用于調(diào)節(jié)激光切割過程的方法和激光切割的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于調(diào)節(jié)激光切割過程的方法，包括步驟：借助于聚焦的激光射束在在工件上構(gòu)成切割縫隙的情況下激光切割所述工件，探測在所述激光切割時由所述工件的表面在所述切割縫隙附近反射回的激光射束的激光功率，以及將所探測的激光功率(PL，R，IST)調(diào)節(jié)到額定值(PL，R，SOLL)，在該額定值情況下，激光功率(PL，R)采用最小的值(PL，R，SOLL，)或者與所述最小的值(PL，R，MIN)具有預(yù)先給定的差(ΔPL，R)。本發(fā)明還涉及一種用于執(zhí)行該方法的激光切割機(jī)。
【專利說明】用于調(diào)節(jié)激光切割過程的方法和激光切割機(jī)
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于調(diào)節(jié)激光切割過程的方法以及一種用于激光切割工件、尤其 是板材的激光切割機(jī)。
[0002] 在激光射束切割過程中，除了其他的切割參數(shù)之外，激光射束的聚焦位置對工件 的加工質(zhì)量具有大的影響。迄今為止，通常以離線方式求取激光射束的聚焦位置的位置，尤 其是待加工的工件上的射束腰（Strahltaille)的位置。出于這個目的，可以在真正的激光 切割任務(wù)之前例如在測試工件中切割出線。在此，聚焦位置以離散的步伐變化，從而產(chǎn)生具 有不同的切割縫隙寬度的齒。隨后，或者以人工方式通過機(jī)器操作者或者借助于光學(xué)傳感 器求取最小的切割縫隙寬度。最小切割縫隙寬度在該處形成：在那里，聚焦位置處于工件上 側(cè)上面或者在必要時處于工件中心處。
[0003] 從EP1750891B1中已知一種用于聚焦位置調(diào)節(jié)的方法，其中，以離線方式針對激 光射束的不同聚焦位置來確定，激光射束的邊緣區(qū)域是否與工件產(chǎn)生接觸。為此，首先在工 件中切割一切割縫隙，其中，在必要時調(diào)協(xié)聚焦位置。然后，改變聚焦調(diào)節(jié)并且使射束重新 轉(zhuǎn)向到切割縫隙中（在相同的部位上），其中，也可以調(diào)協(xié)聚焦位置。為了探測激光射束在 此是否與工件產(chǎn)生接觸，可以探測由工件或者由等離子體發(fā)射的射束或者過程光。
[0004] 從DE102009059245B4已知，在進(jìn)行激光加工時通過探測在工件上圍繞加工點(diǎn) 周圍反射和/或散射的激光射束以及依據(jù)射束來確定聚焦位置，所述射束由至少兩個 調(diào)校光源發(fā)射并且在待加工的工件上被反射回。此外，在DE102009059245B4中參考 DE10248458B4,該文獻(xiàn)公開一種方法，其中，這樣移動被布置在加工頭中的聚焦光學(xué)器件， 使得來自激光射束和工件之間的交互作用區(qū)域中的射束的份額為最大值。如果激光射束相 對工件的聚焦位置對于加工來說優(yōu)化，則達(dá)到該最大值。
[0005] 本發(fā)明的任務(wù)在于，提供一種用于調(diào)節(jié)激光切割過程的方法和一種激光切割機(jī)， 其中，可以在激光切割過程期間優(yōu)化切割質(zhì)量。
[0006] 根據(jù)第一方面，該任務(wù)通過一種方法解決，該方法包括以下步驟：借助于聚焦的激 光射束在在工件上構(gòu)成切割縫隙的情況下激光切割工件，探測在所述激光切割時由所述工 件的表面在所述切割縫隙的附近反射回的激光射束的功率，以及將所探測的激光功率調(diào)節(jié) 到額定值，在該額定值情況下，激光功率采用最小的值或者與所述最小的值具有預(yù)先給定 的差。
[0007] 在激光切割過程期間，一定份額的激光射束總是由工件的上側(cè)被反射回到激光射 束的光路中，因?yàn)榧す馍涫诠ぜ蟼?cè)上的幾何擴(kuò)展通常比所產(chǎn)生的切割縫隙寬度大。發(fā) 明者已知，在（尤其是同軸心地）探測由工件上側(cè)在切割縫隙附近、即在激光射束的側(cè)邊的 區(qū)域中反射的激光射束時，剛好當(dāng)激光射束以最小的切割縫隙寬度切割工件時，測量到激 光功率的最小值。激光射束越是以散焦的方式照射工件上側(cè)，則越多的激光射束在激光射 束的邊緣區(qū)域中由工件上側(cè)被反射回到探測器，即所測量到的射束功率越大。
[0008] 所探測的激光功率可以被調(diào)節(jié)到額定值，在該額定值情況下切割縫隙寬度最小。 典型的與之意義相同的是，聚焦位置（在射束傳播方向上）處于工件的上側(cè)上。但是，根據(jù) 使用情況而定，在必要時也可以散焦地切割，以得到優(yōu)化的切割結(jié)果，即，可以有利的是，激 光功率的額定值與最小的值不一致，從而激光射束的聚焦位置不處于工件上側(cè)上。例如，在 對厚的工件燃燒切割或者熔割時是這種情況。
[0009] 在該方法的一種變型中，在之前的步驟中確定所探測的激光功率和激光射束的聚 焦位置所述工件的上側(cè)的間距之間的關(guān)系，并且，依據(jù)該關(guān)系這樣確定所述額定值，使得激 光射束的聚焦位置相對于工件的所述上側(cè)具有所期望的間距。在該變型中，依據(jù)例如可以 在測試工件上進(jìn)行的測試測量來確定所測量的激光功率和激光切割射束的聚焦位置之間 的關(guān)系（特性曲線）。出于該目的，例如可以改變用于聚焦激光射束的聚焦透鏡光學(xué)器件和 工件之間的間距和/或在必要時存在的聚焦鏡的曲率半徑，并且感測所探測的射束功率的 與所述間距改變對應(yīng)的改變，以得到期望的特性曲線。
[0010] 在該變型的一種改進(jìn)中，針對在所述工件上構(gòu)成切割縫隙時激光射束和工件之間 的、不同的進(jìn)給速度來確定所述關(guān)系。通常，在工件上反射回的激光功率的強(qiáng)度與激光切割 時的進(jìn)給速度有關(guān)。該進(jìn)給相關(guān)性可以在校準(zhǔn)激光切割機(jī)時被確定并且在過程調(diào)節(jié)中被考 慮到。出于該目的，例如可以在測試工件上測量多個特性曲線，所述特性曲線在分別不同的 進(jìn)給速度下描繪反射回的激光功率和激光射束的聚焦位置之間的關(guān)系。
[0011] 在另一種變型中，在之前的步驟中在構(gòu)成切割縫隙的情況下進(jìn)行對工件的激光切 割（測試切割），其中，改變激光射束的聚焦位置相對于工件的上側(cè)的間距以及連續(xù)地測量 或者說探測反射的激光功率的強(qiáng)度。隨后，檢查切割縫隙上或者說沿著切割的邊沿的毛刺 形成，以求取所探測的激光功率的數(shù)值范圍，切割的邊沿或者說切割縫隙在該范圍內(nèi)無毛 刺。切割質(zhì)量或者說毛刺形成可以自動地借助于合適的光學(xué)器件和評估或者在必要時人工 地通過機(jī)器操作者來判斷。確定處于數(shù)值范圍內(nèi)的一個值作為反射的激光功率的額定值， 在所述數(shù)值范圍情況下，測試切割時的切割縫隙具有無毛刺的切割邊沿（更準(zhǔn)確地說具有 多個無毛刺的切割邊沿）。（例如呈作為切割輪廓的線的形式的）測試切割可以在這樣的 工件上進(jìn)行，在所述工件上也進(jìn)行隨后的激光切割過程。替代地，測試切割可以在另一工件 (測試工件）上進(jìn)行，所述工件具有與待切割的工件相同的材料特性（以及典型地相同的厚 度）。
[0012] 優(yōu)選，確定反射的激光功率的數(shù)值范圍的平均值作為額定值，在所述數(shù)值范圍情 況下，切割縫隙具有無毛刺的邊沿。典型地，切割質(zhì)量在激光功率的確定的數(shù)值范圍（相應(yīng) 于聚焦位置和工件上側(cè)之間的間距的數(shù)值范圍）內(nèi)是好的，即，切割（基本上）是無毛刺 的。激光功率的額定值（其構(gòu)成該功率范圍的平均值）使得能夠過程可靠地調(diào)節(jié)激光切割 過程，其中，可能出現(xiàn)的過調(diào)（"Qberschwingen )不導(dǎo)致不利的切割結(jié)果。
[0013] 在另一種變型中，為了將所探測的激光功率調(diào)節(jié)到額定值而改變激光切割過程的 至少一個參數(shù)，所述參數(shù)影響激光射束的聚焦位置。例如，可以合適地匹配聚焦光學(xué)器件和 工件之間的間距或者可以合適地匹配適應(yīng)的聚焦光學(xué)器件的光學(xué)特性（例如焦距）。附加 地或者替代地，也可以使用并且合適地匹配激光切割過程的另外的過程參數(shù)、例如進(jìn)給速 度或者激光源的射束源功率作為操縱變量。
[0014] 在另一種變型中，由工件反射回的激光射束出于探測的目的借助于耦合輸出元件 從激光射束的光路中耦合輸出。在這種也被稱為同軸心種類的探測情況下，探測由工件反 射回到激光射束的光路中的激光射束功率份額，其方式是，使所述份額從光路中耦合輸出。 在必要時，部分透射的鏡可以用作耦合輸出元件，所述鏡僅在光路邊緣上的區(qū)域中透射到 達(dá)的激光射束的一部分。替代地，也可以這樣小地確定轉(zhuǎn)向鏡的尺寸，使得反射回的激光射 束不被該轉(zhuǎn)向鏡轉(zhuǎn)向并且照到被布置在該轉(zhuǎn)向鏡之后的探測器面上。
[0015] 在一種特別有利的實(shí)施方式中，與激光射束軸線成角度地取向的刮鏡 (Scraper-Spiegel)用作耦合輸出元件。該刮鏡為孔鏡，其中央的穿孔典型地布置在激光射 束的光學(xué)軸線的中心。只要穿孔的直徑比加工射束的最大直徑大（在以相對于射束軸線大 約成45°的方式布置的情況下，該直徑典型地大于加工射束的最大直徑的1. 5倍），則激光 射束可以不受阻礙地穿過刮鏡中的孔傳播。反射回的激光射束照到刮鏡的在穿孔之外的反 射表面上并且由該反射表面反射到探測器。刮鏡相對于激光射束軸線取向所成的角度例如 可以是45°，從而反射回的激光射束以90°的角度從光路中耦合輸出。
[0016] 激光切割過程的調(diào)節(jié)可以以高的時間分辨率進(jìn)行，因?yàn)閷τ诠β蕼y量來說足夠的 是：感測照到探測器面上的激光功率的唯一的積分測量值，即，通常不需要以地點(diǎn)分辨的 方式感測激光功率。在這種情況下，可以通過快速的功率探測器或者說功率測量頭來實(shí) 現(xiàn)高的時間分辨率，所述功率探測器或者說功率測量頭的測量原理基于熱電效應(yīng)（塞貝 克效應(yīng)，Seebeck-EfTekt)。構(gòu)造為原子層探測器的合適的功率探頭例如被提供用于HTS ForTech GmbH公司的CO2激光器的激光波長（參考www. fortech-hts. com)。
[0017] 本發(fā)明的另一方面以用于激光切割工件的激光切割機(jī)實(shí)現(xiàn)，該激光切割機(jī)包括： 用于使激光射束對準(zhǔn)到工件上的激光切割頭，用于使激光射束在與所述工件的上側(cè)隔開間 距的焦點(diǎn)位置上聚焦的聚焦裝置，至少一個用于產(chǎn)生用于在所述工件上構(gòu)成切割縫隙的、 所述激光切割頭和所述工件之間的相對運(yùn)動的驅(qū)動裝置，用于探測在激光切割時由所述工 件的表面在所述切割縫隙的附近反射回的激光射束的激光功率的探測器，以及構(gòu)造或者說 編程用于將所探測的激光功率調(diào)節(jié)到額定值的調(diào)節(jié)裝置，其中，在所述額定值情況下，激光 功率采用最小的值或者相對于該最小的值具有預(yù)先給定的差。
[0018] 借助于所述調(diào)節(jié)裝置，可以優(yōu)化激光切割過程的切割質(zhì)量。即，可以這樣調(diào)整或者 說調(diào)節(jié)所探測的激光功率的額定值（進(jìn)而聚焦位置），使得進(jìn)行（基本上）無毛刺的切割。
[0019] 在一種實(shí)施方式中，所述調(diào)節(jié)裝置構(gòu)成或者說編程用于，依據(jù)所探測的激光功率 和激光射束的聚焦位置相對于所述工件的上側(cè)的間距之間的、預(yù)先給定的關(guān)系來這樣確定 額定值，使得所述激光射束的聚焦位置相對于所述工件的上側(cè)具有所期望的、預(yù)先給定的 間距。根據(jù)使用情況而定，優(yōu)化的聚焦位置可以變化，即焦點(diǎn)位置與工件上側(cè)的優(yōu)化的間距 可以變化。依據(jù)例如可以在之前進(jìn)行的測試切割過程中求取的預(yù)先給定的關(guān)系（特性曲 線），可以調(diào)節(jié)到限定的、與工件上側(cè)偏離的聚焦位置。在此，預(yù)先給定的關(guān)系（特性曲線） 典型地（例如以表格或者類似的形式）存儲在配屬于所述調(diào)節(jié)裝置的存儲裝置中?？梢岳?解的是，在必要時可以將多個特性曲線存儲在存儲裝置中，所述特性曲線分別在不同的切 割參數(shù)情況下測繪。在這種情況下，所述調(diào)節(jié)裝置可以依據(jù)配屬于對應(yīng)的激光切割過程的 切割參數(shù)選擇對于所探測的功率和聚焦位置之間的關(guān)系適合的特性曲線。
[0020] 在一種改進(jìn)中，所述調(diào)節(jié)裝置構(gòu)造或者說編程用于，根據(jù)借助于驅(qū)動裝置產(chǎn)生的、 激光切割頭和工件之間的相對運(yùn)動的速度來確定額定值。反射回的激光功率的份額與激光 切割時的進(jìn)給速度有關(guān)，從而有利的是，在分別不同的進(jìn)給速度情況下針對所探測的激光 功率和聚焦位置之間的關(guān)系求取多個特性曲線并且存儲在調(diào)節(jié)裝置中或者存儲在其他部 位上，在所述部位上可以通過調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行存取。
[0021] 在另一種實(shí)施方式中，所述調(diào)節(jié)裝置構(gòu)造或者說編程用于，為了將所探測的激光 功率調(diào)節(jié)到額定值而改變激光切割過程的至少一個參數(shù)，所述參數(shù)影響激光射束相對于工 件的聚焦位置。因?yàn)榧す馍涫鴱募す馇懈铑^中聚焦地射出，例如可以由此改變聚焦位置， 艮P，改變激光切割頭或者切割頭中的聚焦光學(xué)器件和工件之間的間距。但是，也可以使用激 光切割過程的其他參數(shù)作為操縱變量使用，例如進(jìn)給速度或者射束源功率。
[0022] 在另一種實(shí)施方式中，激光切割機(jī)附加地包括用于使反射回的激光射束從激光射 束的光路中耦合輸出的耦合輸出裝置。以這種方式可以進(jìn)行所謂的同軸心探測，即，可以耦 合輸出和探測被反射回到激光射束的光路中的激光射束。但是，可理解的是，也能夠以其他 的方式探測反射回的射束功率，例如，其方式是，借助于同軸心地環(huán)形地圍繞加工頭布置的 探測器來觀察瞬時加工部位，激光射束在所述瞬時加工部位上照到工件上。
[0023] 在一種有利的改進(jìn)中，耦合輸出裝置構(gòu)造為與激光射束軸線成角度地取向的刮 鏡。該刮鏡使得能夠以特別有利的方式耦合輸出由工件在切割縫隙附近反射回的激光射 束，因?yàn)榉瓷浠氐募す馍涫鴣碜杂诩す馍涫诠ぜ系膹?qiáng)度分布的側(cè)邊或者說邊緣，與射 束軸線隔開間距并且可以借助于合適地定位的刮鏡以簡單的方式從光路中耦合輸出。
[0024] 在另一種實(shí)施方式中，（功率）探測器是熱電探測器，即，使用熱電效應(yīng)（塞貝克 效應(yīng)）用于功率測量的探測器?？焖俚墓β侍綔y器例如尤其可以通過使用薄層來實(shí)現(xiàn)，例 如呈原子層探測器的形式。這種探測器使得能夠以高的時間分辨率感測所探測到的激光功 率并且由此特別快速地調(diào)節(jié)激光切割過程。
[0025] 本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)從說明和圖示中得到。之前提到的和還將進(jìn)一步解釋的特征也 可以單獨(dú)地或者以多個任意的組合得以應(yīng)用。所示出和所描述的實(shí)施方式不應(yīng)被理解為最 終的列舉，而是更確切地說具有用于說明本發(fā)明的示例性的特點(diǎn)。
[0026] 附圖示出：
[0027] 圖1根據(jù)發(fā)明的激光切割機(jī)在切割處理工件時的實(shí)施方式的示意圖，
[0028] 圖2a，b在兩個不同聚焦位置的情況下激光射束在工件表面上的射束輪廓以及強(qiáng) 度分布的示意圖，
[0029] 圖3激光切割頭的示意圖，該激光切割頭具有用于從工件反射回的激光射束的探 測器，
[0030] 圖4借助于探測器測量的激光功率根據(jù)激光射束的聚焦位置的圖解，以及
[0031] 圖5用于將激光射束的聚焦位置調(diào)節(jié)到額定值的調(diào)節(jié)回路的示意圖。
[0032] 圖1示出一種用于激光切割的激光切割機(jī)1形式的工具機(jī)，其具有CO2激光器或者 固體激光器作為激光發(fā)生器2、具有激光加工頭4和工件支架5。激光切割射束6的光路3 通過射束引導(dǎo)借助于（未示出的）轉(zhuǎn)向鏡由CO 2激光器或者借助于光導(dǎo)線纜由固體激光器 被引導(dǎo)至激光加工頭4。切割射束6借助于布置在加工頭4中的聚焦光學(xué)器件聚焦并且在 本不例中垂直于呈板材形式的工件8的表面8a取向，即，從激光加工頭4中射出的激光射 束6的射束軸線（光學(xué)軸線）在垂直于工件8的Z方向上延伸，為了切割加工將該工件支 承在工件支架5上，該支架構(gòu)成加工平面（XY平面）。
[0033] 為了對工件8激光加工，首先以激光射束6刺入，S卩，工件8在一部位上被點(diǎn)式地 熔化或者氧化并且在此產(chǎn)生的熔融物被吹出。隨后，激光射束6和工件8相對于彼此運(yùn)動， 從而構(gòu)成連續(xù)的切割縫隙9的形式的二維加工軌跡，激光射束6沿著該加工軌跡切開工件 8〇
[0034] 可以通過添加氣體既支持所述刺入也支持所述激光切割。作為切割氣體10可以 使用氧氣、氮?dú)?、壓縮空氣和/或?qū)Ｓ玫臍怏w。最終使用何種氣體取決于切割何種材料以及 對工件8提出何種質(zhì)量要求。所產(chǎn)生的顆粒和氣體可以借助于抽吸裝置11吸走，該抽吸裝 置與處于工件支架5下方的抽吸室連接。
[0035] 為了在XY平面中沿著二維的加工軌跡（相應(yīng)于切割縫隙9)進(jìn)行工件8的加工， 加工頭4在在Y方向上延伸的框架12上借助于傳統(tǒng)的驅(qū)動單元7b可線性移動地引導(dǎo)，其 中，加工頭4能夠以典型的方式在工件支架5或者說工件8的整個寬度上移動?？蚣?2借 助于傳統(tǒng)的驅(qū)動單元7a(例如線性驅(qū)動器）是能夠在X方向上移動的，從而激光加工頭4 也能夠在工件支架5的整個長度上移動。在本實(shí)例中，加工頭4附加地借助于另一驅(qū)動單 元7c可在Z方向上，即垂直于工件8移動，以便能夠在激光切割時改變聚焦的激光射束6 的聚焦位置。
[0036] 圖2a，b示出激光加工頭4和工件8在激光射束6的兩個不同的聚焦位置情況下 的細(xì)節(jié)。在這里，聚焦位置由激光射束在垂直于射束傳播方向的平面中的最小延伸（射束 腰，Strahltaille)限定。在圖2a中，激光射束6的焦點(diǎn)在激光射束方向上正好處于工件8 的上側(cè)8a上，這在下文中（任意）被限定為零位置，S卩，在圖2a中示出的聚焦位置情況下 Zf= 0適用。
[0037] 在圖2b中，射束腰進(jìn)而聚焦位置與工件8隔開間距d，S卩，Zf = d適用。如果聚 焦位置與圖2a中示出的零位置不重合，則激光射束6不在其最小延伸的區(qū)域中照到工件8 上，而是具有相應(yīng)增大的直徑（參考圖2b)。相應(yīng)地，圖2a中的切割縫隙的寬度最小并 且由此小于圖2b中所示情況下的切割縫隙寬度a 2(ai < a2)。
[0038] 如在圖2a，b中也可看出，激光射束6在工件8的上側(cè)8a上具有（例如高斯形的） 強(qiáng)度分布I 1,12，所述強(qiáng)度分布的幾何延伸比對應(yīng)的切割縫隙寬度ap a2大。由此，強(qiáng)度分布 I1, I2的邊緣上的（陰影示出的區(qū)域中的）激光射束或者說激光功率不對切割縫隙9的形 成作出貢獻(xiàn)，它們至少部分式地被反射回到激光射束6的光路中并且能夠被用于確定激光 射束6的聚焦位置。
[0039] 下面參照圖3說明一種用于探測由工件8的上側(cè)8a(圖2a，b中陰影示出的區(qū)域） 反射回的激光射束13a，13b的可能性，該可能性在激光切割頭4的內(nèi)部進(jìn)行。激光切割頭 4具有用于使由射束源2沿著射束軸線20供入的激光射束6轉(zhuǎn)向到工件8的方向上的轉(zhuǎn) 向鏡15。布置在轉(zhuǎn)向鏡15之后的聚焦透鏡16用于使激光射束6聚焦到工件8上。在圖3 中不能看出所述聚焦，因?yàn)閮H示出射束軸線20。傳統(tǒng)的驅(qū)動裝置17 (例如線性馬達(dá)或者類 似的）使得能夠移動聚焦透鏡16并且由此改變激光射束6在Z方向上的聚焦位置ZF。
[0040] 由切割縫隙9的兩個邊緣反射回的激光射束13a，13b穿過聚焦透鏡16以及轉(zhuǎn)向 鏡15并且照到布置在光路3中的、平直的刮鏡19上，該刮鏡按照與激光射束軸線20成45° 的角度α (傾斜）取向。刮鏡19具有中心穿孔，該穿孔的直徑在本示例中這樣確定尺寸， 使得該直徑至少為激光射束6的最大直徑的大約1. 5倍。以這種方式保證激光射束6能夠 不受阻礙地穿過刮鏡19的穿孔傳播。相對地，由工件8反射回的激光射束13a，13b以90° 的角度從激光射束6的光路中耦合輸出并且照到探測器18上。在本示例中，探測器18為 快速的功率探測器（例如原子層探測器形式的功率測量頭），該功率探測器以高的時間分 辨率感測激光功率Pu。在本示例中，功率探測器18的測量原理基于熱電效應(yīng)。
[0041] 圖4示出借助于探測器18 (以積分方式）測量的激光功率Pu與聚焦位置Zf的相 關(guān)性關(guān)系。如圖4中可明顯看出，所探測的激光功率Pu在聚焦位置Z f = 0時具有最小值 Pu,MIN，在這種情況下，激光射束焦點(diǎn)處于工件8的上側(cè)8a上（參考圖2a)。在這種情況下， 不僅切割縫隙寬度S 1而且由工件8的上側(cè)8a反射回的激光射束13a，13b是最小的。在圖 2b中示出的情況下，其中，聚焦位置Z f與工件8的上側(cè)8a隔開不為零的間距，相對地，反射 回的激光功率Pu較大，更確切地說大Λ Pu。當(dāng)聚焦位置Zf處于工件8的上側(cè)8a的下方 時，反射回的激光功率Pu也較大。
[0042] 反射回的激光功率Pu和聚焦位置Zf之間的、在圖4中示出的關(guān)系可以在進(jìn)行激 光切割過程之前依據(jù)測試測量來求取，其中，聚焦位置Zf通過借助于配屬于聚焦透鏡的驅(qū) 動裝置17在Z方向上移動該聚焦透鏡16和/或通過借助于配屬于激光切割頭的驅(qū)動器7c 在Z方向上移動該激光切割頭4來改變。在此，所探測的激光功率的最小值配屬于這樣的 聚焦位置Zf = 0,在所述聚焦位置上激光射束6聚焦到工件8的上側(cè)8a上。
[0043] 因?yàn)閳D4中示出的關(guān)系與（瞬時）進(jìn)給速度v(參考圖1)有關(guān)，激光射束6以該 進(jìn)給速度在工件8上移動，可以在分別不同的進(jìn)給速度V的情況下在測試工件上測量多個 特性曲線，以描繪出反射回的激光功率Pu和聚焦位置Z f之間的對應(yīng)的關(guān)系?？梢岳斫獾?是，也能夠針對另外的切割參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)地測繪多個特性曲線，所述切割參數(shù)對反射的激 光功率Pu和聚焦位置Z f之間的關(guān)系具有（重要的）影響。
[0044] 對應(yīng)的特性曲線可以被存儲在存儲裝置中，所述存儲裝置是圖1中所示的調(diào)節(jié)裝 置14的一部分，該存儲裝置承擔(dān)對激光切割機(jī)1的調(diào)節(jié)以及控制任務(wù)。調(diào)節(jié)裝置14可以 構(gòu)造為具有合適地匹配的軟件的硬件部件（計(jì)算機(jī)）或者以其它的方式構(gòu)成，例如構(gòu)造為 "現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Arrays) "，F(xiàn)PGA等形式的可編程的硬件部 件。調(diào)節(jié)裝置14典型地被設(shè)計(jì)用于實(shí)施加工程序，該加工程序控制或者說調(diào)節(jié)激光加工頭 4的運(yùn)動用于在工件8上構(gòu)成所期望的切割輪廓（具有期望幾何結(jié)構(gòu)的切割縫隙9)。
[0045] 調(diào)節(jié)裝置14也可以用于調(diào)節(jié)激光切割過程，以實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的切割結(jié)果（例如用于在 切割縫隙9上得到盡可能無毛刺的切割邊沿），如下文依據(jù)圖5中示出的調(diào)節(jié)回路所說明 的，該調(diào)節(jié)回路的部件構(gòu)成激光切割機(jī)1的部分。反射回的激光功率U參考圖4)用作 調(diào)節(jié)變量。針對該調(diào)節(jié)變量首先確定額定值，該額定值在本示例中與反射回的激光 功率Pu的最小值Pu, MIN相應(yīng)，即，應(yīng)調(diào)節(jié)到最小的切割縫隙寬度或者說調(diào)節(jié)到處于工件8 的上側(cè)上的聚焦位置（Zf = O)上。借助于作為測量元件的探測器18,瞬時反射回的激光功 率Pu, IST被感測并且供入調(diào)節(jié)器12,該調(diào)節(jié)器例如可以實(shí)施在調(diào)節(jié)裝置14中。調(diào)節(jié)器21 被設(shè)計(jì)用于使調(diào)節(jié)差、即偏差Pu, IST-Pu, I最小化。
[0046] 出于該目的，可以改變激光切割過程的不同操縱變量，尤其是這樣的操縱變量，所 述操縱變量對激光射束6的聚焦位置&有（直接或間接的）影響。例如，調(diào)節(jié)器21可以控 制聚焦透鏡16的驅(qū)動裝置17或者用于在Z方向上移動激光切割頭4的驅(qū)動裝置7c，以便 這樣影響（作為受控系統(tǒng)的）激光切割過程P，使得調(diào)節(jié)偏差即所測量的反射回的激光功率 Pu,IST和額定值Pu,之間的差向最小值的方向改變?？梢岳斫獾氖?，激光切割過程的僅 間接影響聚焦位置Z f的參數(shù)、例如進(jìn)給速度V以及射束源（參考圖1)的功率Puq也可以被 包括在所述調(diào)節(jié)中。
[0047] 可以根據(jù)對應(yīng)的應(yīng)用（板材厚度、待切割的輪廓的幾何結(jié)構(gòu)、待切割的材料的種 類等等）這樣確定額定值Pu,使得實(shí)現(xiàn)無毛刺的切割。可以理解的是，不必強(qiáng)制地調(diào)節(jié) 到反射的激光功率的最小值Pu, MIN :如果應(yīng)當(dāng)受限定地、散焦地（defokussiert)切割，貝Ij可 以進(jìn)行調(diào)節(jié)到反射回的激光功率的被限定的額定值該額定值比最小值Pu, MIN大預(yù) 先給定的數(shù)值A(chǔ)Lk。如果已知在對應(yīng)的應(yīng)用情況下為了無毛刺的切割及高的切割質(zhì)量所 需要的聚焦位置Z f，則在此可以依據(jù)圖4中所示的關(guān)系進(jìn)行額定值Pu,S(^的確定。
[0048] 可以理解的是，如果已知優(yōu)化的（無毛刺的）切割結(jié)果和反射回的激光功率Ι\, κ 的額定值I\, K, 之間的直接關(guān)系，則不必強(qiáng)制地參考圖4中示出的關(guān)系。例如，對于這樣 的情況，即，最小的切割縫隙寬度或者說處于工件8的上側(cè)8a上的聚焦位置（Zf = 0)是所 期望的，則可以不從外部為調(diào)節(jié)器21預(yù)先給定額定值而是可以為調(diào)節(jié)器21這樣進(jìn) 行額定值預(yù)先給定，使得應(yīng)當(dāng)使反射的激光功率的實(shí)際值Pu, IST最小化。
[0049] 如果首先在測試切割中求取反射回的激光功率Puk的數(shù)值范圍，在該數(shù)值范圍情 況下，切割過程導(dǎo)致無毛刺的切割邊沿，則也不必參考圖4中示出的關(guān)系。出于該目的，可 以在所述測試切割時改變聚焦位置A與（測試）工件8的上側(cè)8a之間的間距以及例如通 過操作者或者（光學(xué)）傳感器求取切割縫隙上的毛刺形成。在這種情況下，例如可以確定 在所述測試切割時求取的數(shù)值范圍的平均值作為反射的激光功率Pu的額定值Pu, 在 該數(shù)值范圍情況下不產(chǎn)生毛刺形成。
[0050] 可以理解的是，不僅能夠在如圖1中所示的激光切割機(jī)的情況下以上述方式進(jìn)行 對激光切割過程的調(diào)節(jié)。更確切地說，上述的調(diào)節(jié)也可以在這樣的激光切割機(jī)上進(jìn)行，在所 述激光切割機(jī)情況下，工件不是靜止的，而是在至少一個空間方向上運(yùn)動。上述的調(diào)節(jié)過程 也不局限于用于加工基本上板形的工件的激光切割機(jī)。更確切地說，也可以對在基本上管 形或者三維可變地成形的工件的上側(cè)上反射的激光射束進(jìn)行探測。
【權(quán)利要求】
1. 用于調(diào)節(jié)激光切割過程的方法，包括步驟： 借助于聚焦的激光射束（6)在在工件（8)上構(gòu)成切割縫隙（9)的情況下激光切割所述 工件⑶， 探測在所述激光切割時由所述工件（8)的表面（8a)在所述切割縫隙（9)的附近反射 回的激光射束（13a，13b)的功率U，以及 將所探測的激光射束功率（Pmd調(diào)節(jié)到額定值（P?J，在該額定值情況下，激光 功率（Pu)采用最小的值（Pu,n = Pu,ra)或者與所述最小的值（Pu,ra)具有預(yù)先給定 的差（APUK)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，在之前的步驟中確定所探測的激光功率（Pu)和激光 射束（6)的聚焦位置〇相對于所述工件（8)的上側(cè)（8a)的間距（d)之間的關(guān)系，并且， 依據(jù)該關(guān)系這樣確定所述額定值（PmJ，使得激光射束（6)的聚焦位置（ZJ相對于工件 (8)的所述上側(cè)（8a)具有所期望的間距（d)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中，針對在所述工件（8)上構(gòu)成切割縫隙（9)時激光射束 (6)和工件（8)之間的、不同的進(jìn)給速度（v)來確定所述關(guān)系。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，在之前的步驟中，在工件（8)上在構(gòu)成切割縫隙（9) 的情況下進(jìn)行測試切割，其中，改變激光射束（6)的聚焦位置（ZJ相對于工件（8)的上側(cè) (8a)的間距（d)，并且其中，確定反射的激光功率（Pu)的一個值作為額定值（Pum)，在 所述值的情況下所述切割縫隙（9)具有無毛刺的邊沿。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中，確定反射的激光功率（Pu)的數(shù)值范圍的平均值作為 額定值（Pu,sJ，在所述數(shù)值范圍情況下，在所述測試切割時構(gòu)成的切割縫隙（9)具有無毛 刺的邊沿。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一的方法，其中，為了將所探測的激光功率（Pu,IST)調(diào)節(jié)到額 定值（Pun)，改變激光切割過程的至少一個參數(shù)，所述參數(shù)影響激光射束（6)的聚焦位置 (Z F)。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一的方法，其中，為了探測，借助于耦合輸出元件（19)使由所 述工件（8)反射回的激光射束（13a，13b)從激光射束￠)的光路（3)中耦合輸出。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中，使用與激光射束軸線（20)成角度（α)地取向的刮鏡 (19)作為耦合輸出元件。
9. 用于激光切割工件（8)的激光切割機(jī)（1)，包括： 用于使激光射束（6)對準(zhǔn)到工件（8)上的激光切割頭（4)， 用于使激光射束（6)在與所述工件（8)的上側(cè)（8a)隔開間距（d)的焦點(diǎn)位置（ZF)上 聚焦的聚焦裝置（16)， 至少一個用于產(chǎn)生用于在所述工件（8)上構(gòu)成切割縫隙（9)的、所述激光切割頭（4) 和所述工件（8)之間的相對運(yùn)動的驅(qū)動裝置（7a，7b)， 用于探測在激光切割時由所述工件（8)的表面（8a)在所述切割縫隙（9)的附近反射 回的激光射束（13a，13b)的激光功率（Ρ^)的探測器（18)，以及 用于將所探測的激光功率（Ρ^κτ)調(diào)節(jié)到額定值（PmJ的調(diào)節(jié)裝置（14)，在所述 額定值情況下，激光功率（Pu)采用最小的值（Pu,?)或者相對于該最小的值（Pu,?)具 有預(yù)先給定的差（ΛΡ^)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的激光切割機(jī)，其中，所述調(diào)節(jié)裝置（14)構(gòu)造用于，依據(jù)所探測的 激光功率（Pu)和激光射束（6)的聚焦位置（?)相對于所述工件（8)的上側(cè)（8a)的間距 (d)之間的、預(yù)先給定的關(guān)系來這樣確定額定值（Pu,s^)，使得所述激光射束（6)的聚焦位 置（ZJ與所述工件⑶的上側(cè)（8a)具有所期望的間距（d)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9或10的激光切割機(jī)，其中，所述調(diào)節(jié)裝置（14)構(gòu)造用于，根據(jù)借助 于所述至少一個驅(qū)動裝置（7a，7b)產(chǎn)生的、所述激光切割頭（4)和所述工件（8)之間的相 對運(yùn)動的速度（V)來確定所述額定值（Pu^aix)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9至11之一的激光切割機(jī)，其中，所述調(diào)節(jié)裝置（14)構(gòu)造用于，為了 將所探測的激光功率（Pu,IST)調(diào)節(jié)到額定值（Pum)而改變激光切割過程的至少一個參 數(shù)，所述參數(shù)影響激光射束￠)的聚焦位置（Z F)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9至12之一的激光切割機(jī)，還包括：用于使反射回的激光射束（13a， 13b)從激光射束（6)的光路（3)中耦合輸出的耦合輸出裝置（19)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的激光切割機(jī)，其中，所述耦合輸出裝置構(gòu)造為相對于激光射束 軸線（20)成角度（α)地取向的刮鏡（19)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求9至14之一的激光切割機(jī)，其中，所述探測器（18)是熱電探測器。
【文檔編號】B23K26/062GK104271307SQ201380007392
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2013年1月23日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月30日
【發(fā)明者】T·黑塞, D·辛德黑爾姆 申請人:通快機(jī)床兩合公司