CN107835725A - 激光加工设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光加工设备，其包括用于产生和引导工作激光束的装置以及包括喷嘴(2)，喷嘴具有用于将工作激光束输出到加工区域的开口。在这种装置中定义了光轴(14)，并且在喷嘴(2)的开口附近存在使工作激光束聚焦的至少一个元件，例如切割透镜。加工过程由一种适合的装置来监控。所述监控通过针对加工过程的辐射特性的至少一组探测器装置以及与之相关联的评估单元进行，其中，每组探测装置围绕光轴(14)呈环形地布置。探测器装置的观察方向至少在位于最靠近加工区域的聚焦元件与加工区域之间的子区域内相对于工作激光束(3)的光轴(14)以大于5°的极角Phi1延伸。所述设备优选用作为激光切割设备。

Description

激光加工设备
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的激光加工设备，尤其是激光切割设备。
背景技术
为了使用激光束来加工工件，设备被配备有用于产生和引导工作激光束的装置。该激光束通常通过喷嘴的开口被引导至交互区域或者加工区域。用于引导该工作激光束的装置定义有光轴，并且具有位于开口附近的至少一个聚焦元件，例如聚焦透镜或切割透镜。
例如，在EP 2687317 A1中描述了这种激光加工设备，其中，还公布了一种观察装置，该观察装置用于使喷嘴相对于工作激光束居中，以避免工作激光束接触到喷嘴。另一方面，并没有提供对加工区域进行观察，也没有为此设计探测器装置。为了实现最佳的喷嘴居中，该探测器装置的观察方向必须尽可能同轴，其中，与同轴的任何偏差必然是由于大功率工作激光束处于纯同轴观察的方式所引起的，如在EP 2687317 A1的纯示意性图形中可以看到的那样。因为这种大功率工作激光束由长波的CO2辐射构成，必须避免在同轴方向上的不是必需的任何透射光学器件或部分透射光学器件，这就是为何根据EP 2687317 A1的教导而不同轴地观察喷嘴末端的原因，以避免与加工光束的各种干扰。最后，该探测装置还必须尽可能远离喷嘴顶端，理想情况下位于聚焦透镜的后面，由此极角尽可能地小，以便实现最优化的喷嘴居中。
为了能够控制这种设备以便实现尽可能最好的加工结果或者为了至少能够发现不够满意的加工结果，有利地，可设置一种装置用于监控加工过程。
通过探测器和传感器对该加工工艺的辐射进行测量，或者借助摄像头来拍摄交互区域或者加工区域的图像。这样，按照应用探测紫外光谱或可见光谱、近红外线或远红外线的不同部分。由测量值算出质量特性参数，这些质量特性参数大多除了纯粹的监控以外还被用于调控。
在专利文献中提出了这样的探测器，这些探测器要么使用光探测器(如DeKeuster J.、Duflou J.R.在2007版《International Journal of AdvancedManufacturing Technology》35(1-2)中115-126页的《Minitoring of high-powerCO2laser cutting by means of an acoustic microphone and photodiodes》中所述)，要么使用摄像头(如Sichani E.F.、Duflou J.R.在2010刊《Physics Procedia》第5卷的《Monitoring and adaptive control of CO2 laser flame cutting》中所述)，与加工激光束同轴或同心(以及平行)地对来自工艺区域的辐射进行检测。与此同时，工艺辐射在聚焦光学器件的上方、即在加工头的受到保护的内部空间内通过分色镜或偏转孔镜或者清刮镜从工作激光束的光路中射出。由于聚焦光学器件与工艺区域和切割喷嘴的距离较大，其较小的开口在一定程度上将视场限制在喷嘴的直径，并且所被检测的辐射的角度范围也由于聚焦光学器件的孔径而小于5°。
在平板式激光切割设备中，已知要监控该工艺中的等离子体形成。通过辨识明亮的等离子光线、而不是常规加工中更加昏暗的工艺光线，就可避免在激光熔化切割时(使用切割气体氮气)出现零件次品。为此，在切割头上或者其内安装光探测器，监测其信号是否超过此前所规定的阈值。但这种方法不可被用于在没有等离子体形成的情况下识别质量缺陷，尤其是在成本不高的用氧气作为工艺气体来工作的激光火焰切割中不可行。该激光火焰切割工艺主要应用在非合金钢板的加工中，并且占了在激光切割设备上生产的绝大部分。
对于激光火焰切割，仅仅已知极少数专门的设备和方法。De Keuster J.、DuflouJ.R.在2007年《International Journal of Advanced Manufacturing Technology》中35(1-2)的115-126页上的《Monitoring of high-power C02 laser cutting by means ofan acoustic microphone and photodiodes》中说明了一种装置，在切割头内的切割镜片后面具有三个沿周缘分布的光电二极管，其中，由于光电二极管与光轴之间可能的距离极小以及由于在切割透镜上方的放置，可检测仅仅处于小角度范围内的辐射。因此，不能够明确地探测到质量缺陷。
同样已知针对激光火焰切割使用同轴的摄像头来空间分辨地观察工艺区域的监测方法，其中，由相互作用区域的摄像头图像中借助数字图像处理计算该工艺的特性，以便实时控制。在EP 1 886 757 A1中公布了一种适用于此的摄像头系统。
另外，在DE 10 2013 209 526 A1中说明了一种方法，该方法能够探测到激光火焰切割过程中的工艺中断。针对割渣滴落的出现对工艺区域的摄像头图像进行分析，割渣滴落表明了工艺中断。但这种在激光火焰切割时的所有质量缺陷中的最坏情况使用传统的简单的光电二极管系统和适合的信号处理算法也能够探测到。此外，少得多的割渣残留在割缝内的质量缺陷已经导致了零件次品，所公布的所述方法明显无法将其探测出来。
接下来的现有技术公开了并不是专用于激光火焰切割的所有设备和方法，这就是为何使用它们不可能实现充分监控的原因。由此也论证了这一事实，即：目前没有任何能够监控激光火焰切割工艺的商业化系统可用。
在DE 10 2011 003 717 A1中公布了一种方法和一种设备，它们在激光切割时使用同轴摄像头来检测交互区域并且借助图形处理探测交互区域的各种几何特征和邻近的割缝边缘。由此算出至少一个切割质量特性值。
在WO 2012143899中公开了一种方法和一种设备，它们使用具有光电二极管和不同波长的带通滤波器的探测器单元来监测和调节激光加工工艺。光电二极管位于侧面，来自工艺区域的光线从该处存在的辐射物质借助非同轴的镜片被引导至这个侧面(并且非同轴)的探测器。
在EP 2 357 057 A1中说明了一种用于监控和调节激光加工工艺的方法，该方法能够借助所检测到的探测器信号和统计模型确定切割质量。由探测器信号计算特性，以基准切割的特性来标定该特性。借助多个统计模型，以加工参数改变的形式，确定当前的加工结果与特定的切割质量以及与之对应的校准措施的关联。
EP 1 275 465 B1说明了一种系统，用于自动识别不好的切割质量、尤其是毛刺，而无须保存基准信号。工艺辐射借助半反射镜片从工作光路分离，并通过滤光器被引导至光电二极管。信号被数字化地转换，并且借助带通滤波器在高频范围内进行滤波。由此可直接推断出与割渣残留或者毛刺相关的结论。
在US 7 173 227 B2中公布了一种探测器，该探测器测量由加工工艺所发出的辐射，以便由此能够调节激光功率和加工进给速率。在机器出料之前的初始化阶段，为每种材料记录激光功率对比加工质量的特性曲线。系统会在每次加工前以及在加工过程中定期地借助定标光源自动被调准。
在DE 10 2005 024 085 A1中公布了一种具有摄像头和同轴光探测器的激光加工头，用于激光加工工艺的监控或者特性说明。
在DE102010020183 A1中公布了一种激光切割头，该激光切割头具有用于测定割缝宽度的摄像头。在此，该割缝还可被照亮。
在DE 102011 004 117 A1中公布了一种用于检查由激光切割的工件的方法。在(小型)内轮廓或者孔洞的切割后，切割头被定位在其中心，并且通过重新刺入来检查残渣部分是否掉落了出来。如果在刺入时，没有出现任何射出物质，孔洞就已掉出。DE 10 2010039 525 A1公布了一种类似的方法，据此，使用切割喷嘴的距离传感器来检验所切割的内轮廓的存在。两种方法均被用于带孔板在其进行后续的制造步骤之前的质量控制。
在US 2004 0195215中，借助激光距离传感器来调节在金属和复合材料的激光升华切割中的切入深度。该方法优选地用于安全气囊覆盖层的打孔。
在WO 2010057662 A1中公布了一种系统，该系统使用至少两个探测器来检测工艺辐射。在此可采用声传感器、光探测器和摄像头。由原始信号借助统计学降维的适当方法来计算特性。借助专业知识，对制造工艺、例如激光焊接进行协助并且甚至调节。
在WO 2012000650 A1中公布了一种系统，该系统由工艺区域的摄像头图像借助人工智能的方法对加工质量进行分类，并调节制造工艺、例如激光焊接。由此，工艺可靠性和灵活程度以及易操作性都明显得到了提高。
与上面所阐明的纯粹使用辐射探测的解决方案相反，WO2015036140A1最后公布了一种具有单个摄像头的图像采集装置，该摄像头由于结构的原因而远远地被定位在喷嘴以及加工光学器件上方，以便观察加工区域，由此生成交互区域的图像。被放置在摄像头上游的成像光学器件借助例如偏心的光圈使偏心的辐射束分离，以便沿逆于加工方向的方向(即，逆于激光加工头的移动方向、即“拖曳式”)看到割缝内部。这样，还需要一种极占空间的复杂的成像光学器件，以便将一幅或多幅图像不同轴地成像到摄像头上。
这样一种装置的其中一个缺点是，摄像头必须被布置在用于工作激光光束的聚焦透镜的后面，这就在最大可视角度方面带来了限制，因而不足以对尤其是火焰切割工艺进行充分监控。使用常见的激光加工头的切割光学器件，可达到最大为5°的可视角度。反之，在WO 2012000650 A1中讨论了达到15°的可视角度，对于火焰切割工艺则需要约10°。结果将是，切割透镜或者聚焦透镜必须比已知的设计大至少2倍。这尽管在原则上是可行的，但会导致激光加工头大幅增大以及显著的重量增加，由此不容许构建能够实现高度动态激光切割的细长的轻质激光加工头。因此，这种解决方案可以想见不适用于实际的工业应用。
根据WO 2012000650 A1，提供了使用被布置在激光切割头内部的摄像头使观察角度变大的另一种可能性，以便从切割透镜旁边穿过看到观察区域。但这由于所需的安装而看起来不可行，甚至无法被进一步实施。一种没有提到的能够实现较大可视角度的可行方案在于，将摄像头连同被放置在上游的、具有半反射倾斜镜面的成像光学器件一起安装在切割透镜或者聚焦透镜的下方。但这由于例如污染、受限的可用空间等原因不能以适合工业应用的方式实施。
在WO 2012000650 A1中所公布的方法的另一个缺点是，在拖曳式观察下所捕获的摄像头图像仅包含极少数区别性图像特征。相应地要注意的是，为了能够得出与切割前沿的角度相关的结论，整体图像强度的分析就已经给出了关键的信息。
发明内容
在这种背景下，本发明的目的是，提供一种激光加工设备，其具有用于监控尤其是激光火焰切割工艺的装置，该装置能够在加工工艺期间可靠地实时地探测大量的质量缺陷、例如割渣残留，并避免出现零件次品。此外，该设备还需要适合激光火焰切割的特定特性。本发明的另一个目的是，改进激光加工设备、尤其是用于执行激光火焰切割工艺的激光加工设备，使得能够确保对来自工艺区域的辐射实现尽量完全的检测，以便能够改进早在切割过程期间对各种激光加工方法中的质量特征的确定。
上述目的通过独立权利要求所述的特征得以实现。在附图以及从属的权利要求中说明了有利的扩展。
根据本发明，具有以上尤其是针对激光切割设备所述的特征的激光加工设备配备有至少一组探测器装置，这些探测器装置对于加工过程的辐射敏感。这些探测器装置与至少一个评估单元相关联，其中，每组探测器装置围绕光轴呈环形地布置。这些探测器装置的观察方向-术语“观察方向”表示在例如锥形的观察辐射束的情况下的中心轴线-至少在位于最靠近加工区域的聚焦元件与加工区域之间的子区域内被定向为相对于工作激光束的光轴处于大于5°的极角。具有较大极角的观察方向的该子区域在这种情况下优选地处于与聚焦元件相距更远距离的子区域内，尤其是处在位于加工区域与喷嘴的下边缘区域之间的区域内。在该情况下的非常优选的实施方式提供了处于大于或等于7°的极角下的、尤其是处于约为10°或以上的极角下的观察方向。
因此，根据本发明的装置提供了用于加工过程的辐射特性的辐射探测器装置，该辐射探测器装置不需要要求较多空间的任何复杂的、沉重的成像光学器件，也不需要对用于工作激光束的光学器件的孔径的任何增大以便容许以更大的极角进行观察，因而不会使得激光加工头增大或者增重。因此监控装置能够容置在市面上常见的激光切割头中，而没有任何难度。最佳的工艺监控可通过由具有很高的时间分辨率的辐射探测器确定来自加工区域的辐射的总强度来联机地进行，否则这仅可用高速摄像头才能实现。
优选地，探测器装置沿着与光轴同轴且基本垂直的至少一个圆形布置，以便能够简便地从任意方向实现对加工区域的观察，或者能够考虑到任意的、甚至是交替的移动方向或进给方向，即，尤其是要在任意时间看到加工区域的任意区域。从而也确保在任何时候都观察到整个割缝。尤其是由此可在任意时间以拖曳式的方式、即沿逆于加工头的移动方向的方向来观察加工区域。这样，如果各个激光加工头的结构条件需要，当然还可出现与圆形形状和/或与探测器装置的同轴性的一定偏差。
优选地，根据本发明的激光加工设备的特征是，用于至少一个探测器装置、最好是用于整个探测器装置的至少一个光学中间元件被布置在最靠近加工区域的聚焦元件与加工区域之间。优选地，这种中间元件被设计为辐射的偏转装置，尤其是作为反射器装置或者镜面。为了特定的应用，具有相互堆叠的多个镜面区段或者甚至任意形状的曲面的装置作为偏转装置是有利的。为了达到观察辐射束超过10°的极大极角，尤其地将喷嘴的下边缘区域的内表面设置为中间元件的安装位置，或者这个边缘区域本身被构造为偏转装置，特别是作为反射器。
本发明的另一种优选的实施方式提供了至少一个探测器装置，其观察方向在相对于喷嘴的移动方向以及逆于其移动方向的方位角最大为45°的范围内对准加工区域。在此，“观察方向”的表述也包括探测器装置的例如为锥形的观察辐射束的中心轴线。通过这种实施方式，确保在任何情况下对加工区域的“拖曳式”观察，其中，尤其是在厚度至少为8mm的板的切割过程中，能够观察加工区域或者割缝的后面或者下方的区域，该区域处在通过喷嘴同轴可视的区域的后面或者外部。
优选地，围绕着光轴周围布置的每组探测器装置包括至少5个、尤其是至少8个探测器装置。这些探测器装置有利地围绕着装置的光轴定位，在周向上均匀分布，确保了在方位方向充分的周向分辨率。
本发明的另一种有利的实施方式提供：至少一个探测器装置具有探测器以及具有中间光学元件的至少一个装置，中间光学元件优选为偏转装置。在此，探测器中的至少一个探测器被设计成使得这个探测器具有相对于极角呈扇形的观察辐射束，并且，具有中间光学元件的装置分配给该探测器的扇形的观察辐射束的特定的探测器偏转部段，这些特定的探测器偏转部段相对于朝向加工区域的同一区域的极角不同。“扇形”光束这一术语要表达的是，探测器装置的观察区域、即也称作为其观察光束在两个垂直方向上明显不同。在下文中，“中间光学元件”和“反射器装置”、“镜面”等概念以相同的技术含义使用，可随意相互替换。
对于本发明，优选地，多个探测器或者中间元件围绕光轴呈基本相同的方位角β设置，其观察方向以不同的极角对准加工区域。对此的替选方案是，也可有一个探测器或者一个偏转装置以基本相同的方位角β围绕光轴在不同的极角之间振荡，观察方向分别以不同的极角对准加工区域。
另一种实施方式的特征是，多个偏转装置以不同的方位角β布置，优选地，围绕光轴均匀地分布。
根据本发明的激光加工设备也可有利地设计成使得探测器装置中的至少一个探测器装置包括探测器以及至少一个中间光学元件，该中间光学元件使得在特定的极角下自加工区域发出的辐射整体朝向探测器偏转。为此，中间元件优选被设计为反射器装置。
激光加工设备的另一种替选性的实施方式的特征是，探测器装置包括围绕着光轴呈环形地布置的入射点以便辐射射入辐射导向装置或者其他偏转装置以及与入射点或者其他偏转装置相距一距离定位的探测器。在此，也优选选择这样一种几何布置，其中，来自加工区域的辐射的入射点沿着与光轴同轴并且基本垂直的至少一个圆形布置。在此对于这些入射点而言，也可以是相互堆叠的多个圆形，就像对于探测器装置也可行的那样。
用于探测器装置的光探测器有利地被用作辐射探测器，光探测器尤其是被设计作为光电二极管、热电堆或者线传感器。
优选地，探测器装置对于至少两个不同的波长范围和/或辐射类型敏感，优选地对于介于0.71μm和1μm之间和/或介于1.451μm和1.8μm之间的波长范围敏感。这可通过探测器本身的设计以及例如通过在探测器装置前面的或者至少在真正的探测器前面的光谱过滤器来实现。由此也可实现尤其窄带的、进而也很有意义的测量。
为了优化探测器装置的成像质量，可在探测器前或者在中间元件前布置光圈装置、尤其是狭缝光阑。
在根据本发明的激光加工设备的一种替选性的实施方式中，有利地是，可在喷嘴内置入或者在其中形成至少一些探测器和/或至少一些中间元件。这对于以反射器装置为形式的、尤其是以镜面或者喷嘴内壁的被实施为镜像的区域为形式的中间元件就非常有利。在这种情况下，用于产生和引导工作激光束的装置与喷嘴优选可分离地彼此相连。
所有上面所阐明的特征有利于，能够对来自割缝的更广范围的辐射、即相对于光轴以较大极角的辐射进行检测，以便更好地检测切割工艺的相关质量参数。
作为前述的根据本发明的、用于激光加工过程、尤其是激光火焰切割工艺的优选的联机工艺控制的激光加工设备的补充，可有利地额外设置具有平行于光轴的观察方向的探测器和光学中间元件。在此，优选地，探测器被定位在聚焦元件的背向加工区域的一侧。在此，同样优选的是，中间光学元件被定位在聚焦元件与加工区域之间，如果可能的话，定位在喷嘴内。然而，需再次说明的是，对于本发明至关重要的是，中间元件也使得探测器对于至少一个方位角β的观察方向相对于工作激光束的光轴沿朝着加工区域的方向偏转至大于5°的极角。优选使用以大于或等于7°的极角、尤其是约10°或以上的极角。
针对这种补充的激光加工设备，一种优选的实施方式提供：中间元件使得探测器的观察方向在相对于喷嘴的移动方向以及逆于其移动方向在方位角最大为45°的范围内朝向加工区域偏转。在此情况下提供：中间元件使得至少以不同极角、优选也以不同的方位角β来自加工区域的辐射偏转至平行于光轴定向的探测器。
优选地，还提供这样一种激光加工设备，在该激光加工设备中，探测器装置包括被布置在工作激光束旁边且在工作激光束的传播方向上位于聚焦元件前面的额外的探测器，其观察方向至少在聚焦元件之后倾斜于工作激光束的光轴朝向加工区域延伸。对于这样一种设备尤其有利的是探测器的光轴倾斜于工作激光束的光轴延伸。由此可相对容易地消除探测器、尤其是摄像头的成像误差。
另一种替选方案的特征在于，探测器的光轴在工作激光光束的传播方向上在聚焦元件之前基本平行于工作激光束的光轴延伸，并且在聚焦元件之后、即在通过这一元件偏转后倾斜地朝着加工区域延伸。
在本发明的范畴内，还可提供：探测器装置的观察方向被定向为与喷嘴的移动方向相反。在此，探测器装置优选能够围绕工作激光光束沿周向移动和/或观察方向能够采用不同的极角。
最后，所补充的激光加工设备的另一种实施方式的特征是，额外的探测器的观察方向至少在聚焦元件后相对于工作激光束的光轴以大于等于2°的极角、优选以介于2°和4°之间的极角延伸。
本发明的其他优点、特征和细节由下面的说明内容中得出，在其中参照附图对本发明的示例性实施方式进行说明。在此，在权利要求中以及在说明书中所提到的特征可各自独立或者任意进行组合，这均属于本发明的保护范畴。
附图说明
附图标记列表为本公布文本的组成部分。附图以连贯并且全面的方式进行说明。同样的附图标记指代相同的部件，具有不同上标的附图标记表示功能一样或类似的部件。
在附图中：
图1示出了激光切割时的影响要素和质量特征；
图2例示性地示出了不同质量的火焰切割工艺；
图3示出了关于切割工艺条件、切割质量和工艺辐射之间的相关性的图解；
图4示出了激光切割工艺的同轴摄像头图像；
图5示出了具有不同切割质量的样品的切割面和切割前沿的图像；
图6示出了切割前沿超出量的平均值和质量类别的关联性；
图7示出了通过切割前沿的剖面图，示出了熔膜以及根据本发明的具有大极角的探测器的光路和传统的具有小极角的探测器的光路；
图8左边示出了切割喷嘴下方的四个光电二极管的视场，中间示出了光电二极管在不同切割喷嘴的情况下的视场，右边示出了对散射光的模拟；
图9示出了对于直接向下看到割缝内的临界个案的几何关系的例示性图示，包括切割方向与二极管轴之间的临界角β的计算；
图10示出了8个光电二极管在切割全圆时的信号的图解；
图11示出了关于10°探测器的探测器信号与割缝内的割渣残留的相关性的图解；
图12示出了10°探测器和5°探测器在割缝内有割渣残留的情况下的信号的对比图；
图13示出了短时间的切割中断的情况与10°探测器和5°探测器的信号对比的关系；
图14示出了通过激光切割头的激光束的射出区域和工艺辐射的射入区域的例示性剖面图；
图15示出了不同探测器朝向切割前沿的视场的总览图，在该图的右边部分示出了其投射到工件表面上；
图16示出了一种例示性的探测器结构，包括锥形镜面和分布在周缘的八个光探测器；
图17示出了根据本发明的探测器装置的另一种实施方式，包括多个镜面和呈圆柱形布置的探测器阵列；
图18示出了根据本发明的探测器结构，包括锥形镜面和狭缝光阑；
图19示出了用于借助任意曲面镜面将工艺区域的下部区域和上部区域成像到摄像头上的装置的例示性图示；以及
图20示出了用于将工艺区域的下部区域偏心地成像到摄像头上的装置的例示性图示。
具体实施方式
为了观察和控制激光加工工艺，要使用非常专业化的设备和方法，它们必须密切地针对各个工艺(焊接、切割、打孔等等)的特点。在激光火焰切割中尤其是这种情况。本领域技术人员已知的是，到目前为止，现有技术主要包括对于激光焊接的解决方案，但并不包括对于激光切割、尤其是不包括对于激光火焰切割的有效的专用解决方案。
因此，下面列出关于激光火焰切割的工艺监控方面的重要物理方面。这样，将示出为激光火焰切割所设计的探测器装置对于激光熔化切割也具有决定性的优点。
存在关于激光火焰切割工艺及其理论的众多出版物。在这里仅提及已经很早的、但非常好的出版物：在《Transactions of JWRI》的第8卷(1979)第2项第175-186页上的Arata，Y.等人的《Dynamic Behaviour in Laser Gas Cutting of Mild Steel》，该出版物非常清楚地说明了一些特点和关联性。
如图1所示，激光切割工艺取决于许多影响要素。一些影响要素来自外部，例如工件1的材料质量或者优选通过喷嘴2的开口射出的激光束3的光束质量。其他影响要素、例如激光功率可通过CNC控制来调适，使得切割工艺尽可能地在最优条件下进行。它们被称作工艺参数。借助工艺辐射的联机测量，使用算法(箭头P)算出与切割质量相关的信号特征。
激光切割工艺的令人关注的结果是具有一定的切割质量的两个切割面4。切割质量可细分成不同的特征。除了垂直度和粗糙度的特征以外，在使用氧气作为切割气体进行激光火焰切割时，还可出现作为质量缺陷的割渣残留5a(图2)。割渣残留应该尽量避免，因为否则就可能产生零件次品。
工艺区域的排放、例如辐射或声波包含了与切割工艺的条件相关的信息。优选在切割头内在适当的位置上借助探测器来检测工艺辐射。根据探测器信号，借助合适的算法，来计算与切割质量的各种特征相关的特性。
在切割质量良好的情况下，熔融体5或者割渣从割缝6或者从加工区域或切割前沿7完全排出。如果排出受到了干扰，割渣5就可能根据严重程度而附着在下方的切割边缘上或者留在割缝6内。当板1在下方的切割切口区域中再次熔接时，将发生割渣残留5a的显著增长。最严重的表现形式是当激光束3不再完全切穿板1时，工艺中断。
图2在中间部分示出了质量良好的火焰切割工艺，其中，渣膜从切割前沿7(固液分界面)流出。在设置不好的情况下，几乎所有影响要素均会损坏切割质量，即，导致粗糙的切割，或者干扰熔融体排出。割渣残留5a的缺陷模式也相应地变化。喷嘴直径与切割前沿超出量(Δn0)的比率按照实际情况示出。图2的左侧示出的工艺条件示出了例如由于焦点位置的不正确设置而使得割渣排出受到了干扰。然而，根据经验，切割前沿超出量仍可以是与在无缺陷工艺中一样的大小。与此不同，图2的右侧示出的工艺条件示出很大的切割前沿超出量(Δn1)，这例如可能是由于过高的进给速率造成的。割渣残留5a或者两个切割面的重新熔接相应地较大。在极端情况下，发生切割中断。
物理的切割工艺条件要求多个状态变量，以便根据时间来对其进行描述。如从图3可见，其中的一个子集描述切割质量；另一子集在切割头内的工艺辐射方面是可见的。这两个子集相交，但它们从不完全重合。根据所检测的工艺辐射的类型和探测器的位置，不同的质量特征或多或少地是可见的。这些理论解释对于光探测器和摄像头均适用。另外，所检测的工艺辐射也始终包括未反映在切割质量中的信息。
目前，大多使用如下探测器：该探测器通过光探测器或摄像头与加工激光束3同轴地或者同心地(并且平行地)对来自加工区域的辐射进行检测。这样，工艺辐射通过分色镜或者偏转孔镜或者清刮镜与工作激光束3的在聚焦光学器件后面的光路分离。由于聚焦光学器件与加工区域和切割喷嘴2的距离较大，其小的开口实际上将视场限制于喷嘴的直径，并且所检测的辐射的角度范围由于聚焦光学器件的孔径而小于5°。这就给激光切割工艺的观察带来了限制，该限制参照图4中所示出的切割前沿的两张图像来予以展示。这些图像是使用同轴布置的摄像头在切割过程期间捕获到的。右侧的切割前沿7(用实线示出轮廓)来自激光熔化切割工艺。它非常陡，因此被显著缩短地示出。这意味着丢失了切割前沿7的上部区域的很多信息。在切割前沿7正后方的侧壁4上产生的条痕的形成的可观察性由于变短的同轴成像而明显受到了限制。只有在割缝6的上边缘上可见的条痕的结构才可被分析。与此不同，在激光火焰切割中形成了平的切割前沿7，如图4的左侧所示。这一平的切割前沿通过喷嘴2不能同轴地完全看到，除非使用对于适当的工艺控制而言过大的喷嘴2(喷嘴2的开口以虚线示出)。即使在不良工艺条件下恰恰存在造成零件次品的割渣残留，切割前沿7的底部仍然被遮挡。
探测器对在火焰切割时通常较大的切割前沿超出量Δn的适应已经被证明是有利的，尤其在能够探测割渣残留这方面是有利的。这意味着，通过根据本发明的设计，探测器能够检测来自切割前沿的下部区域的辐射，在切割前沿的下部区域可能出现割渣残留。然而，这种探测器对于熔化切割工艺的优点也是明显的。来自切割前沿的上部区域以及来自所形成的切割面的更多辐射能够通过根据本发明的探测器装置检测到，由此尤其是能够探测到条痕的形成并且进而探测到切割面的粗糙度，其中，切割前沿的上部区域仅能够以缩短的方式同轴可见。在下面首先示出切割前沿超出量与切割质量之间的相关性。接着，阐述适合的非同轴探测器的重要特性，最后参照两个示例示出根据本发明的探测器的信号如何与割渣残留相关。
在试验中，通过改变影响要素和工艺参数来制造具有不同切割质量的切割样品。在图5中通过示例示出20mm钢的一些样品，其中，其切割面和切割前沿可见。在该情况下，良好切割质量的切割前沿超出量为2.75mm，或者甚至为(较大的)4.25mm。后者发生在具有增大的切割透镜吸收的切割中。右边的两个切割样品示出了在3.5mm的中等的切割前沿超出量的情况下以及在5mm的较大的切割前沿超出量的情况下的割渣残留和熔接。图6示出多次系列试验的切割前沿超出量根据切割质量类别变化的曲线，其中，改变板厚度和品质、样本温度和切割透镜的吸收。切割质量类别在左边以质量良好的类别“好”开始并按降低的质量排列。必须指出具有割渣残留的类别的一个特点为：属于“熔接”类别的切割也示出在割缝内存在割渣残留。然而，如果在割缝内出现割渣残留但没有熔接，则样品就被列入“割缝割渣”类别。在割渣方面最轻微的质量缺陷是，割渣仅附着在板的底侧。这种情况在极少数情况下才会导致零件次品。对于工艺中断的情况(“未割断”类别)，切割前沿超出量按照定义被设置为板厚度，尽管它在这种情况下实际上是无限增加的。已示出，切割前沿超出量与切割质量的相关性一般仅仅是弱相关。但切割前沿超出量确实关系到割渣残留，尤其是在环境条件一样、例如材料相同的情况下。很大的切割前沿超出量总是导致割缝6内的割渣残留5a以及熔接。然而，在某些情况下，在切割前沿超出量较小的情况下也可出现严重的割渣残留5a，反之，在超出量相当高的情况下，也可能实现没有割渣的切割，因此，仅仅是切割前沿超出量的联机测量将是不合适的。
下面来阐述根据本发明的探测器的光学特性，该探测器尤其是探测割渣残留并且适应切割前沿的上述特性或者适应切割前沿超出量。
图7中所示出的在20mm钢上具有良好切割质量的切割的切割前沿7示出极小的切割前沿超出量Δn0，切割前沿超出量Δn0例如约为2mm。根据图7中所示出的简单三角函数关系，这对应于平均切割前沿斜度α为5.7°。切割前沿7以与滑道类似的形式呈半圆形，走向是上面陡直且向下越来越平。熔融体或者割渣5在沿切割方向移动的该切割前沿7上朝向底部流下。在板1的下部区域中的割渣流要比上部区域中的割渣流明显更厚。割渣流5的厚度和排出速度根据工艺条件发生改变。如果想观察割渣流并且探测任何异常情况、例如割渣残留5a，则观察角度至关重要。为此，仅仅观察加工区域7的上部区域和中间区域是不合适的，而同轴的系统则受限于这一点；而是，必须要观察到切割前沿和割渣流的底部区域。如果将如能在图6中看到的所有可能出现的切割前沿超出量考虑在内，则这些切割前沿超出量在约2mm至6mm的范围内(除工艺中断之外)。对于4mm的切割前沿超出量，这几乎总是会导致熔接，平均的切割前沿斜度α约为11°。根据经验，这对应于好的观察方向。显然，对于较薄的板，会产生较小的切割前沿超出量，这就是为何平均切割前沿斜度为了实现好的切割质量而要保持几乎恒定的原因。
下面来探讨与5°的观察方向相比的10°的观察方向所产生的结果，10°的观察方向在图7中通过射束10的边界线示出，射束10能够由具有10°极角的探测器通过激光切割头9的切割喷嘴2检测，5°的观察方向通过射束10a示出，射束10a能够由具有5°极角的探测器检测。可以看出，10°探测器在标准切割前沿超出量Δn0的情况下朝向底部区域中的割渣流5。借助10°探测器，可有效地观察到切割前沿7在下部区域中的变化或者观察到切割前沿超出量或任何割渣残留。反之，5°探测器即便在切割前沿超出量最小的情况下，也始终看向板1的上部区域和中间区域中的熔融体流或者割渣流5，这使得像同轴的情况下那样不可能直接观察到割渣残留。
探测器的另外一个重要的特性是，信号与切割方向的不相关性，或者是，在多个单个探测器的情况下或者是在空间分辨成像的情况下，所有单个信号相对于围绕光轴旋转而言的不变性，围绕光轴旋转与改变切割方向含义相同。如果例如要切割全圆，并且切割工艺条件以及由此在所切割的工件的周缘上的质量到处都相同，那么，必须始终测得相同的(经变换或者旋转的)信号。这种特性的必要性显而易见，在现有技术中长久以来均有所要求。相应地，长久以来也已知对此的技术解决方案。例如，在探测器装置具有单个光探测器的情况下，可借助清刮镜或者分色镜将在既定的极角范围内入射在镜面上的所有辐射偏转到光电二极管上，这是信号不依赖于切割方向的要求。但根据经验，这种单个信号的信息含量不足以能够探测到用激光火焰切割所制造的工件的重要质量特征，即便是测量两个不同的波长范围、例如可见光线和近红外光线，或者即使进行在时间上高分辨的光谱测量，也是如此。
为了克服单个探测器的上述严重缺点，显而易见且属于现有技术的是，要使用同轴布置的摄像头来观察加工工艺，如图4中所示。使用空间分辨的信息，就可借助图像处理来计算切割前沿和正形成的切割切口的多个几何特征。由此就可探测到并且清楚地区分一些质量缺陷，例如切割粗糙、割缝较宽或者不受控的烧损。但由同轴的摄像头图像不能获得与割渣残留相关的任何直接信息，因为如上所述，切割前沿的下部区域在图像中并不能看到。
反之，可使用根据本发明的探测器装置(图7)，直接观察到切割前沿和割渣流的后部或者下部区域，以便能够直接得出与割渣残留相关的结论。为了使这在任何切割方向上均有效，必须通过方位角检测来自本发明中典型的极角范围的辐射，即，以在周缘上空间分辨的方式来检测，由此能够实现加工区域的方位角分辨图像(图8的左侧)。这通过同轴的观察无法实现，但通过根据本发明的实施方式可实现，通过镜面使光线偏转至均匀分布在探测器周缘上的多个光电二极管上。这样，空间分辨率受限于离散设置的探测器。优选使用锥形镜面，该锥形镜面尽管聚焦不好，但能提供满意的结果。尤其是，与具有围绕着工作激光束的光轴定位的、优选均匀分布定位的至少5个、优选8个光电二极管的装置相结合，能够令人满意地达到整体分离的条件，即，实现对入射在探测器镜面上的所有辐射进行检测的条件。其他的镜面类型和镜面形状也可行，例如具有聚焦区段的镜面。
图8在左边示出了一种图解，示出四个光电二极管在板表面上对于典型的切割喷嘴而言的视场11。在这种情况下，仅考虑直射光。可以看出，单个探测器在板表面上具有椭圆形(几何图形，通过具有不同的短轴的椭圆分段来界定)的视场，该视场覆盖几乎一个象限。用5个或甚至更好是用8个光电二极管，就越多地无缝覆盖整个周缘区域。这意味着，所检测的辐射的方位分辨率提高。但值得注意的是，仅有一个视场与按比例绘制的割缝相交，即，向后看到割缝内的探测器的那个视场。其他视场在板表面上均位于割缝旁边。这种情况在下面结合图10进一步进行探讨。此外，在图8的中间部分示出在使用不同的切割喷嘴的情况下所呈现的视场。值得注意的是，对于在火焰切割中所使用的双锥形喷嘴(在图7中通过示例示出)的情况，内锥遮挡呈弓形的辐射的中心区域，而单锥形喷嘴则几乎一直看得到板表面上的割缝的中心。如图8最右边的散射光图解所示，辐射的相当大一部分被反射在喷嘴内表面上。根据喷嘴的类型，如果喷嘴2下方的区域被均匀地照明，反射光线与直射光线的比例约为30％。
图10示出，即使在双锥形喷嘴用于火焰切割的情况下，侧向地以及向前地看向割缝的光电二极管也能够探测到来自切割切口的光线。不与割缝的任何位置相交的这些光电二极管的视场对反射在切割喷嘴的底部区域的内表面上的辐射进行检测，如散射光模拟所示出的那样。由此所被反射的辐射以及来自切割前沿的下部区域的直接辐射对于获取关于切割质量特征的信息至关重要，其中，来自切割前沿的下部区域的直接辐射主要通过看向后面的光电二极管来检测。显然，所检测的辐射和成像的类型受许多影响要素(喷嘴大小、喷嘴表面的反射性等等)的影响，这些在此没有做详细的阐述，这尤其是在使用摄像头的简单的同轴成像时不会出现。但根据本发明的探测器装置的这些表面上的缺点通过适合的分析算法被消除，关于割渣残留5a的信息由此可从信号中滤除。
对于向后、即拖曳式地看向割缝内的光探测器而言，根据切割方向，切割上沿就会由于割缝较深和较窄而或多或少地遮住向后的视角。由图9中所示的几何关系以及同样在图9中所列出的公式，就可推导出切割方向与二极管轴的理论极限角度β。用于引导工作激光束的光学元件、尤其是最靠近工件1的聚焦光学器件的光轴用附图标记14表示。对于厚度为20mm以及割缝6的宽度为0.7mm的工件1，结合一种根据本发明的、具有环形的锥形镜面12(a＝140mm，r＝12mm)和至少一个光电二极管13作为实际探测器的示例性探测器装置的测量值，就得出了理论的极限角度β为26°。如果切割方向与光电二极管的观察方向的偏差大于26°，切割切口的下端就完全被遮住。因此，在上述例示性地给出的尺寸规格下，使用具有8个光电二极管13的装置，就能够在任何切割方向上检测到来自割缝6的下端的辐射。根据本发明如上所述地配备有8个光电二极管的探测器装置确保了以方位角分辨的方式拖曳式地向后看到割缝内部，并且确保不依赖于切割方向地探测割渣残留。当然，探测器装置也可装有8个以上的光电二极管，由此1个以上的光电二极管同时能够获得向后看到割缝内的直接视图。这样可有利于信号的算法分析。然而，不言而喻的是，割渣残留的探测也可以通过少于8个的光电二极管来进行，尤其是在探测器尺寸a和r更小的情况下，或者是当探测必须仅在一个或极少数切割方向上进行时。
图10示出了根据本发明的10°探测器的对于全圆所得出的信号。据此，拖曳式、即向后对准的光电二极管13在与切割方向约为30°或者+/-15°的范围内看到来自切割前沿7的直射光以及来自切割切口的底部区域内的割渣流5的直射光。在这个范围内，信号表现出明显更高的电平，但这取决于切割速度和其他的影响要素。此外，这个范围内的信号动态也极高，这是由高的熔融体流动态引起的。如果割缝6更宽，这个范围就变得更广。在90°的扩展范围内，尽管光电二极管仍然直接看向了切割切口，但仅仅看到侧壁。在这个范围(±45°)内，光电二极管13的如图8中所示的近似为椭圆形的视场11仍然与割缝相交。在这个范围以外，光电二极管仅仅能看到反射光，并且信号电平明显下降。那么，反射光就是由各种不同分量构成的混合。
下面要结合图11来阐述借助10°探测器的光电二极管13对在割缝6内零星地出现的割渣残留5a进行探测。与没有割渣的割缝或者割渣积聚在板底侧上相反，如果割渣5积聚在割缝6内，就能看到拖曳信号的明显跳跃。割渣残留5a根据浓度和残留高度而必然地导致零件次品，即便是没有出现完全熔化或者切割中断的最坏的质量缺陷时也是如此。
如图12所示出的那样，割渣残留5a的上述形成对于5°探测器而言不可见。由上面的所有解释也得出，割渣残留的这种形成通过同轴的观察无法检测到，无论使用光探测器，还是借助摄像头。值得注意的是，通过10°探测器、准确地是拖曳式地看向后面的光电二极管具有明显的信号跳跃，而直接相邻的光电二极管则没有记录任何强度升高。这可基于上面所提到的特性来解释，据此，这些光电二极管仍仅检测来自切割前沿7正后方的割缝6的侧壁4的直射光，它们在这里没有由于仍然中等的割渣残留受到影响。这个事实可借助适用于探测割渣的算法而被充分利用。
如果出现切割中断，那么，这在传统的、几乎同轴的5°探测器以及在实际同轴的系统的信号中也能有所表现，如图13所示。然而，如果仅仅安装单个的光探测器，并且没有使用任何基准切割作为基础，即便是在这种最坏的缺陷的情况下，也可能出现伪误差，因为具有类似幅度的其他影响会干涉，其他影响例如为切割速度提高或者割缝更宽。
可对根据本发明的具有10°极角的探测器装置的特征进行概括。如图14中以简化的方式所示出的那样，可检测到通过喷嘴关于光轴14以≥5°的大极角入射的所有辐射8。必要时极角范围也可受到限制，例如限制为≥7°或者如在上面所详细描述的装置中限制至约为10°。极角>10°也可能有利于具有非常长的平面切割前沿的某些应用。
这些探测器特征使得能够通过切割喷嘴2的开口来观察切割前沿7和割渣流5的如下区域：该区域远离光轴14、位于传统的同轴系统的视场以外。通过这种方式，就可如上所述地获得与工艺条件相关的对于同轴系统不可见、但与避免零件缺陷相关的额外的信息。对辐射敏感的探测器表面13a在图14中呈圆柱体示出。对辐射敏感的探测器表面13a优选在激光切割头9内处于聚焦光学器件(未示出)与切割喷嘴2之间。然而，一般来说，这一表面被理解为是辐射8在空间上的入射面，在该入射面后面包含有光学的、机械的和电子的任意器件以用于使辐射偏向、成像以及对辐射加以检测。
基于这种基本原理，可为探测器装置的具体实施方式提供许多变型，例如包括真正的传感器13的直接照射。通过喷嘴开口入射的辐射8可借助安装在所照射的表面上的一个或多个探测器13直接进行检测。根据探测器13的定向和接收角度，仅来自喷嘴2的开口的光线被确定地检测，并且能够去除在加工头9的内壁上的不期望的散射或直接反射。可在周缘上布置若干个探测器13。由于喷嘴开口的光圈作用，每个探测器13具有其自有的朝向工艺区域的视场11，如图15中所示。尤其是，在切割方向上向后看的探测器13接收来自切割前沿7的下部的辐射以及尤其是也接收来自在加工条件不好时留在割缝的该下方区域内的发光的割渣残留5a的辐射。
另一方面，辐射也可通过一个或多个中间光学元件12偏转到传感器13上。有利地，可使用一个或多个镜面用于偏转，例如上面已经提到的锥形镜面，或者也可使用透镜或者棱镜或者梯度折射率透镜用于使辐射8改变方向、偏转、分散或者聚焦。在使用中间光学元件时，传感器可容置在加工头9内的任何点处，尤其是在加工激光束3的传播方向上，位于其聚焦光学器件、尤其是聚焦装置的与加工区域最靠近的最后一个元件之前或之后。本发明的一个有利的实施方式使用了一种呈环形布置的偏转镜。由此可有针对性地将在既定的极角范围内的来自喷嘴开口的辐射朝向探测器13引导。原则上，各种镜面形状均可行，其中，最简单的形状是锥形镜面12。其他镜面形状要么在方位角恒定的平面内借助在这个平面内呈凹形的镜面外形，要么在垂直于光轴的平面内借助分别聚焦到一个探测器上的各镜面区段，容许光线朝各个探测器13聚焦。
如图16中所示，在约为10°+/-1°的典型极角范围内的辐射10可以借助简单的锥形镜面12被成像到一个或者优选多个探测器13上。各个光探测器13优选均匀地分布在周缘，如图16的右边部分所示。合理的周缘或者方位角分辨如上面所推导的那样例如可借助8个传感器13来实现。为了使更大的极角范围成像到探测器13上，如图17中的示例所示，可在喷嘴2的区域内和/或在传感器上方、但仍在聚焦光学器件的下方安装额外的镜面表面12a，额外的镜面表面12a将辐射要么反射到同一个探测器13上，要么反射到在高度方向或者射束轴向14上布置的多个探测器13或线传感器13b上。在此，多个、优选8个、或者甚至更多个线传感器13b、或者各传感器13的竖直布置分布在周缘上，以与喷嘴开口相距相同的距离布置。除了在加工喷嘴上方的若干镜面元件12b以外，还可在加工喷嘴2内安装小的镜面表面12a。通过布置在周缘上和射束轴向上的若干探测器13或者布置在周缘上的若干线传感器13b，形成了一种探测器阵列。通过这种探测器阵列，就可检测到工艺区域的具有方位角以及在径向上空间分辨的图像。此外可设想的是，辐射在其入射到传感器13、13b上之前相继地被两个或更多个镜面12a、12b偏转。
探测器装置可在观察光路上具有各种中间光学元件，例如锥形镜面、分割式镜面或者光圈。取代传统传感器，辐射也可射入光波导并且被导向另一个位置处的光探测器。在一种优选的实施方式中，光纤端布置成一排并通向线传感器，或者布置成长方体并通向面传感器，由此可以实现高分辨率。
至此，喷嘴2的开口是唯一用作入射光瞳的光圈。由此可达到的分辨率尤其是垂直于射束轴线或者在方位角方向上受到限制。为了达到更高的方位分辨率或者圆周分辨率，光圈必须安装在偏转镜的前面。优选通过根据图18的狭缝光阑来实现这一目的。在此示出了一种如下的探测器结构，其具有环形的锥形镜面12以及在其前面置入的环形件15，在环形件15的周缘分布有狭缝光阑16。通过加工喷嘴2射入的辐射8通过狭缝光阑16到达锥形镜面12，并且被锥形镜面12反射到例如在传感器环形件17上的传感器13中的其中一个传感器上。
当然，可使用在辐射波长方面具有不同的灵敏度范围的探测器13。例如，用于可见波长范围的硅探测器、用于近红外范围的铟镓砷探测器(InGaAs)。除此以外，还可采用用于紫外线辐射的传感器和用于远红外辐射的热电探测器以及针对更窄波长范围的预滤器。优选地，波长范围设置成介于0.7μm与1μm之间和/或介于1.45μm与1.8μm之间。在第一种情况下，相对于未被过滤的变型而言，不存在任何日光敏感性，相对应的波长范围从热电的角度来看很好；另外，此处可使用硅探测器。波长较大的第二个范围可使用铟镓砷光探测器来进行测量，由于在这个波长范围内的不同辐射系数而容许提高从液态金属区分出割渣的能力。
图19示出了与上述离散的探测器设备基本不同的本发明的另一种实施方式。利用一种传统的探测器装置，其具有同轴布置且位于聚焦光学器件18后面的摄像头19，以便就像所常见的那样来为加工区域直至喷嘴边缘采像。除加工区域的同轴图像之外，加工区域的同轴不可视的部分现通过适当弯曲的任意反射面12a被成像到空着的摄像头探测器表面上。由于成像特点，有必要将镜面12a靠近加工区域定位。由此污染风险增加。因此，本发明的一种非常有利的实施方式是将镜面12a整合在加工喷嘴2内，其按照常规方式更换。
图20示出了另一种类似的实施方式。例如，使用视角直接朝向加工区域7的摄像头19，作为除了上述实施方式以外的探测器装置，观察方向与工作激光束3的光轴14之间具有等于或大于5°的极角。然而，该摄像头不以传统的方式被布置为与工作激光束的光轴14同轴，而是如图20中所示，在工作激光束3的光轴14与摄像头的光轴或者其观察方向之间具有偏移量r。在这种情况下，摄像头19沿工作激光束3的传播方向定位在聚焦元件18、例如透镜之前。由此，通过使用适合的滤光器，就可借助数字图像处理实时地直接根据摄像头图像来探测切割前沿的下端，切割前沿的下端作为明亮的切割前沿7与例如昏暗的割缝6之间的过渡部。在这种情况下，摄像头19的观察方向至少在聚焦元件18之后倾斜于工作激光束3的光轴朝向加工区域延伸。为此，探测器、例如摄像头19本身的光轴也可以倾斜于工作激光束3的光轴14延伸。
另一种实施方式容许激光加工头的非常细长的结构设计，该实施方式具有摄像头19，其光轴在工作激光束3的传播方向上在聚焦元件18之前基本平行于工作激光束的光轴14延伸。然而，在聚焦元件18之后，观察方向倾斜地朝向加工区域延伸。在这种情况下，通过聚焦元件18也导致所探测到的倾斜入射的辐射朝向摄像头19偏转。
就像在上面针对激光火焰切割的物理学方面所列出的那样，切割前沿超出量Δn与割渣残留5a相关。这意味着，如果切割前沿超出量超过了特定的阈值，割渣残留的风险就变高。尤其有利的是，将根据摄像头图像实时探测到的切割前沿超出量调节到特定的目标值。
摄像头装置19优选地布置成使得其观察方向沿与喷嘴2的移动方向相反的方向定向。为了考虑到喷嘴2的任意的、甚至是交替的移动方向或者进给方向，尤其优选的是，能够根据切割方向例如借助步进电机使摄像头装置19转动，使得观察方向8始终沿与切割方向相反的方向向后对准割缝内定向。根据所要加工的材料的通常的切割前沿超出量的大小，偏移量r可被不同地设置，使得工作激光束的光轴14与摄像头19的光轴之间的极角也可采用不同的值。最大的极角受限于工作激光光路的中间的光学器件的孔径。此外，为了校正成像误差，摄像头轴线可略微倾斜。
本发明的一种非常有利的实施方式是，借助调节单元、例如步进电机实时地调整偏移量r以适应所探测到的切割前沿超出量直至既定的上限。这确保切割前沿的所要探测的端部不会移出摄像头的成像区域。如果切割前沿端部不移出成像区域，或者在切割前沿超出量的观察未经调节的情况下，或者在由于突然出现的切割加工干扰而主动调节的情况下，根据本发明的具有5°或更大的极角范围的探测器设备可探测到所出现的质量故障。
附图标记列表
1 工件，板
2 切割喷嘴
3 工作激光束
4 切割面
5 熔融体、割渣(5a割渣残留)
6 切割切口
7 切割前沿、加工区域或工艺区域
8 探测器的总体观察方向或者射束
9 激光切割头
10 10°探测器的射束(10a 5°探测器的射束)
11 探测器的视场
12 中间光学元件，特别是锥形镜面(12a，12b 镜面元件)
13 光电二极管(13a 圆柱形传感器，13b 线传感器)
14 工作激光束的光轴
15 光圈环
16 狭缝光阑
17 传感器环形件
18 透镜
19 摄像头
P 过程控制
Δn 激光切割工艺的切割前沿超出量或者拖曳量(Δn0为标准形成，Δn1为形成过大)
β 探测器的观察方向与切割喷嘴的切割方向或者移动方向之间的方位角

Claims (19)

1.一种激光加工设备，尤其是激光切割设备，所述激光加工设备具有用于产生和引导工作激光束(3)的装置并且具有喷嘴(2)，所述喷嘴(2)具有用于使所述工作激光束(3)输出到加工区域的开口，其中，在所述装置内定义光轴(14)，并且所述装置具有位于所述喷嘴的所述开口附近的、使所述工作激光束(3)聚焦的至少一个元件(18)，所述至少一个元件(18)例如为切割透镜，以及所述激光加工设备具有用于监控加工过程的装置，其特征在于包括对所述加工过程的辐射特性敏感的至少一组探测器装置(12，13)，所述探测器装置(12，13)与至少一个评估单元相关联，其中，每组所述探测器装置(12，13)围绕所述光轴(14)呈环形地布置，优选地沿着与所述光轴(14)同轴且基本垂直的至少一个圆形布置，并且所述探测器装置(12，13)的观察方向(8)至少在位于最靠近所述加工区域的聚焦元件(18)与所述加工区域之间的子区域内、优选在与所述聚焦元件(18)相距更大距离的子区域内相对于所述工作激光束(3)的所述光轴(14)以大于5°(10a)的极角优选以大于或等于7°的极角、尤其是以约为10°(10)的极角定向。
2.根据权利要求1所述的激光加工设备，其特征在于，在最靠近所述加工区域的所述聚焦元件(18)与所述加工区域之间布置有用于至少一个探测器装置(12，13)、最佳地用于整个探测器装置(12，13)的至少一个中间光学元件(12)，所述至少一个中间光学元件(12)优选为偏转装置，所述至少一个中间光学元件(12)优选具有至少一个反射器区域、最佳地具有相互堆叠的多个镜面区段或者具有任意形状的曲面。
3.根据权利要求1或2所述的激光加工设备，其特征在于，设置至少一个探测器装置(13)，所述至少一个探测器装置(13)的观察方向(8)相对于所述喷嘴(2)的移动方向以及逆于所述喷嘴(2)的移动方向在方位角(β)最大为45°的范围内指向所述加工区域。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的激光加工设备，其特征在于，围绕所述光轴(14)布置的每组探测器装置(12，13)包括至少5个、尤其是至少8个探测器装置(12，13)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的激光加工设备，其特征在于，至少一个探测器装置(12，13)具有探测器(13)以及至少一个具有中间光学元件(12)的装置，所述中间光学元件(12)优选为偏转装置，其中，所述探测器(13)优选具有相对于所述极角呈扇形的观察射束(8)，并且具有所述中间光学元件(12)的所述装置使具有一定程度上呈扇形的观察射束(8)的、在极角方面各不相同的区段均朝向所述加工区域的同一区域偏转。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的激光加工设备，其特征在于，围绕所述光轴(14)以基本相同的方位角β设置多个探测器(13)或者中间元件(12)，所述多个探测器(13)或者中间元件(12)的观察方向(8)以不同的极角指向所述加工区域，或者一个探测器(13)或者一个偏转装置(12)以基本相同的方位角β围绕所述光轴(14)在不同的极角之间振动，并且所述观察方向(8)分别以不同的极角朝向所述加工区域定向。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的激光加工设备，其特征在于，多个偏转装置(12)围绕所述光轴(14)以不同的方位角β布置，优选均匀地分布。
8.根据权利要求1所述的激光加工设备，其特征在于，所述探测器装置(12，13)中的至少一个探测器装置包括探测器(13)以及至少一个中间光学元件(12)，所述中间光学元件(12)优选为反射器装置，所述中间光学元件使以特定的极角自所述加工区域发出的辐射全部朝向所述探测器(13)偏转。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的激光加工设备，其特征在于，所述探测器装置(12，13)包括围绕所述光轴(14)呈环形地布置、并且优选沿着与所述光轴(14)同轴并基本垂直的至少一个圆形布置的入射点，以便辐射(8)射入辐射导向装置或其他偏转装置以及与所述入射点或者所述其他偏转装置相距一距离定位的探测器。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的激光加工设备，其特征在于，所述探测器装置(13)的光探测器尤其是被实施作为光电二极管、热电堆或者线传感器。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的激光加工设备，其特征在于，所述探测器装置(13)对于至少两个不同的波长范围和/或辐射类型敏感，优选对于介于0.7μm和1μm之间和/或介于1.45μm和1.8μm之间的波长范围敏感。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的激光加工设备，其特征在于，在所述探测器(13)之前或者在所述中间元件(12)之前布置有光圈装置、尤其是狭缝光阑(16)。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的激光加工设备，其特征在于，在所述喷嘴(2)内置入或者在所述喷嘴(2)中构造至少一些探测器(13)和/或中间元件(12)、尤其是反射器装置，其中，用于产生和引导工作激光束的所述装置与所述喷嘴(2)优选可分离地彼此相连。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的激光加工设备，其特征在于，优选在所述聚焦元件(18)的背向所述加工区域的一侧额外地定位有观察方向与所述光轴(14)平行的探测器(19)，并且优选地在所述聚焦元件(18)与所述加工区域之间定位有中间光学元件(12)，其中，所述中间元件(12)使对于至少一个方位角β的所述探测器(19)的观察方向(8)沿朝向所述加工区域的方向偏转至相对于所述工作激光束(3)的所述光轴(14)大于5°(10a)的极角，优选大于等于7°的极角，尤其是约为10°(10)的极角。
15.根据权利要求14所述的激光加工设备，其特征在于，所述中间元件(12)使所述探测器(19)的观察方向(8)相对于所述喷嘴(2)的移动方向以及逆于所述喷嘴(2)的移动方向在方位角β最大为45°的范围内朝向所述加工区域偏转，其中，所述中间元件(12)使来自所述加工区域的辐射(8)至少以不同的极角、优选也以不同的方位角β朝向平行于所述光轴(14)定向的探测器(19)偏转。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的激光加工设备，其特征在于，所述探测器装置包括额外的探测器(19)，所述额外的探测器(19)被布置在所述工作激光束(3)旁边并且在所述工作激光束(3)的传播方向上位于所述聚焦元件(18)之前，所述额外的探测器(19)的观察方向至少在所述聚焦元件之后倾斜于所述工作激光束(3)的所述光轴(14)朝向所述加工区域延伸，其中，所述探测器(19)的光轴优选倾斜于所述工作激光束(3)的所述光轴(14)延伸。
17.根据权利要求16所述的激光加工设备，其特征在于，所述探测器(19)的所述光轴在所述工作激光光束(3)的传播方向上在所述聚焦元件(18)之前基本平行于所述工作激光束(3)的所述光轴(14)延伸，并且在所述聚焦元件(18)之后、在通过这一元件偏转后倾斜地朝向所述加工区域延伸。
18.根据权利要求16或17任一项所述的激光加工设备，其特征在于，所述探测器装置(19)的所述观察方向(8)沿与所述喷嘴(2)的移动方向相反的方向定向，其中，所述探测器装置(19)优选能够围绕所述工作激光束(3)在周向上移动，和/或所述观察方向(8)能够采用不同的极角
19.根据权利要求16至18中任一项所述的激光加工设备，其特征在于，所述额外的探测器(19)的所述观察方向至少在所述聚焦元件(18)之后相对于所述工作激光束(3)的所述光轴(14)以大于等于2°的极角优选以介于2°和4°之间的极角延伸。
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