過(guò)準(zhǔn)直光學(xué)器件21得到準(zhǔn)直并且經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直的激光束22被輸送給 像差光學(xué)器件23，所述像差光學(xué)器件23在所示出的實(shí)施方式中由凹透鏡組組成。
由像差光學(xué)器件23發(fā)出的輻射而后通過(guò)聚焦光學(xué)器件24聚焦到未詳細(xì)示出的工 件上，其中聚焦區(qū)域作為細(xì)節(jié)"A"放大示出。借助于該細(xì)節(jié)"A"可以看出具有圍繞著示出 的平面25的偏差的射束的焦點(diǎn)。 這些準(zhǔn)值和聚焦光學(xué)器件21、24可以構(gòu)造為單透鏡或多透鏡的系統(tǒng)。所述像差光
學(xué)器件23也可以由其它的由凹入面和凸出面構(gòu)成的組合構(gòu)成，并且透射的光學(xué)器件也可
以被反射的和/或衍射的光學(xué)器件所取代，不過(guò)也可以被散射的光學(xué)器件所取代。也可以
將聚焦光學(xué)器件和/或準(zhǔn)直光學(xué)器件和像差光學(xué)器件放入一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中。 圖5示出了一種實(shí)施方式，在該實(shí)施方式中圖4的像差光學(xué)器件23由兩個(gè)軸棱鏡
26、27構(gòu)成。這些軸棱鏡擁有外殼表面的指向彼此定向的相同的角度。圖5的聚焦光學(xué)器
件28通過(guò)一個(gè)唯一的透鏡示意示出。 圖5的像差光學(xué)器件的軸棱鏡26、27關(guān)于激光器輻射的傳播方向可以具有外殼表 面的相同的或者不同的角度、交換的定向。也可以使用一個(gè)或者兩個(gè)以上的軸棱鏡。此外可 以使用擁有彎曲的表面的軸棱鏡或者也可以使用這樣的構(gòu)造為反射的光學(xué)器件的軸棱鏡。
權(quán)利要求
用于借助于激光束在工件的預(yù)先給定的切削深度范圍內(nèi)進(jìn)行材料切除的方法，所述激光束由一個(gè)或者多個(gè)分別具有指定的射束軸線的部分射束所構(gòu)成，其中所述激光束的軸線或者所述部分射束的各個(gè)軸線共同沿切削線以預(yù)先給定的移動(dòng)速度得到導(dǎo)引并且所述激光束具有預(yù)先給定的空間的確定坡印廷向量S的能流密度，所述能流密度具有數(shù)值I0f(x)和方向s，其中所述空間的能流密度產(chǎn)生切削正面，該切削正面具有一個(gè)頂部作為該切削正面的沿切削方向進(jìn)展得最遠(yuǎn)的部分，利用該切削正面產(chǎn)生切削棱邊，其特征在于，如此調(diào)節(jié)所述切削正面的由該切削正面上的法向量n和坡印廷向量的方向s所圍成的相應(yīng)的入射角α，使得其在一個(gè)預(yù)先定義的圍繞著所述切削正面的頂部的區(qū)域中不超過(guò)最大值αmax，其中在從所述切削棱邊的上面部分中的較小的凹槽幅度到所述切削棱邊的下面部分中的較大的凹槽幅度的轉(zhuǎn)變中檢測(cè)該最大值的超過(guò)情況。
2. 按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過(guò)讓所述預(yù)先定義的區(qū)域具有更大的離開(kāi)頂部的距離來(lái)縮小所述切削棱邊的下面部分中的凹槽幅度。
3. 按權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，通過(guò)以下方法來(lái)調(diào)節(jié)入射角a，S卩，用在激光器內(nèi)部或者激光器外部射束整形的光學(xué)器件使坡印廷向量S在切削正面上旋轉(zhuǎn)。
4. 按權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，通過(guò)以下方法來(lái)調(diào)節(jié)入射角a，S卩，用在激光器內(nèi)部或者激光器外部射束整形的光學(xué)器件使坡印廷向量S在切削正面上旋轉(zhuǎn)并且作為射束整形的光學(xué)器件使用氣態(tài)的和/或液態(tài)的介質(zhì)。
5. 按權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，通過(guò)以下方法來(lái)調(diào)節(jié)入射角a，S卩，用在激光器內(nèi)部或者激光器外部射束整形的光學(xué)器件使坡印廷向量S在切削正面上旋轉(zhuǎn)，并且作為射束整形的光學(xué)器件使用衍射的、折射的、反射的和/或散射的光學(xué)器件。
6. 按權(quán)利要求1到5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，通過(guò)以下方法來(lái)調(diào)節(jié)入射角a ，即，以更大的直徑調(diào)節(jié)在空間上變化的能流密度的數(shù)值I。f (x)的分布。
7. 按權(quán)利要求1到6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在時(shí)間出現(xiàn)所述入射角a的設(shè)備所特有的波動(dòng)時(shí)縮小切削參數(shù)的初始的波動(dòng)幅度。
8. 按權(quán)利要求1到7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，作為切削參數(shù)考慮激光器功率、強(qiáng)度分布、氣體壓力和/或方向和移動(dòng)速度的數(shù)值。
9. 按權(quán)利要求1到8中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，通過(guò)在射束整形的光學(xué)器件中產(chǎn)生或者擴(kuò)大像差的數(shù)值來(lái)調(diào)節(jié)入射角a 。
10. 按權(quán)利要求1到8中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，通過(guò)在射束整形的光學(xué)器件中產(chǎn)生或者擴(kuò)大像差的數(shù)值來(lái)調(diào)節(jié)入射角a并且作為射束整形的光學(xué)器件使用氣態(tài)的和/或液態(tài)的介質(zhì)。
11. 按權(quán)利要求1到8中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，通過(guò)在光學(xué)器件中產(chǎn)生或者擴(kuò)大正的或者負(fù)的球面像差的數(shù)值或者色像差的數(shù)值來(lái)調(diào)節(jié)入射角a 。
12. 按權(quán)利要求9到11中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，通過(guò)以下方法來(lái)實(shí)現(xiàn)光學(xué)器件中的像差，即，使用衍射的、折射的、反射的和/或散射的光學(xué)器件。
13. 按權(quán)利要求9到12中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，通過(guò)以下方法來(lái)實(shí)現(xiàn)光學(xué)器 件中的像差，即，使用由凹透鏡和凸透鏡構(gòu)成的組合。
14. 按權(quán)利要求9到12中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，用產(chǎn)生像差的透鏡組合同時(shí)實(shí)施激光輻射的準(zhǔn)直和/或聚焦。
15. 按權(quán)利要求9到12中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，通過(guò)以下方法來(lái)擴(kuò)大光學(xué)器件中的像差，即，使用具有非球面表面的光學(xué)元件。
16. 按權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述光學(xué)元件構(gòu)造為軸棱鏡或者構(gòu)造為菲涅耳透鏡。
17. 按權(quán)利要求9到12中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，光學(xué)器件中的像差通過(guò)梯度索引光學(xué)器件來(lái)產(chǎn)生。
18. 按權(quán)利要求9到17中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述光學(xué)器件構(gòu)造為自適應(yīng)的光學(xué)器件，從而能夠調(diào)節(jié)像差的數(shù)值。
19. 按權(quán)利要求1到18中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在加工之前和/或加工過(guò)程中有控制地或有調(diào)整地進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便與工藝參數(shù)如材料類(lèi)型、材料厚度、切割速度、激光器功率相匹配。
20. 按權(quán)利要求1到19中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，激光輻射具有在空間上變化的能流密度的數(shù)值I。f (x)，其中該數(shù)值I。f (x)具有最大值1。和分布f (x) (0 < f < 1)，并且調(diào)節(jié)所述入射角a，方法是用預(yù)先定義的切削深度單調(diào)上升地調(diào)節(jié)所述分布f(x)的寬度。
21. 按權(quán)利要求1到20中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，調(diào)節(jié)切削正面的頂部上的入射角，方法是隨著在激光諧振器的內(nèi)部或者外部的射束成形產(chǎn)生橢圓形的射束橫截面，其中大的半軸線指向切削線的方向。
22. 按權(quán)利要求1到21中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，激光輻射具有在空間上變化的能流密度的數(shù)值I。f (x)，其中該數(shù)值具有最大值1。和分布f (x) (0 < f < 1)，并且調(diào)節(jié)所述入射角a ，方法是通過(guò)設(shè)在激光諧振器內(nèi)部或者外部的射束整形的光學(xué)器件使得所述分布f(x)的邊緣區(qū)域如此強(qiáng)烈地受到抑制(隱沒(méi))，從而不進(jìn)行切削，其中在所述分布f(x)的邊緣區(qū)域中存在著在空間上變化的能流密度的很小的數(shù)值。
23. 按權(quán)利要求1到22中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，為調(diào)節(jié)入射角a而使用多個(gè)激光束或者用劃分射束的光學(xué)器件將激光束劃分為多個(gè)射束部分，方法是調(diào)節(jié)具有不同的焦點(diǎn)深度的單個(gè)激光束或者部分射束并且調(diào)節(jié)隨焦點(diǎn)深度的增加具有更小的射束半徑和更大的瑞利長(zhǎng)度的各個(gè)激光束或者部分射束。
24. 按權(quán)利要求1到23中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，為調(diào)節(jié)入射角a而使用多個(gè)激光束或者用劃分射束的光學(xué)器件將激光束劃分為多個(gè)射束部分，方法是調(diào)節(jié)具有不同的焦點(diǎn)深度的各個(gè)激光束或者部分射束并且調(diào)節(jié)隨焦點(diǎn)深度的增加具有更小的射束半徑和更大的瑞利長(zhǎng)度和更大的功率的單個(gè)激光束或者部分射束。
25. 按權(quán)利要求23或24所述的方法，其特征在于，調(diào)節(jié)入射角a，方法是額外地隨焦點(diǎn)深度的增加單調(diào)地反向于切削方向偏移地調(diào)節(jié)單個(gè)激光束或者部分射束的射束軸線的位置。
26. 按權(quán)利要求1到25中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，激光輻射具有在空間上變化的能流密度的數(shù)值I。f (x)，其中該數(shù)值具有最大值1。和分布f (x) (0 < f < 1)，并且所述分布f (x)以下降程度不大或者甚至上升的方式在切削正面上得到調(diào)節(jié)。
27. 按權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，以更為微弱的下降的方式(加寬的分布)來(lái)調(diào)節(jié)所述分布f(x)的在空間上隨x下降的部分。
28. 按權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，所述分布f(x)的在空間上隨x下降的部分被設(shè)為是恒定的(平頂帽形)。
29. 按權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，所述切削正面的區(qū)域中的空間分布f (x)被設(shè)為是上升的(環(huán)形)。
30. 按權(quán)利要求26到29中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，調(diào)節(jié)在空間上變化的能流密度的數(shù)值I。f (x)的分布f (x)，方法是使用一個(gè)或者多個(gè)用于射束成形的軸棱鏡。
31. 按權(quán)利要求26到29中任一項(xiàng)結(jié)合權(quán)利要求7到14中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，調(diào)節(jié)在空間上變化的能流密度的數(shù)值I。f (x)的分布f (x)，方法是使用產(chǎn)生像差的光 學(xué)器件。
32. 用于實(shí)施按權(quán)利要求1到31中任一項(xiàng)所述的用于材料切除的方法的裝置，該裝置具有產(chǎn)生由一個(gè)或者多個(gè)部分射束構(gòu)成的激光束的機(jī)構(gòu)，其中所述激光束或者各個(gè)部分射束具有指定的射束軸線，該裝置還具有這樣的機(jī)構(gòu)，即借助于其能夠如此沿切削線以預(yù)先給定的移動(dòng)速度來(lái)共同地導(dǎo)引所述激光束的軸線或者相應(yīng)的射束軸線，使得空間的能流密度產(chǎn)生一個(gè)切削正面，該切削正面具有一個(gè)頂部作為該切削正面的沿切削方向進(jìn)展得最遠(yuǎn)的部分，利用該切削正面產(chǎn)生切削棱邊，并且如此調(diào)節(jié)所述激光束，使得其具有預(yù)先給定的空間的確定坡印廷向量S的能流密度，其特征在于，設(shè)置了如下的機(jī)構(gòu)，S卩，利用該機(jī)構(gòu)能夠如此調(diào)節(jié)所述切削正面的由該切削正面上的法向量n和坡印廷向量的方向s所圍成的相應(yīng)的入射角a ，使得其在一個(gè)預(yù)先定義的圍繞著所述切削正面的頂部的區(qū)域中不超過(guò)最大值。
33. 按權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，設(shè)置了在激光器內(nèi)部或者激光器外部的射束整形的光學(xué)器件，用該光學(xué)器件使坡印廷向量S在切削正面上旋轉(zhuǎn)。
34. 按權(quán)利要求32或33所述的裝置，其特征在于，設(shè)置了如下的機(jī)構(gòu)，即，利用該機(jī)構(gòu)能夠作為切削參數(shù)對(duì)激光器功率、強(qiáng)度分布、氣體壓力和/或方向以及移動(dòng)速度的數(shù)值進(jìn)行檢測(cè)和分析。
35. 按權(quán)利要求32到34中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，設(shè)置了用于擴(kuò)大在激光器內(nèi)部或者激光器外部的光學(xué)器件中的像差的機(jī)構(gòu)。
36. 按權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于，對(duì)于產(chǎn)生光學(xué)器件中的像差的機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)使用了衍射的、折射的、反射的和/或散射的光學(xué)器件。
37. 按權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于，對(duì)于產(chǎn)生光學(xué)器件中的像差的機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)使用了由凹透鏡和凸透鏡構(gòu)成的組合。
38. 按權(quán)利要求37所述的裝置，其特征在于，如此設(shè)計(jì)透鏡的組合，使得其同時(shí)實(shí)施激光輻射的準(zhǔn)直和/或聚焦。
39. 按權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于，使得光學(xué)器件中的像差擴(kuò)大的機(jī)構(gòu)包括具有非球面的表面的光學(xué)元件。
40. 按權(quán)利要求39所述的裝置，其特征在于，所述光學(xué)元件構(gòu)造為軸棱鏡或者構(gòu)造為菲涅耳透鏡。
41. 按權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于，產(chǎn)生光學(xué)器件中的像差的機(jī)構(gòu)包括梯度索引光學(xué)器件。
42. 按權(quán)利要求35到40中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述光學(xué)器件構(gòu)造為自適應(yīng)的能夠調(diào)節(jié)像差的數(shù)值的光學(xué)器件。
43. 按權(quán)利要求32到42中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，設(shè)置了一個(gè)對(duì)切削正面的 頂部上的入射角進(jìn)行調(diào)節(jié)的射束成形機(jī)構(gòu)，該射束成形機(jī)構(gòu)布置在激光諧振器的內(nèi)部或者 外部并且產(chǎn)生橢圓形的射束橫截面，其中大的半軸線指向切削線的方向。
44. 按權(quán)利要求35到43中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，設(shè)置了多個(gè)激光束或者設(shè) 置了將激光束劃分為多個(gè)射束部分的射束劃分機(jī)構(gòu)，并且調(diào)節(jié)具有不同的焦點(diǎn)深度的單個(gè) 激光束或者部分射束，并且調(diào)節(jié)隨焦點(diǎn)深度的增加具有更小的射束半徑和更大的瑞利長(zhǎng)度 的單個(gè)激光束或者部分射束。
45. 按權(quán)利要求32到44中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，設(shè)置了具有至少一個(gè)軸棱 鏡的射束成形機(jī)構(gòu)。
46. 按權(quán)利要求32到44中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，設(shè)置了產(chǎn)生像差的光學(xué)器件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于借助于激光束在工件的預(yù)先給定的切削深度范圍內(nèi)進(jìn)行材料切除的方法，所述激光束由一個(gè)或者多個(gè)分別具有指定的射束軸線的部分射束所構(gòu)成，其中所述激光束的軸線或者所述部分射束的各個(gè)軸線共同地沿切削線以預(yù)先給定的移動(dòng)速度得到導(dǎo)引并且激光束具有預(yù)先給定的空間的確定坡印廷向量S的能流密度，所述能流密度具有數(shù)值I0f(x)和方向s，其中所述空間的能流密度產(chǎn)生切削正面，該切削正面具有一個(gè)頂部作為該切削正面的沿切削方向進(jìn)展得最遠(yuǎn)的部分，利用該切削正面產(chǎn)生切削棱邊，其特征在于，如此調(diào)節(jié)所述切削正面的由該切削正面上的法向量n和坡印廷向量的方向s所圍成的相應(yīng)的入射角α，使得其在一個(gè)預(yù)先定義的圍繞著所述切削正面的頂部的區(qū)域中不超過(guò)最大值αmax，其中通過(guò)從所述切削棱邊的上面部分中的較小的凹槽幅度到所述切削棱邊的下面部分中的較大的凹槽幅度的轉(zhuǎn)變中檢測(cè)該最大值的超過(guò)情況。此外，本發(fā)明涉及一種用于實(shí)施所述方法的裝置。
文檔編號(hào)B23K26/38GK101784364SQ200880100407
公開(kāi)日2010年7月21日 申請(qǐng)日期2008年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月25日
發(fā)明者D·佩特林, F·施奈德, M·尼森, W·舒爾茨 申請(qǐng)人:弗勞恩霍弗實(shí)用研究促進(jìn)協(xié)會(huì)