CN107584205A - 金属材料的激光加工方法以及相关的机器和计算机程序 - Google Patents

金属材料的激光加工方法以及相关的机器和计算机程序 Download PDF

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Abstract

一种金属材料的激光加工方法以及相关的机器和计算机程序，通过在材料的至少一个工作平面处具有预定横向功率分布的聚焦的激光束来激光加工该材料，包括：提供激光束发射源；沿着光束传输光路向设置为接近材料的工作头引导激光束；沿着入射在材料上的传播光轴使激光束准直；在材料的工作平面的区域中聚焦所准直的激光束；以及材料上的包括一系列工作区域的工作路径引导所聚焦的激光束，激光束由以下步骤成形：通过具有多个独立可移动反射区域的可变形受控表面反射元件来反射所准直的光束，通过控制反射区域的布置以根据金属材料上的当前工作平面的区域和/或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光束的预定横向功率分布。

Description

金属材料的激光加工方法以及相关的机器和计算机程序
技术领域
本发明涉及金属材料的激光加工，更具体地，涉及用于切割、钻削或焊接所述材料的激光加工方法。
根据其他方面，本发明涉及用于金属材料的激光加工的设置为实现激光加工方法的机器，以及包括一个或多个代码模块的计算机程序，该程序在由电子处理装置执行时用于实现上述方法。
背景技术
在以下说明书和权利要求书中，术语“金属材料”用于限定无差别具有封闭截面(例如，中空的圆形、矩形或正方形的形式)或开放截面(例如，平坦截面或以L、C、U等的形式的截面)的诸如片材或细长轮廓的任意金属工件。
在工业金属加工方法中，并且具体地，在金属片材和轮廓的加工方法中，激光用作用于各种应用的热工具，其取决于激光束与被处理的材料的相互作用参数，特别是激光束在材料上的的每一入射量的能量密度以及相互作用时间间隔。
例如，通过在延长时间(大约几秒)内引导低能量密度(每mm2表面大约几十W)来实现硬化处理，同时在大约几飞秒或几皮秒的时间内引导高能量密度(每mm2表面大约几十MW)来实现光切除处理。在增加能量密度且降低工作时间的中间范围中，这些参数的控制使能够进行焊接、切割、钻削、雕刻和标记处理。
在包括钻削和切割处理的许多处理中，辅助气体流必须被提供至激光束与材料之间的相互作用所出现的工作区域，该辅助气体流具有推进熔融材料的机械功能或辅助燃烧的化学功能或者甚至屏蔽工作区域周围的环境的技术功能。
在金属材料的激光加工的领域中，激光切割、钻削和焊接是可由同一机器执行的加工操作，该机器被适配为生成在金属材料的至少一个工作平面上具有预定横向功率分布的高功率聚焦激光束(通常为具有从1至10000kW/mm2的范围的功率密度的激光束)并且管理沿着材料的光束方向和入射位置。可在材料上执行的不同类型的加工之间的差异大致可归因于使用的激光束的功率以及激光束与经受加工的材料之间的相互作用的时间。
在图1和图2中示出根据现有技术的激光加工机器。
图1示意性示出在空气中具有激光束的光路的CO2激光器的工业加工机器，其包括能够发射单模或多模激光束B的发射源10(诸如，CO2激光发生器设备)以及被适配为沿着光束传输光路朝向设置在材料WP附近的工作头(集中表示为14)引导从发射源发射的激光束的多个反射镜12a、12b和12c。工作头14包括激光束的光学聚焦系统16，该光学聚焦系统通常由被适配为沿着在金属材料上入射的传播光轴聚焦激光束的聚焦透镜组成。喷嘴18设置在聚焦透镜的下游，并且由指向材料的工作平面的区域的激光束穿过。喷嘴被适配为向材料上的工作区域引导由未示出的对应系统注入的一束辅助气体。辅助气体用于控制工作过程的执行以及可获得的加工质量。例如，辅助气体可包括允许切割速度增加的氧气(其有利于与金属进行放热反应)或者诸如氮气的惰性气体，该惰性气体不促进材料的熔合但是保护材料免受工作轮廓的边缘处的不必要氧化，保护工作头免受熔融材料的任何溅出，并且还可用于冷却在材料上产生的凹槽的侧面，这限制热改变区域的膨胀。
图2示意性示出具有通过光纤引导的激光束的工业加工机器。它包括被适配为发射单模或多模激光束的发射源10，诸如，能够将激光束供给至传输光纤(例如，掺杂有镱的激光光纤或直接二极管激光)的激光生成设备)，以及被适配为将从发射源发射的激光束引导至设置在材料M附近的工作头14的光纤光缆12d。在工作头处，从光纤出射的使其发散受控的激光束在通过通常由聚焦透镜组成的光学聚焦系统16沿着入射在穿过发射喷嘴18的WP材料上的传播光轴聚焦之前，由准直屈光系统20准直且由反射系统22反射。
图3示出根据现有技术的示例性工作头14。在30处，管状通道被表示具有激光束在其内传输的、表示为B的圆柱形或圆锥截面。由发射源10生成的并且通过空气中的具有多次反射的光路或光纤中的光路传输至工作头的激光束B在反射偏转元件32上准直，该反射偏转元件在被处理的材料的入射方向上使其光传播轴偏转。光学聚焦系统16在反射偏转元件32与设置在下游的保护性滑动件34(被适配为屏蔽聚焦系统免受熔融材料的任何飞溅)之间的中间，并且包括机械调节机制38耦接至的透镜架单元36，该机械调节机制用于横向于光束传播方向(X-Y轴)且在光束传播方向(Z轴)上校准透镜的定位。
在图4和图5中用图解法表示激光束在工作头中所经受的光学处理。
通过自由空间或光纤中的光学传输路径来源于发射源S的激光束B以预定发散度到达工作头。在图4中由透镜C示出的光学准直系统提供以用于准直激光束B、将其引导至设置在下游的、由透镜F表示的、能够产生聚焦激光束的光学聚焦系统。首先近似，光学聚焦系统的下游的理想激光束(即，理想准直为平行射线的激光束)根据几何光学定律集中在焦点上。然而，衍射物理定律指示在光学聚焦系统的下游，即使以最佳准直和聚焦配置的激光束在其腰部处也具有有限焦点。这在图4中由指示为W的区域表示，其对应于光束B的焦点区域。通常，在工业加工使用时，材料的工作平面与光束的腰部处的横向平面一致。
图5示出正常准直激光束的功率密度的分布，其在单模光束的情况下通常为具有旋转对称的高斯(Gaussian)形状，即，功率集中在光束的纵轴(Z轴)周围并且沿着外围裙部逐渐减小，或者它可被描述为在多模光束的情况下具有旋转对称的高斯分布的包络。
具有可在第一近似中描述为高斯的单模或多模激光辐射的光束的使用满足高功率激光应用领域中的技术控制需求。实际上，高斯光束易于通过几个参数描述并且沿着从发射源向加工机器的头部的光学传输路径可易于控制其传播，因为它具有在不修改功率分布的情况下进行自身传播的特性，由此它可经由远场传播条件下的半径值和发散值来描述(在这种情况下，可使用几何光学近似)。在近场中的聚焦光束的传播条件中，沿着几何光学近似不再有效的工作路径，在任意情况下，光束在其截面中的每一个中维持高斯功率分布模式。
由于这些原因，在激光加工的领域中，总是存在控制激光束的传播使得它具有高斯(或近似高斯)截面功率分布并且一劳永逸地建立激光束的传播光轴与辅助气体流的质心轴之间的相对相互位置的需要。
在现有技术中已开发了大量解决方案，这些方案被适配为提供激光束的传播光轴与辅助气体的流出轴之间的定位的稳定性(如果不是刚性)，并且这通常涉及两个轴的重合。在现有技术中，在机器(工作头)的周期性校准过程中(例如，在由于磨损而必须更换喷嘴时)，通过由操作者手动执行的机械定心过程来执行激光束的传播光轴与辅助气体流的轴之间的相互位置的调节。这种机械定心过程涉及多个精细机械调节，例如，通过偏转镜或者准直透镜或聚焦透镜上的螺杆传动来相对于喷嘴在头部上的定位调节激光束的光学传播系统的倾斜和定心。
在完全单模光束的情况下，该设计选择不防碍分别由激光束的高斯功率分布以及辅助气体的流出喷嘴的嘴部的圆形截面指示的光束以及辅助气体流的旋转对称，确保每个工作过程(切割、焊接等)相对于加工可遵循的方向的行为的各向同性。
处理相对于材料上的工作路径的各向同性(isotropy，无向性)总是被视为是有利的，其中，根据在CAD/CAM系统中预定的任意路径和几何图形，由电子处理装置控制激光工作过程。
普遍认为，物理“不均衡”系统或者激光束和辅助气体在材料上的入射点处没有旋转对称导致控制工作路径的复杂性和难度或者处理结果的更坏质量。
在定量生产方面提高机器的性能并且因此增加处理速度的需要导致增加遵循工作路径的机器的工作头可到达的最大加速度以及可适用于上述头部的最大加速度并且因此最终增加将传递至促进工作头的运动的电动机的电涌电流的需要。
通过举例的方式，在通过沿着切割虚线确定的突然路径变化的情况下，以每分钟几十米的潜在可实现速度来处理薄材料涉及工作头在其沿着运动轴平移时的减速(或停止)以及工作头沿着不同运动轴平移的恢复(或启动)，其中，施加的线性或切线加速度大约为2g至6g。根据激光束与材料之间的往复运动的致动的运动学，材料的构件的运动也可需要相同动力学。因此，工作头相对于材料的相互位置的快速反馈并且反之亦然以及用于所述头部或材料的稳健运动力学能够维持高动力且激光束和辅助气体相对于材料上的期望路径的入射点没有明显振动是必要的。
事实上，可发生的是，与机器的运动机制的惯性和内在灵活性(永远不可消除)相结合的过度加速度可抽出辅助气体的流出喷嘴以及与其刚性相关联的激光束的光轴相对于预定工作路径的位置，尽管在有限量的时间内。例如，在存在工作路径的方向上的非连续变化的角度点附近，这是典型的加工。运动的高动力以及工作头或材料的后续振动根据欠阻尼振动的局部路径确定激光束的传播光轴的演变，由此，在角度点附近，例如，因为它沿着振幅减小的波状路径而不是由工作路径集限定的直线路径，所以从几何视点看产生不完美处理。
本领域采用的简单解决方案是诸如，将工作路径设计为不允许在方向上的非连续变化。这是近似解决方案并且不足以用于精确加工。
例如，在专利申请WO 2006/075209中描述的替代解决方案是为机器配备承载用于沿着第一对笛卡尔(Cartesian)轴(其能够跨越宽的工作区域支撑头部)平移工作头的强硬且刚性的平移构件的框架，尽管缓慢并且以降低加速度平移，并且沿着可以以高速度和高加速度覆盖的具有有限行程的第二对笛卡尔轴以用于工作头的局部运动的降低惯性支撑一对板上光运动滑动件。
通过根据运动细分规则适当管理的平移构件和运动滑动件沿着“慢”轴和“快”轴引导至工作头的运动的合成允许实现高性能动力学(5g-6g)，尽管以事实上不会消除部件的惯性而是在第一慢轴移动构件与第二快轴移动构件之间分配其效果的机械系统。
发明内容
本发明的目标是提供一种在加工的操作速度、结果质量以及成本效益方面具有改进性能的激光加工方法。
本发明的另一目标是提供实时可控的激光加工方法，以在所有操作条件下获得不增加现有机器的尺寸即可达到的精确加工结果。
根据本发明，这些目标通过本发明的金属材料的激光加工方法来实现。本发明的金属材料的激光加工方法，通过在所述金属材料的至少一个工作平面处具有预定横向功率分布的聚焦的激光束来激光加工所述金属材料，特别地，所述方法用于所述金属材料的激光切割、钻削或焊接，所述方法包括以下步骤：提供激光束发射源；沿着光束传输光路向设置为接近所述金属材料的工作头引导由所述发射源发射的激光束；沿着入射在所述金属材料上的传播光轴使所述激光束准直；在所述金属材料的工作平面区域中聚焦所准直的激光束；以及沿着所述金属材料上的包括一系列工作区域的工作路径引导所聚焦的激光束，其中，所述方法包括使所述激光束成形，其中，使所述激光束成形包括：通过能变形的受控表面反射元件来反射所准直的激光束，所述受控表面反射元件具有反射表面，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反射区域，以及控制所述反射区域的布置，以便根据所述金属材料上的当前工作平面区域和/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处建立所述激光束的预定横向功率分布。
本发明的进一步目的是如要求保护的用于金属材料的激光加工的机器以及计算机程序。
总之，本发明基于如下的考虑：激光束和辅助气体流组件的旋转对称的破坏(即，偏离激光辐射的传播轴与辅助气体流的流出轴之间的一致条件)可允许人们在速度、质量和成本效益方面比具有相同性能的工作过程获得更好益处。
具体地，在基于并行命令轴以分布在由“慢”轴(即，用于宏位移的大且重的轴)和“快”轴(即，用于微位移的小且轻的轴)组成的运动系统中的运动学进行加工时，本发明利用破坏激光束和辅助气体流组件的旋转对称以构建创新控制运动学的可能性，其中，“慢”轴的功能被分配至工作头的传统平移轴并且与它们相结合的是“快”“轴”的功能被分配至的激光束相对于辅助气体流的与工作头轴刚性相关的流出轴的定位控制。
根据本发明，借助于实时控制激光束的形状，即，借助于光束的横向功率分布的变型(其基本保持光束的形状和有效直径)，通过实现加工激光束的光轴位置相对于辅助气体流的对称轴的有效控制来实现将上述考虑应用至现有技术的系统。
本发明基于使用具有在科学应用中本身已知的可控变形以用于处理光信号(因此处理低功率光辐射)以形成用于工业应用的高功率激光束的光学系统的原理。
激光束光传输系统中的受控变形光学系统的应用允许以快速可修改方式可获得的激光束的成形范围扩大并且极度精确地调节激光辐射的传播轴与辅助气体的流出轴之间的相互位置，并且因此提高机械处理的性能或者实现创新机械处理。
有利地，本发明的方法允许激光束的光轴的位置根据其与辅助气体流的轴的预定空间关系(其不必是同轴对准位置)以快速调节时间控制，使得可在工作处理过程中以这样的方式实时实现这种位置控制，即，沿着材料上的工作路径控制激光束的光轴与辅助气体流的轴之间的期望相互位置，具体地，当材料上的预定工作路径从第一工作方向改变为第二工作方向时。
甚至更有利的，本发明的方法允许人们在工作过程中，例如，根据材料上的工作区域的空间位置沿着预定工作路径自动设置激光束的光轴与辅助气体流的轴之间的可变相互定位策略，并且瞬间引导并且以最佳精确度以与辅助气体流的轴的预定距离并且以相对于运动路径的当前方向(气体流的前进)的预定角度方向，引导激光束的光轴的位置，由此消除工作头或材料的精细机械运动的需要。
根据本发明，借助于限定所述辅助气体流的传输区域的辅助气体流轴的预定邻近区域中的金属材料上的工作平面的区域中的光束的横向功率分布的控制，来实现激光辐射的传播轴与辅助气体流出轴之间的相互位置的控制。辅助气体流的传输区域(其表示本发明的控制方法的作用的体积场)可识别为工作头的喷嘴的“受影响体积”，喷嘴通常具有在1mm与3.5mm之间的直径以及通常为截锥的尺寸的嘴部，该截锥具有6mm至20mm的高度，较小的底部(在喷嘴处)的直径等于嘴部直径增加1至3mm以及较大的底部的特征尺寸是截头圆锥体积的高度以及生成线的倾角(通常在15度与30度之间)的函数。适当的，喷嘴的体积尽可能地小，并且它具有可能的最细长外观，使得它也可在待处理表面的凹面内操作。
有利地，通过本发明的方法执行的自动控制可以以100Hz与10kHz之间的工作频率实时进行。
因此，借助于本发明的方法，能够在加工过程中控制辅助气体流的传输区域内的“快”轴的运动(即，其中，最大行程等于辅助气体流的传输区域的直径)，以便将具有高动态分量的运动迭加在缓慢可变的运动上，并且可能地按照辅助气体流的传输区域的直径大小的顺序补偿具有屈服和杂散振荡的机械运动。
有利地，被适配为执行本发明的方法的控制系统与现有技术系统相区分，因为它可集成至工作头中，即，控制系统独立于激光束的生成及其向工作头的运输。
此外，本发明的方法允许根据光束的定位，沿着工作路径实时有效控制激光束的光学传播轴的位置，由此能够根据在预定位置处出现的编程工作条件，沿着工作路径以适时方式修改激光束的光学传播轴与辅助气体流的轴之间的相互位置。通过示例性且非限制性实例的方式，这种编程处理条件包括沿着预定工作路径的当前工作位置(或更通常地，当前工作平面的区域)和/或材料上的工作路径的当前方向和/或辅助气体流的轴的平移方向。
附图说明
在本发明的通过非限制性实例给出的一个实施方式的以下详细说明中，将参考附图更详细地描述本发明的进一步特征和优势，附图中：
图1和图2是根据现有技术的用于激光加工的机器的实例；
图3示出根据现有技术的激光机器的工作头的结构的实例；
图4和图5示出根据现有技术的用于金属材料的工业加工的应用的激光束的形状的示意性表示；
图6是被适配为执行本发明的方法的工作头中的激光束的光路的示意图；
图7是用于实现本发明的方法的用于光束的形成的受控表面反射元件的示意性表示；
图8是被适配为执行根据本发明的加工方法的激光加工机器的控制电子设备的框图；以及
图9a至图9e是根据本发明的方法的工作实例的示意性表示。
具体实施方式
先前已参考现有技术描述了图1至图5，并且其内容因此被称为与根据本发明的教导的用于执行工作过程而受控的加工机器的制造相同。
在图6中用图解法表示根据本发明的用于金属材料的激光加工的机器的工作头中的激光束的光路。
图6的光学系统包括激光束B的输入设备100，例如，光纤光缆的端部或在自由空间中沿着光路通过发射源传播的光束的光学拾波器系统，激光束B以预定发散度从该发射源射出。
在输入设备100的下游，设置有光学准直系统120，例如准直透镜(通常用于激光切割机的工作头的准直透镜具有从50mm至150mm的焦距)，在光学准直系统的下游，准直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从100mm至250mm的焦距)，该光学聚焦系统设置为使光束通过屏幕或保护玻璃160而聚焦到工作平面π上。
在准直光学系统120与光学聚焦系统140之间的光路中，插入光束成形装置180。
具体地，参考图6所示的激光束的光路的图式，本发明涉及使用用于成形激光束的光学装置180以及在材料的预定工作平面上以可控方式控制用于实现激光束的横向功率分布的所述装置。在图中，在示例性实施方式中示出用于成形激光束的光学装置180，其中，该光学装置设置为使得其自身对称轴相对于光束的传播方向为45o。
为此，用于成形激光束的光学装置180制成为如在图7中用图解法表示的具有受控表面的可变形反射元件200，包括独立可移动的多个反射区域，反射区域在静止状态下限定位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提供连续的箔镜(foilmirror)，其反射表面相对于在静止状态下采用的参考平坦反射表面三维可修改。所述可变形受控表面反射元件200具有反射表面，该反射表面具有连续曲率、包括多个反射区域，随后在图中示出为200a、200b…的对应多个运动模块与多个反射区域相关联，并且所述反射元件借助于以激光束的波长的高度反射涂层(至少99％)的联合使用被适当处理以用于以高光功率的使用，并且安装在通过直接引导用水冷却的接触保持件上。运动模块与连续曲率反射表面成整体并且独立可移动。具有连续曲率的反射表面的反射区域在反射区域之间不具有边缘，即，总体反射表面在所有方向上具有连续局部变形(derivative)。所述多个运动模块200a、200b的运动包括对应的反射区域相对于在静止状态下采用的参考平坦反射表面的平移运动(诸如，向前运动或向后运动)或者对应的反射区域围绕与在静止状态下采用的参考平坦反射表面的轴线的旋转运动，或者甚至其组合。优选地，反射表面的变形(即，运动模块200a、200b的运动)由已知压电技术致动，该技术能够控制运动模块的运动以及反射区域的后续位置，即，由于每个模块以预定量的自由度独立于其他模块通过平移和/或旋转的运动组合而引起的其位置修改(通常为大约+/-40μm的行程)，通过该技术能够获得由泽尔尼克(Zernike)多项式的组合限定的连续曲率表面的近似值，通过该技术能够(至少在理论上能够并且在实践中具有用于期望目的的足够近似值)根据期望加工应用的目的施加激光束的光学传播轴的位置的调节或者更通常地激光束的横向功率分布的控制。
图7示出具有椭圆轮廓以及相关后方运动模块的反射器元件200(采用如在图6的示图中所示的准直激光束的45o入射角)的优选实施方式。该实施方式应被理解为是完全示例性的和非限制性的以实现本发明。在准直激光束的入射在静止状态下垂直于或几乎垂直于元件200的表面的不同优选实施方式中，反射元件200的轮廓为圆形轮廓。
在具有椭圆轮廓的反射元件的实施方式中，该反射元件具有38mm的长轴以及27mm的短轴，对应于入射在镜子上的通过准直光学系统120可获得的激光束的最大横向孔径尺寸。
具体地，在优选实施方式中，所述可变形受控表面反射元件200包括多个反射区域，该多个反射区域通过对应的多个运动模块可独立地移动，该反射区域包括中心区域以及与所述中心区域同心的多排圆形冠部扇区。在目前优选的实施方式中，同心圆形冠部扇区的排的数量为6，针对每一排的圆形冠部扇区的数量为8，并且圆形冠部扇区的高度在向反射元件的外部的径向方向上从第一排向第三排增加并且从第四排向第六排增加。第四排的圆形冠部扇区的高度在第一排的圆形冠部扇区的高度与第二排的圆形冠部扇区的高度中间。优选地，为了简化如设计的反射元件200的控制结构，形成外围圆形冠的多个圆形部分可被固定，并且只有内部圆形冠部扇区的排可以以这样的方式移动，即，它们可采用的执行器总数限于41。
通常，通过入射在针对所选择数量的反射区域的反射元件上的激光束的横向功率分布的趋势的模拟过程，根据获得激光束的预定期望横向功率分布所需要的反射表面几何形状，来确定圆形部分的排的数量、圆形冠部扇区的数量以及圆形冠部扇区的高度。事实上，元件200的反射表面的受控可变形性通过作用在激光束的相位上而引起激光束在焦平面上的强度的受控变化。在目前优选的实施方式中，反射元件200的表面的变形以这样的方式控制，即，确定可归因于泽尔尼克多项式的组合的反射表面。因此，有利地，可使用数学计算方法来模拟激光束根据由反射元件200的反射区域的运动控制的相位变化而在焦平面上的强度的分布。
图7所示的反射元件200的表面的细分的几何图形(对应于反射区域的运动模块的几何图形)已由发明人通过模拟过程确定，以在光束成形时以较大自由度获得不同形式的横向功率分布，即使与其旋转对称的保持不相关。否则，对于与高斯功率分布严格相关的不需要功率分布的形状的改变而是只需要其相对于光学传播轴的位移的应用，能够使用较简单的几何图形，例如，等间隔排，即，其中，圆形冠部扇区的高度在所有排的部分中恒定。对于保持光束功率分布的旋转对称的应用，能够提供以径向独立圆形冠的形式的多个反射区域及相应运动模块。
图8示出用于实现本发明的方法的用于金属材料的激光加工的机器的电子控制系统的电路图。
该系统包括在图中集中示出为ECU的电子处理和控制装置，其可集成到机器上的单个处理单元中或以分布形式实现，因此包括设置在机器的不同部件(包括例如工作头)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存储预定处理模式或程序，例如，包括以用于工作头和/或用于被处理材料的运动指令的形式的预定工作路径以及指示光束的功率分布、光束的功率强度以及根据工作路径的激光束激活时间的物理处理参数。
电子处理和控制装置ECU设置为用于访问存储器装置M以获取工作路径，并且沿着所述路径控制处理激光束的施加。沿着预定工作路径控制激光束的施加包括通过参考预定处理模式或程序(即，根据从存储器装置获取的工作路径信息和工作参数)，来控制辅助气体流的传输以及控制预定功率分布的激光束向预定工作区域的辐射。
传感器装置SENS设置在机器上以实时检测工作头与被处理的材料之间的相互位置以及该位置随时间的改变。
电子处理和控制装置ECU设置为从传感器装置SENS接收指示工作头与被处理的材料之间的相互位置随时间的信号，即，当前工作平面的区域和/或工作路径的当前方向随时间的改变。
电子处理和控制装置ECU包括第一控制模块CM1，该第一控制模块用于控制处理的机械参数、设置为向致动器装置的已知组件发出第一命令信号CMD1，该第一控制模块包括用于沿着由机器的具体实施方式所允许的自由度来移动工作头的致动器装置以及用于相对于工作头的位置移动被处理的材料的致动器装置，该第一控制模块被适配为与用于移动工作头的致动器装置配合以在工作头的喷嘴处呈现被处理的材料上的编程工作路径。对这些致动器装置不进行详细描述，因为它们在本领域是已知的。
电子处理和控制装置ECU包括第二控制模块CM2，第二控制模块用于控制处理的物理参数、设置为向辅助气体流传输装置以及用于生成并传输激光束的控制装置发出第二命令信号CMD2。
电子处理和控制装置ECU包括第三控制模块CM3，第三控制模块用于控制光学处理参数、设置为向光束成形装置的可变形受控表面反射元件200发出第三命令信号CMD3以用于实现所述元件的独立可移动反射区域的运动模块(即，控制它们的相互空间位移(沿着反射元件的光轴的平移或相对于其的倾斜))。命令信号CMD3由包括一个或多个代码模块的计算机程序处理，该计算机程序具有用于根据待获得的激光束的预定成形来实现本发明的方法的调节模型或程序的指令，即，根据沿着光学传播轴入射在金属材料的至少一个工作平面的区域中的材料上的的瞬间处理条件，建立激光束的预定横向功率分布并且因此建立激光束的光学传播轴的预定位置，材料的工作平面是材料的表面平面或者在材料厚度上深度不同的平面，例如，用于厚材料的切割或钻削，即，通常具有大于聚焦光束的瑞利(Rayleigh)长度(在通常情况下，为0.5mm与4mm之间的厚度)1.5倍的厚度。上述命令信号CMD3也由计算机程序处理，以便根据瞬间工作条件(即，金属材料上的当前工作平面的区域和/或工作路径的当前方向)在辅助气体流的轴的预定邻近中以及所述流的传输区域内建立激光束的预定横向功率分布。
因此，电子处理和控制装置ECU设置为检测辅助气体流的轴的当前位置和/或当前平移方向，以控制辅助气体流的轴沿着预定工作路径在金属材料上的相对平移，并且根据当前位置和/或所检测的辅助气体流的轴的当前平移方向，自动调节激光束的光学传播轴的位置或激光束的横向功率分布。
通过控制反射区域的运动模块来管理激光束的光学传播轴的位置，以便相对于相应静止状态整体执行反射元件的预定的一般倾斜运动，其确定激光束的斑点在被处理材料上的空间平移。
根据一个实施方式，当材料上的预定工作路径从第一工作方向改变为第二工作方向时，根据沿着所述第一工作方向与所述第二工作方向之间的预定拟合曲线(fittingcurve)的中间方向，控制辅助气体流的轴的相关平移，其中，拟合曲线与预定工作路径的距离不大于所述流的传输区域的直径。同时，检测辅助气体流的轴的当前位置，并且根据辅助气体流的轴的当前位置调节激光束的传播的光轴的位置以便维持沿着上述预定工作路径引导的激光束的传播光轴。
在实施方式的该实例中，激光束的传播光轴的位置被调节为在金属材料的钻削操作过程中，沿着相对于辅助气体流的轴的当前位置的偏心路径。
图9a至图9e示出根据本发明的方法的加工的实例。
在图中，已编程的工作路径以T表示。该工作路径包括切割轮廓，该切割轮廓包含(完全通过举例的方式)两条直线T1和T2，该两条直线之间形成直角并且在路径突然改变方向的角度点处相遇。
在工作头沿着上述路径的一些示例性位置中，以G1至G4表示辅助气体流在被处理材料上的传输区域(其质心以N表示)，并且在S1-S4处，激光束在被处理材料上的入射点包围激光束的光轴的位置。应注意，通常，对于具有从0.5至4mm的厚度的碳钢、不锈钢、铝、铜和黄铜上的切割和/或钻削操作，辅助气体流的传输区域的通常尺寸为从1mm至3.5mm的范围，并且激光束的入射点为从0.05mm至0.25mm的范围。
对于沿着工作路径的一些工作位置或区域，通过举例的方式，表示被处理材料上的辅助气体流的对应传输区域(在圆形喷嘴的最常见实施方式中，该传输区域为圆形)以及激光束的一个入射点(在高斯形状的横向功率分布的常见情况中，其也通过举例的方式由圆形表示)。紧挨着工作路径的箭头指示切割的前边缘的前进方向，其与工作头在材料上的运动方向相对应。在相对于切割头移动材料的情况下，材料运动方向与由箭头表示的方向自然相反。
G1指示沿着遵循预定路径T的切割线的第一区段T1的激光束前进部分中的辅助气体流的第一传输区域。在该工作区域中，激光束的(功率分布的)传播光轴的位置被调节为使得光束在工作平面上的入射点S1(其对应于区域G1的质心)与辅助气体流的轴的当前位置大致一致。
G2指示沿着路径T的切割线的区段T1的激光束前进部分中的辅助气体流的第二传输区域。
在该工作区域中，辅助气体流的轴的位置沿着区段T1与T2之间的不中断的拟合路径R，同时激光束的(功率分布的)传播光轴的位置被调节为使得光束在工作平面上的入射点S2维持在工作路径T上，由此该入射点处于与辅助气体流的轴的当前位置的预定径向距离(并且处于工作头的参考系统中的对应预定角度方向处)。
G3指示在激光束到达路径T的切割线的区段T1到区段T2的处理方向的变化的角度点的部分中的辅助气体流的第三传输区域。
在该工作区域中，辅助气体流的轴的位置沿着区段T1与T2之间的拟合路径R，同时激光束的(功率分布的)传播光轴的位置被调节为使得光束在工作平面上的入射点S3维持在工作路径T上，由此入射点处于与辅助气体流的轴的当前位置的最大径向距离处(并且处于工作头的参考系统中的对应预定角度方向处)。
如从图中可看到的，然而，激光束的入射点与辅助气体流的轴的位置之间的最大距离小于辅助气体的传输区域的半径。
最后，G4指示沿着路径T的切割线的区段T2的激光束前进部分中的辅助气体流的第四传输区域。
在该工作区域中，辅助气体流的轴的位置仍然沿着区段T1与T2之间的拟合路径R，同时激光束的(功率分布的)传播光轴的位置被调节为使得光束在工作平面上的入射点S4维持在工作路径T上，由此入射点处于与辅助气体流的轴的当前位置的预定径向距离处(并且处于工作头的参考系统中的对应预定角度方向处)。
如从图中可看到的，鉴于辅助气体流的轴与路径T的重新对准，激光束的入射点与辅助气体流的轴的位置之间的距离减小。
尽管图示出了激光束的入射点与气体流的传输区域的质心分离以及激光束的入射点与气体流的传输区域相遇的都是巧合的情况，但是在上述可操作位置中的一个或两个中，取决于工作过程所需的性能，激光束的入射点处于相对于气体流的传输区域的质心的领先或滞后位置也是可能的。
如图9a至图9d(表示辅助气体的传输区域以及激光点的绝对路径)以及图9e(表示工作头的参考系统中的辅助气体的传输区域以及其内的激光点的相对路径P)所示，在处理过程中实时控制(在径向距离和角度方向方面)激光辐射的传播轴与辅助气体流的传输轴之间的相互位置，以允许追求需要在方向或速度上突然变化的预定工作路径，同时沿着未示出方向的突然变化的连接路径控制工作头的运动，由此，头部的机械运动系统的高度动态是不必要的。
当然，在不改变本发明的原理的情况下，实施方式和实现方式的细节可相对于完全通过非限制性实例描述并示出的细节而广泛改变，由此不偏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加工方法，通过在所述金属材料的至少一个工作平面处具有预定横向功率分布的聚焦的激光束来激光加工所述金属材料，特别地，所述方法用于所述金属材料的激光切割、钻削或焊接，所述方法包括以下步骤：
-提供激光束发射源；
-沿着光束传输光路向设置为接近所述金属材料的工作头引导由所述发射源发射的激光束；
-沿着入射在所述金属材料上的传播光轴使所述激光束准直；
-在所述金属材料的工作平面区域中聚焦所准直的激光束；以及
-沿着所述金属材料上的包括一系列工作区域的工作路径引导所聚焦的激光束，
其中，所述方法包括使所述激光束成形，其中，使所述激光束成形包括：
-通过能变形的受控表面反射元件来反射所准直的激光束，所述受控表面反射元件具有反射表面，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反射区域，以及
-控制所述反射区域的布置，以便根据所述金属材料上的当前工作平面区域和/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处建立所述激光束的预定横向功率分布。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
-沿着辅助气体流的轴，向所述金属材料的所述工作平面区域传输所述辅助气体流，
-当所述金属材料上的预定的所述工作路径从第一工作方向改变为第二工作方向时，根据沿着所述第一工作方向与所述第二工作方向之间的预定拟合曲线的中间方向，控制所述辅助气体流的轴的相对平移，其中，所述拟合曲线与预定的所述工作路径之间的距离不大于所述辅助气体流的传输区域的半径；
-检测所述辅助气体流的轴的当前位置；以及
-根据所述辅助气体流的轴的所检测的当前位置和/或所检测的当前平移方向，自动调节所述激光束的传播光轴的位置，以便维持所述激光束的传播光轴沿着预定的所述工作路径引导。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括以下步骤：控制所述反射区域的布置，以便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传播光轴的位置，所述金属材料上的所述工作平面区域包括在所述辅助气体流的轴周围的预定邻近区域中并包括在所述辅助气体流的传输区域内。
4.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：相对于反射参考平坦表面控制所述反射区域的移动的组合。
5.根据权利要求4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着所述受控表面反射元件的光轴的平移运动，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。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，根据所述辅助气体流的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节所述激光束的传播光轴的位置是通过参考预定调节模式或程序来执行的。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括：通过对应的多个运动模块来提供具有包括多个能独立移动的所述反射区域且具有连续曲率的所述反射表面的能变形的所述受控表面反射元件，所述多个运动模块包括中心区域以及与所述中心区域同心的多排圆形冠部扇区。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，同心的所述圆形冠部扇区的排的数量为6，每一排的所述圆形冠部扇区的数量为8，并且所述圆形冠部扇区的高度在向所述反射元件的外部的径向方向上从第一排向第三排增加并且从第四排向第六排增加，所述第四排的所述圆形冠部扇区的高度在所述第一排的所述圆形冠部扇区的高度与第二排的所述圆形冠部扇区的高度中间。
9.一种用于激光加工金属材料的机器，通过在所述金属材料的至少一个工作平面处具有预定横向功率分布的聚焦的激光束来激光加工所述金属材料，特别地，所述机器用于所述金属材料的激光切割、钻削或焊接，所述机器包括：
-激光束发射源；
-用于沿着光束传输光路向设置为接近所述金属材料的工作头引导由所述发射源发射的激光束的装置；
-用于沿着入射在所述金属材料上的传播光轴使所述激光束准直的光学装置；
-用于在所述金属材料的工作平面区域中聚焦所准直的激光束的光学装置，
其中，至少所准直的激光束的所述聚焦光学装置由所述工作头在与所述金属材料相距一受控距离处承载；以及
-用于调节所述工作头与所述金属材料之间的相互位置的装置，该装置被适配为沿着所述金属材料上的包括一系列工作区域的工作路径引导所聚焦的激光束，
-用于使所述激光束成形的光学装置，该光学装置包括能变形的受控表面反射元件，所述受控表面反射元件具有反射表面，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反射区域，所述受控表面反射元件被适配为反射所准直的激光束，所述反射区域的布置被适配为在所述金属材料的至少一个工作表面处建立所述激光束的预定横向功率分布；以及
-电子处理和控制装置，设置为依照根据权利要求1至8中任一项所述的金属材料的激光加工方法来实现所述激光束的成形。
10.一种包括一个或多个代码模块的计算机程序，在通过用于激光加工金属材料的机器的电子处理和控制装置执行所述计算机程序时，所述代码模块用于依照根据权利要求1至8中任一项所述的金属材料的激光加工方法来执行使所述机器中的激光束成形的方法。
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