CN102066035B - 激光加工设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种加工工件(7)的激光加工设备，所述设备具有包含气体气氛的光束导向装置(6)和检测光束导向装置(6)内气体气氛中杂质的装置(检测装置)。检测装置使用光声效应。它包括检测室和测头(11)，光束导向装置(6)用作检测室。在功能上作为检测室光束导向装置(6)包括需要检测的气体气氛和调节至需要输出的激光束。测头(11)结合到光束导向装置(6)中并用于检测室或者光束导向装置(6)中光声效应的检测。

Description

激光加工设备
技术领域
本发明涉及一种加工工件的激光加工设备，所述设备包括光束导向装置，所述光束导向装置包括用于加工工件的激光束的气体气氛、和借助于光声效应检测光束导向装置气体气氛中杂质的装置(检测装置)，其中检测装置包括检测室，检测室包含光束导向装置的气体气氛和调整至所需输出的激光束，其中检测装置还包括至少一个测头，在检测室可通过所述测头检测光声效应。
背景技术
激光加工设备具有CO2激光，用于加工材料的激光辐射通过分子振动产生。产生的激光辐射通常穿过气体气氛引导，该气体气氛通过采取适当的措施保持没有能够吸收所产生的激光辐射的物质。
CO2激光辐射或多或少地被许多分子吸收。吸收的前提是一种分子键具有适当的结合能。例如SF6、C2H4、卤化烃、氨、醇、丙酮和CO2，这些是必须远离光束导向装置的气态物质示例。
从表面看，这些气体的不利影响停留在对加工所需的激光辐射能量的吸收及相关的衰减。实际上的损害影响是由于吸收导致的激光辐射的光学效应，包括光束的变宽以及相前畸变。温度的增加和随后折射率的变化对激光辐射有不利的影响。
研究表明一种＜100ppb(0.1ppm)SF6的杂质足以导致对激光功率为3千瓦的钢板切割决定性的减值。波长为10μm的SF6为已知最高吸收量的物质。
借助于光声效应可以检测激光加工设备的光束导向装置中的杂质。光声效应的检测通过L.B.Kreutzer：“Laser opto-acoustic spectroscopy-A new technique ofgas analysis(激光光声光谱-一种气体分析的新技术)”(Anal.Chem.46239A，1974)成为已知的。检测方法基于某些分子与调制电磁波的相互作用产生声波，该声波使用麦克风可以非常简单进行检测。
根据权利要求1的前序部分类型的激光加工设备已经在EP1386690A1和DE10200349A1中公开了。在那些说明书里，建议为激光加工提供的激光辐射部分被解耦并且进入单独检测单元，在所述单独检测单元中借助于光声效应来检测要分析的气体中的杂质。
现有技术中另一种通用的类型也已经在DE 102005033408A1和US2001/0026354A1中公开了。在那些说明书里涉及具有应用到暴露基底的结构的曝光系统。为此目的提供光源，优选一种激光，其光线朝向基底辐射。在光源和基底之间，具有应用结构的遮光罩安排在光源一侧并且光学投影系统安排在基底一侧。光学投影系统包括外罩和安排在外罩内的多个光学镜片。光学投影系统的外罩被气体冲洗以清除会损害光学投影系统运作的杂质。检测冲洗气流成分的设备可以安排在光学投影系统外罩的内部或外部。光声效应没有被使用在已知的检测设备中。
WO2007/004168A1公开了一种可以用于检测空气样本中杂质的光声光谱仪。
通过DE19535720A1可获知一种测试外壳密封性的方法和装置，其中外泄气体通过匹配光源的光束被照亮，使得如果外壳有泄漏，那么可检测光声效应。通过反馈回路来改进检测。
为调整光束导向装置中气体气氛，已知的是使用分子筛(参见，例如，EP749800A1)或是使用氮气作为光束导向装置的冲洗气体(参见，例如，WO95/33594A1)。
现有技术中还包括抵御来自外部气体进入的防护装置。
发明内容
本发明最基本的目的是简化气体气氛和光束导向装置中所有影响激光加工的气体的监控。
本发明的目的是获得那种在介绍中提到的激光加工设备，其中光束导向装置作为检测室被提供并且包括根据其能量来调节的激光束，且其中光束导向装置还将测头纳入其中。本发明教导了一种光束导向系统中的基于光声效应的即时气体传感器系统。本发明公开了在光束导向设备中最直接检测气体气氛中有关杂质的方案。相对于已知的方案，光束导向装置本身就是检测室。激光发生器不仅产生加工工件的激光束而且产生待实施的光声测定的测量光束。因此，不需要用于产生测量光束的单独光源。可以在加工过程中进行光声的测定，也就是说，在加工工件过程中，也可以是在非加工环节中。加工过程中的测定，是当工件的加工是由可调节功率的激光束进行的测定。使用一种可调节功率的激光束，例如在金属板进行切割加工时，以在加工中割穿板材。在非加工环节通过光声效应进行的测定，例如，在激光加工设备的驱动装置的润滑阶段，和/或在对用于在工件加工期间保持激光加工头和被加工工件之间的限定距离的间隙控制进行调整的阶段。当测定是在非加工环节进行，尤其是在数控条件下，从其发出激光束进入加工区域的激光加工头可能移动到某个限定位置，在该限定位置中激光加工头与用于吸收测量光束的装置协作。作为光束吸收器，可以使用已经通用的其它类型的设备作为安全设备，同样的，用于拦截激光束并且将激光能量转换成通过光束吸收器消散的热量。目前例如在激光谐振器的输出镜使用这种光束吸收器，。
在技术上实现简单的方式，至少一个测头连同与激光加工设备中激光发生器相连的控制和计算单元用于形成检测光束导向装置中气体气氛的机构。
如果控制和计算单元具有用于调节激光能量的机构，它可以检测不同种类的杂质。
优选的，控制和计算单元与激光加工设备的设备控制器相连。如果检测到高含量的杂质，设备控制器可以做出相应的反应，例如停止激光加工。可以想到测定光束导向装置中气体气氛污染程度在超过一定的限度后触发冲洗操作，在这一过程中，光束导向室被所需组成的气体冲洗。在相应的环境下，与常规的连续冲洗光束导向装置相比，在缩小流量情况下连续的冲洗在激光加工设备的激光导向室中足以提供所需组成的气体气氛。同样可以想到的是激光导向装置中可以完全免除连续冲洗。
在光束导向装置中设置至少一个测头来检测声音，即在光束导向装置内部或是设置在光束导向装置的窗口上。两种替代方案都可以对用作测量室的光束导向装置中的光声效应进行直接的检测。如果光束导向装置有排气阀或泄压阀，测头最好设置在所述阀门紧邻附近。这样设置测头，检测到的光声效应会特别可靠地反映光束导向装置中气体气氛的实际情况。
考虑到检测配置结构的简化配置，使用至少一个简单麦克风形式的测头。根据本发明，麦克风阵列优选包括多个麦克风。
附图说明
本发明将参照以下的示意图进行详细描述，在附图中：
图1是激光加工设备的三维视图；
图2示出了图1中所示激光加工设备的光束导向装置的第一结构的放大细节图；
图3示出了图1中所示激光加工设备的光束导向装置的第二结构的放大细节图。
具体实施方式
如图1所示，激光加工设备1包括激光发生器2(CO2激光)和可在双向箭头3的方向上移动的激光加工头4。激光发生器2产生的激光束5从激光发生器2穿过作为光束导向装置的经气体冲洗的光束导向室6至激光加工头4，并且直接照射到待加工工件7上，工件7以金属板的形式放置在激光加工设备1的工件支撑装置8上。
穿孔和激光切割都由外加气体辅助。氧气、氮气、压缩空气和/或特别应用的气体可以用作切割气体9。最终使用的气体取决于被切割的材料和对工件的质量要求。切割气体在加工位置附近的加工头处供给。
光束导向室6充满大量的纯净气体，例如，氮气。光束导向室6由风箱或是其他类似的密闭装置(也可以是管或是伸缩管等)构成。
激光束5在激光加工头4内转化并聚焦，以便聚焦的激光束可以直接照射在工件上。
如图2和图3所示，激光束5可能在光束导向室6内与特定分子10相结合。那样可能导致能量被吸收并且通常会使光束扩大。聚焦条件的变化继而会对激光切割的加工效果产生直接的影响。
由于上述原因，光束导向系统需要密封并且使用净化的压缩气体或者惰性气体(氮气、无CO2的压缩空气)进行冲洗。那样导致操作成本不可忽视的增加。尽管如此，如果受到污染的冲洗气体在无意中使用，或者干扰气体通过泄漏而进入，而这通常不被认识到并且故障排查是昂贵的。
因此，提供了一种检查光束导向室6内气体气氛中杂质的装置。所述装置使用光声效应并且作为检测室的光束导向室6。检测光束导向室6内气体气氛的装置还包括直接检测光束导向室6内气体气氛受污染程度的传感器系统。传感器系统主要由检测声音的测头11(比如麦克风)、和同时与激光发生器2及设备控制器13相连的控制和计算单元12构成。
设备控制器13的任何类型的安全、控制和/或操作措施可以考虑为控制和计算单元12的信号反馈。例如，设备控制器13可以对激光加工设备1的操作人员发出警告。根据光束导向室6的污染程度，也可以自动关闭激光加工设备1。另外，可以启动补救措施，例如增加冲洗气体的流量。控制和计算单元12的信号同样可以用作控制环，以检测光束导向室6内气体气氛。
用于检测的传感器系统可以放在光束导向室6中任何所需要的位置。如图2所示，测头11放置在光束导向室6的内部。图3所示测头11放置在光束导向室6的窗口处。
检测可以在工件加工过程中；以及，通过在激光加工设备1的激光加工头作为最终用于加工工件所使用同样的激光束的情况下(未示出)进行。替代性地，检测也可以在非加工环节进行。尤其是在后一种情况下，激光发生器可以处于工作状态，该状态对发生的光声效应的检测特别有利。具有在脉冲频率为6-8kHz的标间比率为1∶1的能量调节是有利的。最高能量(脉冲幅值)越大，产生的检测信号越强。
使用控制和计算单元12调节激光能量。如果能量在调节后足够大(例如＞1kW)，激发光束导向室内6气体气氛中的污染物干扰很强，以致声音可以在光束导向室6内直接被检测到。不需要单独的检测室。光束导向室6内气体气氛中的污染导致沿激光束5的产生线性声源。
一个或多个麦克风或测头11检测线性声源的声音输出。测头11的输出信号优先考虑频域(例如通过数字化和执行傅里叶变换)。为了获得检测效应和环境噪音之间的区别，在激光调节频率考虑该信号。在上述频率下的幅值对应于污染的程度。

Claims (5)

1.一种加工工件(7)的激光加工设备，所述设备包括光束导向装置(6)和激光发生器(2)，所述光束导向装置包含气体气氛并且用于引导工件加工用激光束(5)，所述激光发生器用于产生工件加工用激光束(5)；以及借助于光声效应检测光束导向装置(6)内气体气氛中杂质的检测装置，其中检测装置包括检测室，所述检测室包含光束导向装置(6)内的气体气氛和功率被调整的激光束，功率被调整的激光束被用于检测光束导向装置(6)内气体气氛中的杂质，且其中所述检测装置还包括至少一个测头(11)，在所述检测室内通过所述测头可检测光声效应，其特征在于，光束导向装置(6)作为用于测量光声效应的检测室被提供，而且包含功率被调整的激光束，用以借助于测量到的光声效应来检测光束导向装置(6)内气体气氛中的杂质，并且测头(11)集成在光束导向装置(6)内；并且，所述测头(11)与控制和计算单元(12)一起形成用于借助于测量到的光声效应来检测光束导向装置(6)内的气体气氛的机构，所述控制和计算单元连接到用于产生工件加工用激光束(5)的所述激光发生器(2)；其中，所述控制和计算单元(12)被构造成调节用于产生工件加工用激光束(5)的所述激光发生器(2)的输出，以使得激光发生器(2)产生用于借助测量到的光声效应来检测光束导向装置(6)内气体气氛中杂质的功率被调整的激光束，并且通过激光束的功率调整使得光束导向装置(6)中的光声效应可被检测到。
2.如权利要求1所述的激光加工设备，其特征在于，控制和计算单元(12)与激光加工设备的设备控制器(13)相连。
3.如权利要求1或2所述的激光加工设备，其特征在于，至少一个测头(11)被安放在光束导向装置(6)内。
4.如权利要求1或2所述的激光加工设备，其特征在于，至少一个测头(11)安放在光束导向装置(6)的窗口上。
5.如权利要求1或2所述的激光加工设备，其特征在于，所述测头(11)由麦克风形成。
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