CN101257992B - 具有用于消除弥散场的光学膜片的激光加工机床 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光加工机床(1)，包括聚焦光学装置(6)，其在光束引导腔(5)内中间地聚焦激光束(4)，并且包括设置在中间焦点(ZF)的区域中的用于形成激光束(4)的光学膜片(9)，膜片孔直径为中间地聚焦的激光束(4)的99％光束直径的约1.2至约2.5倍。

Description

具有用于消除弥散场的光学膜片的激光加工机床
技术领域
本发明涉及一种激光加工机床，特别涉及一种激光切削机床或着激光焊接机床，包括聚焦光学装置，其在光束引导腔内中间地聚焦激光束，并且包括光学膜片(空间膜片)，该膜片设置在中间焦点区域内以形成激光束。
背景技术
这样的激光加工机床是已知的，例如像专利文件EP-A-1 180 409中提到的那样。
在用激光对材料进行加工中，如在激光切削或焊接中，加工结果依赖于激光束的功率密度和光束质量。必须频繁精确调整加工点的激光束直径以达到期望的加工结果。除了激光模式之外，激光束还包含衍射结构(衍射部分)，其与激光模式相比具有较大的光束直径和较大的远场扩散。当激光束被聚焦到待加工工件上，这些衍射结构存在于激光模式的光束直径外部，并且导致不期望的在加工点之外的工件的发热，这种不期望的发热导致了切削或焊接质量的下降，例如粗糙的切削边缘、腐蚀、起氧化皮和小工作带宽。此外，在氧气(O2)激光切削中，最大可切削材料厚度明显减少。
因此，用于形成光束特别是过滤衍射结构的光学膜片设置在已知的激光加工机床上。从最初的专利文件EP-A-1 180 409可以得知，借助于位于中间焦点的光学膜片消除在中间聚焦的激光束中的衍射结构(弥散场)和高阶激光模式。在这种情况下，膜片孔选择为很小以至于在气体清洗的光束引导腔内光学膜片前面存在的压力(过压)显著的高于光学膜片后面的压力。膜片孔因此同时充当节流点，用来使冲洗气体流过光束引导腔，由此减小流过其中的气体的量。然而，膜片孔越小，激光模式的强度损失就越高。
发明内容
鉴于这种情况，本发明的目的在于在最初说明类型的激光加工机床上，在激光模式不损失强度的情况下，消除衍射结构(弥散场)的干扰。
本发明的该目的通过使膜片孔直径为中间地聚焦的激光束的99％光束直径的约1.2至约2.5倍来获得。该99％光束直径定义为激光光束中心处的最大强度I(0)下降至1％的光束直径。
在本发明的氧气(O2)激光切削机床的试验中，已经导致切削边缘更加明显的光滑而不起氧化皮。该切削质量的提高归功于这样的事实，即，位于激光光束中、在加工点处导致加工点外部发热的衍射结构被消除。
聚焦光学装置的焦距选择“向上”由激光加工机床的最大几何尺寸限定，并且“向下”由kW激光范围(kW laser range)中的热或机械稳定性以及光学膜片的可调整性限定。在多kW范围(multi-kW range)中膜片直径小于1mm是不实际的。中间焦点优选的位于激光共振器的耦合输出窗口和光束引导腔的偏转镜，特别是第一偏转镜，之间。
该光学膜片不需要精确的位于中间焦点上，也就是位于在中间聚焦的激光束的光束收敛部分中，但光学膜片可以被设置在离中间焦点最大的瑞利长度处。在围绕光束收敛部分的区域中，菲涅耳数等于或约等于零，并因此在激光模式和衍射结构之间的空间间隔最大，这样衍射结构在这里可以被过滤掉并且激光模式下的损失最低。
不会导致焦点漂移的元件被优选地插入到光束路径当中。因此，激光加工机床的聚焦光学装置和激光加工头为非透射(non-transmitting)光学装置或者热透镜效应小于ZnSe光学装置的透射(transmitting)光学装置。透射光学装置(如ZnSe透镜)改变它们的折射率，该折射率作为根据激光辐射的吸收和温度梯度的形成的透射激光功率的函数，这样形成了所谓的热透镜。该透镜效应导致焦点沿着在中间焦点区域的传播方向迁移，并且导致在加工点(切削头，焊接头等)处干扰依赖于功率的焦点移动。为了达到光学膜片的最理想的功能和在加工点处的较小的焦点漂移，应选择具有小透镜效应的透射光学装置(如金刚石耦合输出窗口)或非透射光学装置(如具有镜光学装置的加工头)。在这些位置处使用ZnSe透镜当然是可能的，但具有前述的那些缺点。
例如聚焦光学装置可以是设置在光束引导腔内的外部镜，或者是三角褶合形状，优选地集成在耦合输出窗口中。
光束引导腔优选地用气体冲洗，其中光学膜片前面和后面存在的气体压力有利地相同或几乎相同。
本发明的进一步的优点从描述和附图中得到。同样地，以上说明的和进一步列出的特征可以单独使用或者多个任意组合使用。所示出和描述的实施例不能理解为最后的列出，而是具有用于描述本发明的示例性的特征。
附图说明
在图中：
图1是本发明激光加工机床的激光束的光束路径的示意图；并且
图2显示了图1中示出的激光束在中间焦点以光束半径为函数绘制的强度分布图。
具体实施方式
图1中所示的CO2激光加工机床1包括具有耦合输出窗口(耦合输出镜)3的CO2激光发生器2，通过该耦合输出窗口激光束4被耦合输出进入到经过气体冲洗的光束引导腔5。聚焦光学装置6被集成在耦合输出窗口3上，该聚焦光学装置6在光束引导腔5中中间地将激光束4聚焦到中间焦点ZF。中间焦点ZF的位置是任意的，但其适于选择一个位于两个光学元件之间的固定距离，在本示例性的实施例中中间焦点位于耦合输出窗口3和偏转镜7之间。激光束4在偏转镜7处偏转并且可选的激光束4在其它元件处经由激光加工头8聚焦在将要被加工的工件(未示出)上。例如，激光加工机床1可以为激光切削机床或者激光焊接机床。
具有圆膜片孔的水冷光学膜片(空间膜片)9位于中间焦点ZF处，用于形成激光束4。由于在图2中显示的，强度I被描绘成关于光束半径R的函数，膜片圆孔直径d显著大于激光束4在中间焦点ZF处的99％光束半径D99％。比率d/D99％应当在大约1.2和大约2.5之间，在本示例性的实施例中大约为1.4。对于圆形对称的大约如6mm的99％光束直径D99％，膜片孔直径d将选为在7.2mm和15.0mm之间。该光学膜片9不必精确的位于中间焦点ZF处，也就是位于在中间聚焦的激光束4的光束收敛部分中，但光学膜片9可以被设置在离中间焦点ZF为瑞利长度RL的最大值处。为了便于维持和调整光学膜片9的位置，中间焦点ZF和由此光学膜片9理想地距离聚焦光学装置6约1m至2m。
在按该方法配置的激光切削机床中用氧气(O2)作为切削气体进行试验导致切削边缘更加明显的平滑并且没有生成氧化皮。这种提高了的切削质量归功于这样的事实，即，在加工点处，导致工件在加工点的外部发热的激光束4中的衍射结构10被光学膜片9消除。
为了保证最适宜的光学膜片9的功能和在加工点上的小的焦点漂移，耦合输出窗口3连同集成的聚焦光学装置6用金刚石制造并且激光加工头8为镜切削头。
被光学膜片9分成两局部腔5a、5b的光束引导腔5被冲洗气体进行冲洗以阻止微粒或气体从外部进入光束引导腔5。冲洗气体在耦合输出窗口3附近被填充进入前局部腔5a(沿箭头6a流动)，并且在光学膜片9之前通过过压阀(未示出)再次被导出(沿箭头6b流动)。同样地，冲洗气体在激光加工头8附近填充到后部腔5b(沿箭头7a流动)，并且在光学膜片9之后通过过压阀(未示出)再次被导出(沿箭头7b流动)。该两个过压阀被设置为同样的开口压力，这样在被气体冲洗的光束引导腔5中，在光学膜片9前面或后面的气体压力p1、p2为相同或大致相同，并且光学膜片9对于光束引导腔5中的冲洗气体来说不存在节流效应。此外，光学膜片9可以进一步具有通孔，经由该通孔两局部腔5a、5b之间的压力可以被平衡。

Claims (11)

1.一种激光加工机床(1)，其在工作中产生用于加工工件的激光束(4)，该激光加工机床(1)包括聚焦光学装置(6)，其在光束引导腔(5)内中间地聚焦激光束(4)，并且包括光学膜片(9)，该膜片设置在中间焦点(ZF)区域内用来形成激光束(4)，其特征在于，膜片孔直径(d)与中间地聚焦的激光束(4)的99％光束直径(D99％)的约2.5倍一样大，该99％光束直径定义为激光光束中心处的最大强度下降至1％的光束直径。
2.如权利要求1所述的激光加工机床，其特征在于，该激光加工机床是激光切削机床或激光焊接机床。
3.如权利要求1所述的激光加工机床，其特征在于，中间焦点(ZF)位于激光共振器(2)的耦合输出窗口(3)和光束引导腔(5)的偏转镜之间。
4.如权利要求1所述的激光加工机床，其特征在于，中间焦点(ZF)位于激光共振器(2)的耦合输出窗口(3)和光束引导腔(5)的第一偏转镜(7)之间。
5.如权利要求1至4之一所述的激光加工机床，其特征在于，光学膜片(9)被定位得以最大瑞利长度(RL)离开中间地聚焦的激光束(4)的中间焦点(ZF)。
6.如权利要求1至4之一所述的激光加工机床，其特征在于，激光加工机床(1)的聚焦光学装置(6)和/或激光加工头(8)为非透射光学装置。
7.如权利要求1至4之一所述的激光加工机床，其特征在于，激光加工机床(1)的聚焦光学装置(6)和/或激光共振器(2)的耦合输出窗口(3)和/或激光加工头(8)为热透镜效应小于ZnSe光学装置的热透镜效应的透射光学装置。
8.如权利要求1至4之一所述的激光加工机床，其特征在于，聚焦光学装置(6)被集成在耦合输出窗口(3)中。
9.如权利要求1至4之一所述的激光加工机床，其特征在于，聚焦光学装置(6)为位于光束引导腔(5)内的外部镜。
10.如权利要求1至4之一所述的激光加工机床，其特征在于，光束引导腔(5)用气体冲洗。
11.如权利要求10所述的激光加工机床，其特征在于，气体冲洗的光束引导腔(5)中的光学膜片(9)前面和后面存在的气体压力(p1、p2)相同或近似相同。
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