CN107584204B - 金属材料的激光处理的方法及相关机器和计算机程序 - Google Patents

Abstract

本申请描述了一种金属材料的激光处理的方法及相关机器和计算机程序，通过在金属材料的至少一个工作平面上具有预定的横向功率分布的聚焦激光束来执行该激光处理，该方法包括以下步骤：‑提供激光束发射源；‑将激光束沿光束传送光径引至布置在材料附近的工作头；‑将激光束沿入射在材料上的传播光轴校准；‑将校准的激光束聚焦在材料的工作平面的区域中；以及‑将聚焦的激光束沿金属材料上的包括一系列工作区域的工作路径引导。该方法在过程的操作速度、结果质量和成本效益方面具有改善的性能，其实时可控以在所有操作条件下获得精确处理结果，可在不增大现有机器的尺寸的情况下实现。

Description

金属材料的激光处理的方法及相关机器和计算机程序

技术领域

本发明涉及金属材料的激光处理，更具体地，涉及用于所述材料的切割、钻孔或焊接的激光处理的方法。

根据其他方面，本发明涉及用于激光处理金属材料的机器，其布置为实施上述的激光处理的方法，并且本发明还涉及计算机程序，其包括用于在该程序由电子处理装置执行时实施上述方法的一个或多个代码模块。

背景技术

在以下描述中，术语“金属材料”用来限定这样的任何金属工件，诸如片材或细长轮廓，其一般具有封闭横截面，例如中空圆形、矩形或正方形形式，或具有开放横截面，例如平坦截面或L、C、U等形式的截面。

在工业金属处理方法中，并且特别是金属片材和轮廓的那些处理方法中，根据激光束与被处理的材料的相互作用参数，特别是根据激光束在材料上的每单位入射体积的能量密度以及相互作用时间间隔，激光用作热工具而用于各种应用中。

例如，通过在延长的时间(大约数秒)上引导低能量密度(每mm²表面大约数十瓦)，实现硬化过程，而通过在大约数飞秒或皮秒的时间引导高能量密度(每mm²表面大约数十兆瓦)，实现光消融过程。在增加能量密度和减少工作时间的中间范围内，对这些参数的控制使得能够执行焊接、切割、钻孔、雕刻和标记过程。

在包括钻孔和切割过程的许多过程中，辅助气体流必须提供给其中在激光束和材料之间发生相互作用的工作区，该相互作用具有推进熔融材料的机械功能，或辅助燃烧的化学功能，甚至屏蔽工作区周围环境的技术功能。

在金属材料激光处理的领域中，激光切割、钻孔和焊接是可由同一机器执行的处理操作，该机器适于生成在金属材料的至少一个工作平面上具有预定的横向功率分布的高功率聚焦激光束(通常为功率密度范围介于1kW/mm²到10000kW/mm²)，并管理激光束方向及其沿材料的入射位置。可在材料上执行的不同类型处理之间的差异基本上可归因于使用的激光束的功率与激光束和受到处理的材料之间相互作用的时间。

在图1和图2中示出了根据现有技术的激光处理机。

图1示意地示出具有CO₂激光器的工业处理机，该激光器具有激光束在空气中的光径，该激光器包括能够发射单模或多模激光束B的发射源10(诸如CO₂激光生成器设备)，以及多个反射镜12a、12b和12c，其适于将从发射源发射的激光束沿激光束传输光径朝向工作头引导，该工作头整体地由14表示，布置在材料WP附近。工作头14包括激光束的光学聚焦系统16，其通常由聚焦透镜构成，适于沿入射在金属材料上的传播光轴聚焦激光束。喷嘴18布置在聚焦透镜下游，并且被朝向材料工作平面的区域导引的激光束交叉。喷嘴适于将由未示出的对应系统喷射的辅助气体束朝向材料上的工作区域导引。辅助气体用来控制工作过程的执行和可获得的处理质量。例如，辅助气体可包括氧，其促进与金属的放热反应，允许切割速度提高，或包括惰性气体(诸如氮)，其虽对材料熔融无帮助，但保护材料免于在工作轮廓边缘处的不希望的氧化，保护工作头免受熔融材料的任何飞溅的影响，并且也可用来冷却在材料上产生的凹槽的侧面，限制热改变区域的膨胀。

图2示意性地示出具有通过光纤引导的激光束的工业处理机。其包括发射源10，诸如能够馈送激光束到传送光纤(例如掺杂有镱的激光光纤)中的激光生成设备，或适于发射单模或多模激光束的直接二极管激光器，并包括适于将从发射源发射的激光束朝向布置在材料M附近的工作头14引导的光纤光缆12d。在工作头处，从光纤发出的发散度受控的激光束在通过通常由聚焦透镜构成的光学聚焦系统16沿穿过发射喷嘴18入射在WP材料上的传播光轴聚焦之前，由校准屈光系统(collimating dioptric system，准直屈光系统)20校准并由反光系统22反射。

图3示出根据现有技术的示例性工作头14。在标记30处，表示出具有如B所示的激光束在其内传输的圆柱形或锥形截面的管状通道。由发射源10生成并且依靠空气中的具有多次反射的光径或光纤中的光径传送到工作头的激光束B在反射偏转器元件32上校准，该反射偏转器元件将其传播光轴在被处理的材料上入射的方向上偏转。光学聚焦系统16在反射偏转器元件32和保护滑道34(其布置在下游，适于保护聚焦系统免遭熔融材料的任何飞溅的影响)之间，并包括透镜托架单元36，机械调整机构38耦合到该透镜托架单元，用于校准透镜横向于光束传播方向(X-Y轴)和在光束传播方向(Z轴)上的定位。

在图4和图5中图示了激光束在工作头中受到的光学处理。

源于发射源S通过自由空间或光纤中的光学传送路径的激光束B以预定的发散度到达工作头。图4中由透镜C示出的光学校正系统用于校准激光束B、将其导引到布置在下游的由透镜F表示的能够产生聚焦激光束的光学聚焦系统。在第一近似，理想的激光束，即在光学聚焦系统下游理想地以平行射线校准的激光束根据几何光学定律集中在焦点上。然而，衍射的物理定律指示即使在最优校准和聚焦配置中，激光束仍在光学聚焦系统下游在其腰斑处具有有限焦斑。这在图4中通过W指示的区域来表示，其对应于光束B的聚焦区域。通常，在工业处理使用中，材料的工作平面与在光束腰斑处的横向平面一致。

图5示出正常校准的激光束的功率密度的分布，其在单模光束的情况下通常形状为具有旋转对称的高斯形，即，其中功率围绕光束纵轴(Z轴)集中并且沿外围裙边逐渐减小，或者其可以在多模光束的情况下描述为具有旋转对称的高斯轮廓的包络线。

具有单模或多模激光辐射的光束(其可在第一近似中描述为高斯型)的使用符合在高功率激光应用的领域中的技术控制需求。实际上，高斯光束容易由几个参数描述并且在其沿从发射源到处理机的头部的光传送路径的传播中容易控制，这是因为其具有自身传播而不修改功率分布的特性，由此其可经由远场传播条件(在此情况下可使用几何光学近似)下的发散值和半径值描述。在聚焦光束在近场中沿其中几何光学近似不再有效的工作路径的传播条件下，在任何情况下光束在其每个横截面中维持高斯功率分布模式。

出于这些原因，在激光处理的领域中，总是需要控制激光束的传播，使得其具有高斯(或近似高斯)横截面功率分布，并且彻底地建立激光束传播光轴和辅助气体流的质心轴之间的相对相互位置。

在现有技术中已研发出适于提供激光束传播光轴和辅助气体流出轴之间定位的稳定性(如果不是刚性)的数个解决方案，并且这通常涉及两个轴的一致性。激光束传播光轴和辅助气体流的轴之间相互位置的调整在现有技术中依靠机械定心程序执行，其由操作员在机器(工作头)的周期性校准期间，例如当由磨损引起必需改变喷嘴时人工执行。此种机械定心程序涉及多个精细机械调整，例如依靠偏转器镜上或校准或聚焦透镜上的螺杆传动，以调整激光束的光传播系统相对于头部上喷嘴的定位的倾斜度和定心。

该设计选项在纯单模激光束遵循分别由激光束功率的高斯分布和由辅助气体的流出喷嘴的口部的圆形截面表示的光束和辅助气体流的旋转对称的情况下，确保每个工作过程(切割、焊接等)相对于处理可能沿循的方向的行为的各向同性。

过程相对于材料上工作路径的各向同性总是被认为是有利的，其中激光工作过程由电子处理装置根据在CAD/CAM系统中预定的任何路径和几何形状进行控制。

广泛相信物理上“不平衡”的系统或激光束和辅助气体在材料上的入射点处没有旋转对称的情况导致控制工作路径的复杂性和困难，或处理结果的较差质量。

发明内容

本发明的目标是提供一种激光处理方法，其在过程的操作速度、结果质量和成本效益方面具有改善的性能。

本发明的另一目标是提供一种激光处理方法，其实时可控以在所有操作条件下获得精确处理结果，可在不增大现有机器的尺寸的情况下实现。

根据本发明，这些目标通过这样的金属材料的激光处理方法实现。本发明提供了一种金属材料的激光处理的方法，特别是用于金属材料的激光切割、钻孔或焊接的方法，通过在金属材料的至少一个工作平面上具有预定的横向功率分布的聚焦激光束来执行该激光处理，该方法包括以下步骤：-提供激光束发射源；-将由发射源发射的激光束沿光束传送光径引至布置在金属材料附近的工作头；-将激光束沿入射在金属材料上的传播光轴校准；-将校准的激光束聚焦在金属材料的工作平面的区域中；以及-将聚焦的激光束沿金属材料上的包括一系列工作区域的工作路径引导；其中该方法包括将激光束成形，其中将激光束成形包括：通过具有反射表面的能变形且受控的表面反射元件反射校准的激光束，反射表面具有连续的曲率，反射表面包括多个能独立地移动的反射区域；以及控制反射区域的布置，以根据当前的工作平面的区域和/或金属材料上的工作路径的当前方向，在金属材料的至少一个工作平面上建立激光束的预定的横向功率分布。

本发明的进一步目标是提供相应的用于金属材料的激光处理的机器以及计算机程序。

总之，本发明建立在以下考虑上：打破激光束和辅助气体流组件的旋转对称，即，偏离激光辐射的传播轴和辅助气体流的流出轴之间一致性的条件，可允许人们在速度、质量和成本效益方面获得比具有相同性能的工作过程更优的益处。

打破旋转对称的应用和利用的模式可以不同，并且具体地，此类模式包括处理激光束的光轴相对于辅助气体流的对称轴的“静态”修改，以及“动态”修改，或在处理激光束的光轴相对于辅助气体流的对称轴的位置的“明显光束”体制中。

在“静态”修改的情况下，激光束的光轴相对于辅助气体流的对称轴的相对位置(相对于被用作参考方向的沿工作路径的局部前进方向的距离、角度)被固定或以与工作过程的前进速度相当(即，相同量级的)的相对速度变化。

由于在辅助气体流的对称轴在上述气体流的平移方向(即，在切割过程的情况下气体流的对称轴在被处理材料的表面上的入射区域)上之前，激光束的光轴位置的不平衡，因此可获得在过程速度方面的更优性能。此种不平衡实际上生成由辅助气体流击中的熔融凹槽区域(其大于轴线一致的对称情况)。也就是说，激光束在气体流之前在材料上的入射允许与轴线一致的对称情况相比以相同的速度进行较低压力的气体输送，从而确保与较低压力成比例的较低气体消耗。

在“动态”修改或“明显光束”体制的情况下，激光束的光轴相对于辅助气体流的对称轴的相对位置(相对于作为参考方向的沿工作路径的局部前进方向的距离、角度)以比工作过程的前进速度大至少一个量级的相对速度而变化。激光束的光轴以预定的围绕移动频率相对于辅助气体流的轴以周期性移动受控制，以便确保在材料上的工作过程看到可通过光束以比围绕移动频率量级更小的频率范围移动的包络所描述的明显光束。

由于光轴相对于辅助气体流的轴线的传播方向的振荡往复移动，例如确定具有稍微延长的椭圆形的明显光束，其允许熔融凹槽的更大照度，即在凹槽中持续更长的照度，这进而允许在传播方向上材料更大地吸收辐射。该技术允许省电，因为这提高激光束的每瓦功率产出，并且节省气体，因为其将材料保持在比现有技术较少粘性的条件下，由此可用较小的气体压力将熔融材料推出凹槽。

否则，因为光轴，即激光功率分布的质心的圆形振荡移动，所以例如围绕辅助气体流的轴线确定圆形明显光束，这允许激光束功率分布的直径(明显)增大，并因此在相同压力下在凹槽内获得更大气体流。

根据本发明，对现有技术的系统的上述考虑的应用通过实施处理激光束的光轴相对于辅助气体流的对称轴的位置的有效控制来实现，这依靠实时控制激光束的形状，即依靠修改光束的横向功率分布来进行，其大体上保持光束的形状和有效直径。

本发明基于使用具有本身在用于光学信号的(因此低功率光学辐射的)处理的科学应用中已知的变形受控的光学系统的原理，以成形用于工业应用的高功率激光束。

变形受控光学系统在激光束光学传送系统中的的应用允许以可迅速修改的方式获得的激光束的成形范围扩展，并且以极高精度调节激光辐射的传播轴和辅助气体的流出轴之间的相互位置，并因此改善机加工过程中的性能或实施创新的机加工。

有利地，本发明的方法允许以高精度将激光束导引在辅助气体流出区的中心，因此阻止当设定机器用于预定的过程时依靠操作员干预进行精确机械调整的需要。

仍更有利地，本发明的方法允许以迅速的调整时间根据预定的相对于辅助气体流的轴线的空间关系(这不必是同轴对齐的位置)控制激光束的光轴的位置，使得此位置控制可能不仅作为用于处理循环的“准备设置”执行，而且可在工作过程期间以控制激光束的光轴和辅助气体流的轴线沿材料上工作路径的所希望相互位置的方式实时实施。

也就是说，本发明的方法允许在工作过程期间自动设定并维持在激光束的光轴和辅助气体流的轴线之间的预定的相互定位策略，例如通过将激光束的光轴的位置瞬时控制在距辅助气体流的轴线一预定的距离处和相对于工作路径的当前方向(过程的前进方向)一预定的角方向处。

本发明的方法进一步允许在工作过程期间根据沿预定的工作路径在材料上的工作区域上的空间位置，或根据其他参数(诸如沿工作路径的前进速度的变化、工作材料的厚度变化、辅助气体相对于被处理材料的表面的入射角的变化)自动设定激光束的光轴和辅助气体流的轴线之间的相互定位可变策略。

在切割和焊接过程的情况下，沿工作路径的前进速度的变化由工作头的各种机械控制轴的必要停止(其有助于路径自身的限定)引起，例如，由于头部工作方向或取向的颠倒，这在减速直到停止之后，并且之后又随即加速。

已知的和预期的工作材料的厚度的改变不仅需要根据厚度而不同的对应的前进速度和材料自身内的焦斑位置，而且需要用于打破旋转对称的不同模式，即，处理激光束的光轴相对于辅助气体流的对称轴根据所述厚度的“静态”或“动态”修改。

最终，由于例如更宽凹槽或辅助气体供应的更优输送，辅助气体相对于工作材料表面的入射角的变化需要激光功率围绕气体流轴线的不同分布，以改善切割性能，确保更稳定的过程。

根据本发明，激光辐射的传播轴和辅助气体流轴线之间相互位置的控制依靠控制在辅助气体流轴线的限定所述流的输送区域的预定的邻近区域中的金属材料上工作平面的区域中光束的横向功率分布来实施。辅助气体流的输送区域(其表示本发明的控制方法的作用的体积域)可识别为工作头的喷嘴的“受影响体积”(喷嘴通常具有直径在1mm和3.5mm之间的口部并具有以下尺寸：通常高度为6mm至20mm的截锥形，直径等于口部直径加上1mm至3mm的较小基部(在喷嘴处)，以及较大基部，其特征尺寸根据截头锥形体积的高度与通常在15度和30度之间的生成线的倾斜角变化。适当地，喷嘴体积尽可能小，并且其具有可能的最微小外观，使得其也可在将要被处理的表面的凹陷内操作。

有利地，通过本发明的方法执行的自动控制可用在100Hz和10kHz之间的操作频率实时执行。

适于执行本发明的方法的控制系统有利地与现有技术系统区分开，因为其可整体结合在工作头中，即，其独立于激光束的生成并且独立于其到工作头的运送。

此外，不同于用于设定或委托用于特定过程的机器的已知解决方案(其中由于操作员的人工干预因此光束相对于辅助气体流的位置可调，或其中根据预定的逻辑实施光束入射方向的修改，与摇摆的现有技术情况相同，依靠该摇摆，在设定工作程序时编程的高动态振荡被遍及整个过程重复地赋予激光束传播光轴)，本发明的方法允许根据光束沿工作路径的位置实时有效控制激光束的传播光轴，由此可基于时间根据在沿工作路径的预定的位置发生的编程工作条件改变光束的传播光轴与辅助气体流的轴线之间的相互位置。作为例示性且非限制示例，此类编程工作条件包括沿预定的工作路径的当前工作位置(或更具体地，当前工作平面的区域)，和/或在材料上的工作路径的当前方向，和/或辅助气体流的轴线的平移方向。

附图说明

本发明的进一步特征和优点将参考附图在作为非限制示例给出的其一个实施例的以下详述中更详细地描述，在附图中：

图1和图2是根据现有技术的用于激光处理的机器的示例；

图3示出根据现有技术的激光机的工作头的结构的示例；

图4和图5示出根据现有技术的用于金属材料工业处理的应用的激光束的形状的示意表示；

图6是适于执行本发明的方法的工作头中的激光束的光径的示意图；

图7是用于实施本发明的方法的光束的成形的受控表面反射元件的示意表示；

图8是适于执行根据本发明的处理方法的激光处理机的控制电子装置的框图；以及

图9是根据本发明的工作示例的示意表示。

具体实施方式

先前已参考现有技术描述图1至图5，并且它们的内容由此称为对受控制用于执行根据本发明的教导的工作过程的处理机的制造而言是常见的。

在根据本发明的用于金属材料的激光处理的机器的工作头中的激光束的光学路径在图6中图示。

图6的光学系统包括激光束B的输入设备100，诸如，例如光纤光缆的端部，或由发射源沿自由空间中的光径发射的光束的光学拾取系统，激光束B从该输入设备以预定的发散度发出。

在输入设备100下游，布置光学校准系统120，例如校准透镜(通常，用于激光切割机的工作头的校准透镜具有50mm至150mm的焦距)，在其下游，校准的激光束被引导至光学聚焦系统140，例如聚焦透镜(通常，用于激光切割机的工作头的聚焦透镜具有100mm至250mm的焦距)，其布置为将光束穿过屏或保护玻璃160聚焦在工作平面π上。

在校准光学系统120和光学聚焦系统140之间的光径中插入光束成形装置180。

具体地，参考图6所示的激光束的光径的示意，本发明涉及制作用于将激光束成形的光学装置180，以及用于在材料的预定的工作平面上以受控方式实现激光束的横向功率分布的所述装置的控制。图中，用于将激光束成形的光学装置180在例示性实施例中示出，其中它们以其自己的对称轴相对于光束传播方向成45°进行布置。

为此，用于将激光束成形的光学装置180作为具有受控表面的可变形反射元件200制作，包括可独立移动的多个反射区域，如图7图示，其在静置状态下限定处于参考反射平面上的反射表面。所述可变形受控表面反射元件200提供连续箔片镜，其反射表面相对于在静置状态下采取的参考平坦反射表面是可三维地修改。所述可变形受控表面反射元件200具有带有连续曲率的反射表面，其包括多个反射区域，存在图中以200a、200b、……示出的对应多个移动模块后来与该反射表面相关联，并且该反射表面被适当处理以依靠在激光束波长下的高反射涂层(至少99％)和在接触托架上的安装部(通过直接通水而冷却)的联合使用而在高光功率的情况下使用。移动模块是构成连续曲率反射表面不可缺少的并且可独立移动。具有连续曲率的反射表面的反射区域在它们之间没有边缘，即总体反射表面在所有方向上具有连续局部导数。所述多个移动模块200a、200b的移动包括对应反射区域的相对于在静置状态下采取的参考平坦反射表面的平移移动，诸如前向和后向移动，或围绕平行于在静置状态下采取的参考平坦反射表面的轴线的对应反射区域的旋转移动，以及甚至这两种移动的组合。反射表面的变形，即移动模块200a、200b的移动优选地由已知压电技术致动，这使得可能控制移动模块的移动和由此反射模块的位置，即，通过每个模块独立于另一模块的在预先确定数量的自由度下平移和/或旋转的移动的组合(在行进中通常约为+/-40μm)引起的它们的位置的修改，依靠这点，可获得由泽尼克多项式的组合限定的连续曲率表面的近似，通过该近似，可(至少在理论上并以在实践中用于所希望目的的充分近似)根据所希望的处理应用的目标来应用激光束的传播光轴的位置的调整，或者更通常应用激光束的横向功率分布的控制。

图7示出具有椭圆形轮廓和相关后向移动模块的反射器元件200的优选实施例，其用于校准激光束的45°的入射角，如图6的图示中所示。此实施例应理解为对于本发明的实施方案为纯例示性且非限制的。在其中校准激光束的入射垂直于或几乎垂直于静置状态下的元件200的表面的不同的优选实施例中，反射元件200的轮廓为圆形轮廓。

在具有椭圆形轮廓的反射元件的实施例中，同样具有38mm的长轴和27mm的短轴，对应于可由校准光学系统120获得的入射在镜上的最大横向孔径大小。

具体地，在优选实施例中，所述可变形受控表面反射元件200包括依靠对应的多个移动模块可独立移动的多个反射区域，多个移动模块包括中心区域和与所述中心区域同心的多排圆形冠状区段。在当前优选实施例中，同心圆形冠状区段的排数量为6，每排圆形冠状区段数量为8，并且圆形冠状区段的高度在到反射元件外的径向方向上从第一排到第三排和从第四排到第六排增大。第四排的圆形冠状区段的高度在第一排和第二排的圆形冠状区段的高度中间。优选地，为了按设计简化反射元件200的控制结构，形成外围圆形冠状的多个圆形区段可固定，并且仅内部圆形冠状区段的排可以以它们可采用总数限于41的致动器的方式移动。

通常，通过在用于所选择数量的反射区域的反射元件上入射的激光束的横向功率分布的趋势的模拟程序，圆形冠状区段的排的数量、圆形冠状区段的数量和圆形冠状区段的高度根据获得激光束的预定的希望横向功率分布所需的反射表面几何形状确定。实际上，元件200的反射表面的受控可变形包括通过作用于激光束的相位引起的焦平面上激光束强度的受控变化。在当前优选实施例中，反射元件200的表面的变形以确定可归因于泽尼克多项式的组合的反射表面的方式受控。因此，根据由反射元件200的反射区域的移动控制的相位变化，可有利地使用数学计算方法模拟激光束在焦平面上的强度分布。

图7所示的反射元件200的表面的细分的几何形状(对应于反射区域的移动模块的几何形状)已由本发明人通过模拟程序确定以获得在光束成形中具有巨大自由度的不同形式的横向功率分布，即使不涉及保持其旋转对称。否则，对于严格涉及高斯功率分布的应用，其中不需要功率分布的形状改变，但仅需要其相对于传播光轴的移位，可使用较简单的几何形状，例如等间距排，即，其中圆形冠状区段的高度在所有区段排中恒定。对于其中保持光束功率分布旋转对称的应用，可提供多个反射区域和径向独立的圆形冠状的形式的相应移动模块。

图8示出用于实施本发明的方法的金属材料的激光处理的机器的电子控制系统的电路图。

系统包括在图中以ECU共同示出的电子处理和控制装置，其可集成到机器搭载的单个处理单元中，或以分布式形式实施，因此包括布置在包括例如工作头的机器不同部分中的处理模块。

与电子处理和控制装置ECU相关联的存储器装置M存储预定的处理模式或程序，例如包括用于工作头和/或用于被处理材料的移动指令形式的预定的工作路径，以及指示光束的功率分布、光束的功率强度和根据工作路径的激光束致动时间的物理处理参数。

电子处理和控制装置ECU布置为用于访问存储器装置M，以获取工作路径并控制处理激光束沿所述路径的应用。控制激光束沿预定的工作路径的应用包括通过参考预定的处理模式或程序，即，根据从存储器装置获取的工作路径信息和工作参数，控制辅助气体流输送和控制激光束朝向预定的工作区域的预定的功率分布的辐射。

传感器装置SENS被机器搭载布置以实时监测工作头和被处理材料之间的相互位置，以及此位置随时间推移的改变。

电子处理和控制装置ECU布置为以从传感器装置接收SENS信号，其指示随时间推移的工作头和被处理材料之间的相互位置，即，随时间推移的当前工作平面的区域和/或工作路径的当前方向的改变。

电子处理和控制装置ECU包括第一控制模块CM1，其用于控制处理的机械参数，布置为发射第一命令信号CMD₁至致动器装置的已知组件，包括用于沿其被机器的特定实施例允许的自由度移动工作头的致动器装置，以及用于将被处理材料相对于工作头的位置移动的致动器装置，其适于和用于移动工作头的致动器装置协作以在工作头的喷嘴处在被处理材料上呈现编程工作路径。因为这些致动器装置在本领域中已知，所以不详细描述它们。

电子处理和控制装置ECU包括第二控制模块CM2，其用于控制处理的物理参数，布置为发射第二命令信号CMD₂至辅助气体流输送装置，并控制用于生成和传输激光束的装置。

电子处理和控制装置ECU包括第三控制模块CM3，其用于控制光学处理参数，布置为发射第三命令信号CMD₃至光束成形装置的可变形受控表面反射元件200，其用于实施所述元件的可独立移动的反射区域的移动模块，即，以便控制它们的相互空间位移(沿反射元件的光轴平移或相对于其倾斜)。依靠包括一个或多个代码模块的计算机程序处理第三命令信号CMD₃，该代码模块具有调节模型或程序的指令，其用于根据将要获得的激光束的预定的成形来实施本发明的方法，即，根据沿在金属材料的至少一个工作平面的区域中入射在材料上的传播光轴的瞬时处理条件，确立激光束的预定的横向功率分布，并因此确立激光束的传播光轴的预定的位置，材料的工作平面为材料的表面平面，或在材料的厚度上在深度上变化的平面，例如对于厚材料的切割或钻孔，即通常厚度比聚焦光束的瑞利长度大1.5倍(在通常情况下厚度大于4mm并且直至30mm)。上述命令信号CMD₃也由计算机程序处理，以根据瞬时工作条件(即，当前工作平面的区域和/或金属材料上工作路径的当前方向)确立激光束在辅助气体流的轴线的预定的邻近区域中和所述流的输送区域内的预定的横向功率分布。

电子处理和控制装置ECU因此布置为检测辅助气体流的轴线的当前位置和/或当前平移方向，以控制辅助气体流的轴线沿金属材料上预定的工作路径的相对平移，并且根据辅助气体流的轴线的当前位置和/或所检测的平移的当前方向自动调整激光束的传播光轴的位置或激光束的横向功率分布。

激光束的传播光轴的位置通过控制反射区域的移动模块来管理，以执行反射元件作为整体相对于相应静置状态的预定的一般倾斜移动，这确定激光束的光斑在被处理材料上的空间平移。

根据一个实施例，调整激光束的传播光轴的位置，以便在金属材料的切割操作期间选择性地或交替地沿工作路径处在相对于辅助气体流的轴线的当前位置的前面区域和后面区域中。这优选地在追随切割路径中完成，该切割路径例如根据切割操作的执行速度和将要被切割的材料的厚度而变化。

在“静态”修改的情况下，由于在上述气体流的(即，在切割过程的情况下气体流的对称轴在被处理材料的表面上的入射区域的)平移方向上在辅助气体流的对称轴之前，激光束光轴位置的不平衡，可获得在过程速度方面的更优性能。此种不平衡生成由辅助气体流击中的熔融凹槽区域(其大于轴线一致的对称情况)。也就是说，激光束在气体流之前在材料上的入射允许与轴线一致的对称情况相比以相同的速度输送较低压力气体，确保与较低压力成比例的较低气体消耗。

在“动态”修改或“明显光束”体制的情况下，由于光轴相对于辅助气体流的轴线的传播方向的往复振荡移动，例如确定具有稍微细长的准椭圆形的明显光束，其允许熔融凹槽的更大照度，即在凹槽中持续更长的照度，这进而允许在传播方向上材料更大地吸收辐射。该技术允许省电，因为这提高激光束的每瓦功率产出，并且节省气体，因为其将材料保持在比现有技术较少粘性的条件下，由此可用较小的气体压力将熔融材料推出凹槽。

在另一实施例中，在金属材料的钻孔操作期间，调整激光束的传播光轴的位置以便遵循围绕辅助气体流的轴线的当前位置的圆形路径。这允许生成具有宽直径圆形对称的“明显光束”，即使以较小直径的高斯光束开始，也具有两个优点。第一优点是钻孔直径在过程结束时增大，并因此允许在切割移动开始处的精细阶段中，在激光束和被处理材料的厚度内的前进前部之间的更优耦合，以及更大气体流，其允许在开始处更有效推进熔融材料。第二优点是在钻孔过程期间，圆形移动在熔融材料上施加发射的优选方向，熔融材料必须从其中发生钻孔的侧面离开材料处理区域的表面，促进曾经更深层的材料的累积剥蚀效率，并最终促进整体厚度的更快下降。

图9示出根据本发明的方法的处理的示例。

图中，T指示编程工作路径。工作路径包括切割轮廓，举例来说，其包括形成闭合或开放虚线的一系列弯曲段T1、T2或笔直段T3，以及一系列凹入部，例如具有半圆形轮廓的凹入部R1、R2。工作路径T也包括H指示的距切割轮廓一预先确定距离的圆形钻孔轮廓。

在沿上述路径的工作头的一些例示性位置(工作头图示为仅与初始工作位置相关联以便不使图形表示过度复杂)，在被处理材料上辅助气体流的输送区域指示为G1，…，Gn，并且限制在激光束的光轴的位置周围的被处理材料上的激光束的入射光斑被指示为S1，…，Sn。应注意，通常对于在厚度4mm至30mm的碳钢、厚度4mm至25mm的不锈钢、厚度4mm至15mm的铝合金、厚度4mm至12mm的铜和黄铜上的切割和/或钻孔操作，辅助气体流的输送区域的通常大小在1.8mm至3mm的范围内变化，并且激光束入射光斑在0.05mm至0.25mm的范围内变化。

对于沿工作路径的一些工作位置或区域，举例来说，表示被处理材料上辅助气体流的对应输送区域(在圆形喷嘴的最普遍实施例中，为圆形)，以及激光束的一个或多个入射光斑(在高斯形的横向功率分布的普遍情况下，其也作为例示由圆形表示)。

G1指示沿遵循预先确定路径T的切割线的第一节段T1的激光束的前进段中辅助气体流的第一输送区域。在该工作区域中，调整激光束的(功率分布的)传播光轴的位置，使得激光束在工作平面上的入射光斑S1处于在辅助气体流的轴线的当前位置之前的区域，该当前位置对应于G1区域的质心。

G2指示沿路径T的切割线的节段T1的减速中激光束的前进段中辅助气体流的第二输送区域。在该工作区域中，调整激光束的(功率分布的)传播光轴的位置，使得光束在工作平面上的入射光斑S2与辅助气体流的轴线的当前位置大体一致，该当前位置对应于G2区域的质心。

G3指示在路径T的半圆形凹入部R1处辅助气体流的第三输送区域。在该工作区域中，激光束的(功率分布的)传播光轴的位置调整为使得：光束在工作平面上的入射光斑在辅助气体流的输送区域内沿所希望切割路径行进而上述区域不移动，如由距辅助气体流的轴线的当前位置径向等距的随后位置S3、S4、S5和S6指示，该当前位置对应于G3区域的质心，但随后位置相对于金属材料上工作路径的当前方向从后向位置到前向位置在角度上偏移。

G4指示在切割轮廓的节段T2和节段T3之间的方向变化处辅助气体流的第四输送区域，其中，方向变化具有的曲率半径较小。在该工作区域中，调整激光束的(功率分布的)传播光轴的位置，使得光束在工作平面上的入射光斑在辅助气体流的输送区域沿所希望切割路径行进而上述区域不移动，该切割路径如由随后位置S7、S8和S9指示，其具有不同于辅助气体流的轴线的当前位置的径向距离和角位置，该当前位置对应于G4区域的质心，即，随后位置分别为相对于金属材料上工作路径的当前方向的后向、一致和前向的位置。

最终，G5指示在圆形切割轮廓H的辅助气体流的第五输送区域，通过中断激光束发射一预定的时间，可在距切割轮廓的路径T一预定的距离处到达该圆形切割轮廓H。在该工作区域中，调整激光束的(功率分布的)传播光轴的位置，使得光束在工作平面上的入射光斑在辅助气体流的输送区域内沿圆形路径行进，该路径可与辅助气体流的轴线共轴，其对应于G5区域的质心，而没有上述区域的移动，该圆形路径由随后位置S10、S11、S12和S13指示。

自然地，在不更改本发明的原理的情况下，实施例和实施细节可相对于单纯地作为非限制示例描述和例示的内容而广泛变化，而不由此背离由所附权利要求限定的本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种金属材料的激光处理的方法，通过在所述金属材料的至少一个工作平面上具有预定的横向功率分布的聚焦的激光束来执行该激光处理，所述方法包括以下步骤：

-提供激光束发射源；

-将由所述发射源发射的所述激光束沿光束传送光径引至布置在所述金属材料附近的工作头；

-将所述激光束沿入射在所述金属材料上的传播光轴校准；

-将校准的所述激光束聚焦在所述金属材料的工作平面区域中；以及

-将聚焦的所述激光束沿所述金属材料上的包括一系列工作区域的工作路径引导；

其中，所述方法包括将所述激光束成形，其中将所述激光束成形包括：

-通过具有反射表面的能变形的受控表面反射元件反射校准的所述激光束，所述反射表面具有连续的曲率，所述反射表面包括多个能独立地移动的反射区域，以及

-控制所述反射区域的布置，以根据所述金属材料上的当前的所述工作平面区域和/或所述工作路径的当前方向，在所述金属材料的所述至少一个工作平面上建立所述激光束的预定的所述横向功率分布，

其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：

-沿辅助气体流的轴线朝向所述金属材料的所述工作平面区域输送所述辅助气体流，

-使所述辅助气体流的所述轴线沿所述金属材料上预定的工作路径相对平移，

-检测所述辅助气体流的所述轴线的当前位置和/或当前平移方向，

-控制所述反射区域的布置，以在所述金属材料上的所述工作平面区域中建立所述激光束的预定的所述横向功率分布，所述工作平面区域被包含在围绕所述辅助气体流的所述轴线的预定的邻近区域中且被包含在所述辅助气体流的输送区域内，

-根据所述辅助气体流的所述轴线的所检测的当前位置和/或所检测的当前平移方向自动调整所述激光束的传播光轴的位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，控制所述受控表面反射元件的所述反射区域的布置包括：控制所述反射区域相对于反射参考平坦表面的移动的组合。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，控制所述受控表面反射元件的所述反射区域的移动的组合包括：控制所述反射区域沿所述受控表面反射元件的光轴的平移移动，和/或控制所述反射区域的旋转以获得相对于所述受控表面反射元件的光轴的倾斜。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，根据所述辅助气体流的所述轴线的所检测的当前位置和/或所检测的当前平移方向自动调整所述激光束的传播光轴的位置是通过参考预定的调整模式或程序来执行的。

5.根据权利要求1或4所述的方法，其中，在所述金属材料的切割操作期间，将所述激光束的传播光轴的位置调整为以便沿所述工作路径相对于所述辅助气体流的所述轴线的当前位置而交替地处于前部区域和后部区域中。

6.根据权利要求1或4所述的方法，其中，在所述金属材料的钻孔操作期间，将所述激光束的传播光轴的位置调整为以便沿循围绕所述辅助气体流的所述轴线的当前位置的圆形路径。

7.根据权利要求1所述的方法，包括：通过对应的多个移动模块来提供具有所述反射表面的能变形的所述受控表面反射元件，所述对应的多个移动模块包括中心区域和与所述中心区域同心的多排圆形冠状区段，所述反射表面具有连续曲率，所述反射表面包括多个能独立移动的所述反射区域。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，同心的所述圆形冠状区段的排的数量为6，每一排的所述圆形冠状区段的数量为8，并且所述圆形冠状区段的高度在朝向所述受控表面反射元件外部的径向方向上从第一排到第三排增大并且从第四排到第六排增大，第四排的所述圆形冠状区段的高度在第一排的所述圆形冠状区段的高度与第二排的所述圆形冠状区段的高度中间。

9.一种用于金属材料的激光处理的机器，通过在所述金属材料的至少一个工作平面上具有预定的横向功率分布的聚焦的激光束来执行该激光处理，所述机器包括：

-激光束发射源；

-用于将由所述发射源发射的所述激光束沿光束传送光径引至布置在所述金属材料附近的工作头的装置；

-用于将所述激光束沿入射在所述金属材料上的传播光轴校准的光学装置；

-用于将校准的所述激光束聚焦在所述金属材料的工作平面区域中的聚焦光学装置，

其中，至少校准的所述激光束的所述聚焦光学装置由所述工作头在距所述金属材料一受控距离处承载；以及

-用于调整所述工作头和所述金属材料之间的距离的装置，适于将聚焦的所述激光束沿所述金属材料上的包括一系列工作区域的工作路径引导；

-用于将所述激光束成形的光学装置，包括具有反射表面的能变形的受控表面反射元件，所述反射表面具有连续曲率，所述反射表面包括多个能独立地移动的反射区域，所述受控表面反射元件适于反射校准的所述激光束，所述反射区域的布置适于在所述金属材料的至少一个工作平面上建立所述激光束的预定的所述横向功率分布；以及

-电子处理和控制装置，布置为控制所述反射区域的布置，以根据所述金属材料上的当前的所述工作平面区域和/或所述工作路径的当前方向，在所述金属材料的所述至少一个工作平面上建立所述激光束的预定的所述横向功率分布，

其特征在于，还包括用于朝向所述材料上的所述工作区域输送具有流出轴的辅助气体流的喷嘴，

其中，所述电子处理和控制装置进一步布置成：

--使所述辅助气体流的所述流出轴沿所述金属材料上预定的工作路径相对平移，

-检测所述辅助气体流的所述流出轴的当前位置和/或当前平移方向，

-根据所述辅助气体流的所述流出轴的所检测的当前位置和/或所检测的当前平移方向自动调整所述激光束的传播光轴的位置。

10.一种计算机可读存储介质，用于当通过用于金属材料的激光处理的机器中的电子处理和控制装置执行计算机程序时，执行使激光束成形的方法，

其中，所述机器包括：

-用于使所述激光束成形的光学装置，包括具有反射表面的能变形的受控表面反射元件，所述反射表面具有连续曲率，所述反射表面包括多个能独立地移动的反射区域，所述受控表面反射元件适于反射校准的所述激光束，所述反射区域的布置适于在所述金属材料的至少一个工作平面上建立所述激光束的预定的横向功率分布；以及

-电子处理和控制装置，布置为控制所述反射区域的布置，以根据所述金属材料上的当前的工作平面区域和/或所述工作路径的当前方向，在所述金属材料的所述至少一个工作平面上建立所述激光束的预定的横向功率分布，

其特征在于，使所述激光束成形的所述方法包括：

-控制所述反射区域的布置，以在所述金属材料上的所述工作平面区域中建立所述激光束的预定的所述横向功率分布，所述工作平面区域被包含在围绕辅助气体流的流出轴的预定的邻近区域中且被包含在所述辅助气体流的输送区域内，以及

-根据所述辅助气体流的所述流出轴的所检测的当前位置和/或所检测的当前平移方向自动调整所述激光束的传播光轴的位置。

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