CN109641319B - 一种控制激光束在工作平面中的横向功率分布来激光加工金属材料的方法，以及用于实施所述方法的机器和计算机程序 - Google Patents

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Abstract

一种控制激光束(B)在工作平面中的横向功率分布来激光加工金属材料的方法，以及用于实施所述方法的机器和计算机程序。描述了借助于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聚焦激光束(B)来激光加工金属材料的方法，包括以下步骤：提供激光束发射源；将激光束沿着光束传输光路引导到布置在材料附近的工作头；沿着入射在材料上的传播光轴准直激光束；将准直的激光束聚焦在材料的工作平面的区域中；以及沿着包括一系列工作区域的金属材料上的工作路径传导所聚焦的激光束，其中激光束被整形为：通过借助于具有多个可独立移动的反射区域的可变形受控表面反射元件来反射准直的光束，以及通过控制反射区域的布置，以根据当前工作平面的区域和/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光束的预定横向功率分布。

Description

一种控制激光束在工作平面中的横向功率分布来激光加工金 属材料的方法，以及用于实施所述方法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、钻孔或焊接所述材料的激光加工方法。
根据其它方面，本发明涉及一种被布置为实施激光加工方法的用于激光加工金属材料的机器，以及一种计算机程序，该计算机程序包括一个或多个代码模块，以当程序由电子处理装置执行时用于实施上述方法。
在下面的描述和权利要求中，术语“金属材料”用于限定任何金属工件，诸如具有无关紧要的封闭横截面(例如空心圆形、矩形或方形形式- 或开放的横截面-例如平坦截面或以L、C、U等形式的截面)的板或细长型材。
背景技术
在工业金属加工方法中，并且特别是金属板和型材的加工方法中，激光器用作各种应用的热工具，该应用取决于激光束与被加工材料的相互作用参数，特别取决于材料上激光束的每个入射体积的能量密度和相互作用时间间隔。
例如，通过引导低能量密度(每平方毫米表面数十瓦量级)持续延长时间(几秒的量级)，实现硬化过程，同时引导高能量密度(每平方毫米表面数十兆瓦量级)持续飞秒或皮秒量级的时间，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，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。
在许多过程中，包括钻孔和切割过程，必须向工作区域提供辅助气流，其中激光束与材料之间发生相互作用，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，或甚至是屏蔽工作区域周围环境的技术功能。
在金属材料的激光加工领域中，激光切割、钻孔和焊接是可以由同一机器执行的加工操作，该机器适于在金属材料的至少一个工作平面上生成具有预定横向功率分布的高功率聚焦激光束，通常是具有范围从1至 10000kW/mm2的功率密度的激光束，并且适于控制沿着材料的光束方向和入射位置。可以在材料上执行的不同类型的加工之间的差异基本上可归因于所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。
根据现有技术的激光加工机器示于图1和图2中。
图1示意性地示出了具有CO2激光器的工业加工机器，该CO2激光器具有在空气中的激光束的光路，该CO2激光器包括：发射源10，诸如CO2激光发生器设备，能够发射单模或多模激光束B；以及多个反射镜12a、 12b和12c，适于将从发射源发射的激光束沿着光束传输光路朝向布置在材料WP附近的工作头(以14统一指示)传导。工作头14包括激光束的光学聚焦系统16(通常由聚焦透镜组成)，适于沿着入射在金属材料上的传播光轴聚焦激光束。喷嘴18布置在聚焦透镜的下游，并且被朝向材料的工作平面的区域引导的激光束穿过。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引导。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：氧气，有利于与金属的放热反应，允许切割速度增加；或惰性气体，诸如氮气，其不会有助于材料的熔合但保护材料免受在工作轮廓边缘处的不希望的氧化，保护工作头免受任何熔融材料的飞溅，并且还可以用于冷却在材料上产生的凹槽的侧面，限制热变形区域的膨胀。
图2示意性地示出了工业加工机器，其中激光束通过光纤引导。它包括发射源10，诸如能够将激光束馈送到传输光纤(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；以及光缆12d，适于将从发射源发射的激光束传导到布置在材料M附近的工作头14。在工作头处，其发散被控制，从光纤出射的激光束由屈光准直系统22准直，并在沿着穿过发射喷嘴18的WP材料上入射的传播光轴通过光学聚焦系统16(通常由聚焦透镜组成)聚焦之前由反射系统22 反射。
图3示出了根据现有技术的示例性工作头14。在30处，管状通道被表示为具有圆柱形或圆锥形截面，激光束(以B指示)在该截面内被发送。由发射源10生成并借助于多次反射在空气中或在光纤中的光路传输到工作头的激光束B在反射偏转元件32上准直，该反射偏转元件32使激光束的光学传播轴偏转在被加工材料上的入射方向中。光学聚焦系统16位于反射偏转元件32和布置在下游的保护滑动件34之间，适于屏蔽聚焦系统免受熔融材料的任何飞溅，并且包括透镜支架单元36，机械调节机构38 联接到该透镜支架单元36，用于校准横向于光束的传播方向(X-Y轴)和在光束的传播方向(Z轴)上的透镜的定位。
激光束在工作头中经受的光学加工在图4和图5中示出。
源自发射源S通过自由空间或光纤中的光学传输路径的激光束B以预定的发散到达工作头。图4中由透镜C示出的光学准直系统提供准直激光束B，将其引导到布置在下游的能够产生聚焦激光束的光学聚焦系统(由透镜F表示)。在第一近似时，根据几何光学定律，在光学聚焦系统下游的理想激光束，即在平行光线中理想地准直的激光束，集中在焦点上。然而，物理衍射定律表明，即使在最优准直和聚焦配置中，激光束在光学聚焦系统的下游也具有在其腰部处的有限焦斑。这在图4中由表示为W的区域表示，其对应于光束B的焦点区域。通常，在工业加工用途中，材料的工作平面与光束腰部处的横向平面重合。
图5示出了正常准直激光束的功率密度分布，其通常为高斯形状，在单模光束的情况下具有旋转对称性，即功率集中在光束的纵轴(Z轴)附近并且沿着周边裙部逐渐减小，或者它可以被描述为在多模光束的情况下具有旋转对称性的高斯分布的包络。
具有单模或多模激光辐射的光束的用途(其可以在第一近似中描述为高斯激光辐射)满足高功率激光应用领域中的技术控制要求。实际上，高斯光束很容易通过一些参数来描述，并且在沿着从发射源到加工机器的头部的光学传输路径的传播中容易控制，因为它具有在不改变功率分布的情况下自身传播的特性，由此可以经由远场传播条件中的半径值和发散值来描述(在这种情况下，可以使用几何光学近似)。在沿着几何光学近似不再有效的工作路径的近场中聚焦光束的传播条件中，光束在任何情况下都在其每个横截面中保持高斯功率分布图案。
相反，包括高阶横模的激光束具有非高斯功率分布。通常，这些条件是通过使用从高斯分布开始修改光束形状的屈光度系统(透射型光学系统，即透镜)获得的。用于该目的的光学系统的典型特征是它们相对于机器的光学配置的“静态性质”或“刚性”。实际上，特定的光学系统被设计成产生一个且仅一个功率分布几何形状，例如比高斯分布更宽的功率分布，用于在厚材料上进行切割操作(其中“厚”是指对于具有近红外波长的激光，厚度为约4mm至约20mm)，或与高斯分布相比较窄的功率分布，用于在薄材料上进行快速切割操作(其中“薄”是指等于或小于4mm 的厚度)，并且它预先安装在机器的工作头中，由此在不更换光学头系统的情况下不能修改功率分布的几何形状。
其它解决方案在本领域中是已知的，其中激光束功率分布的形状可以在两个预定状态之间选择，例如通过如下方式获得：通过控制从光源到工作头的光束传输通过传输光纤的核心或通过中间包层，从而改变进入工作头的光学准直系统的光束的有效直径；或在将光束馈送到光纤以便产生具有不同直径和发散度的聚焦对应光束的下游之前，通过控制BPP(光束参数积)，即焦斑半径和光束的半发散角(或者光源的发散度)的乘积。在这两种情况下，由于设备本身的构造，不可能破坏旋转对称性。
与上述解决方案不同，最近由Fleming Ove Olsen教授提出了切割过程的描述性模型，根据该模型，旋转对称性的破坏将为该过程带来优势：在具有高斯形式的主峰值功率分布后面(在过程的前进方向中)生成新月形二次功率分布，可以照射切割的前进前沿(通过主要功率分布)和由主要功率分布生成的熔融材料的部分二者，该熔融材料的部分倾向于沿着如此产生的切割凹槽的边缘下降并且快速冷却(通过二次功率分布)。这种模型可以根据现有技术通过复杂且庞大的设备实现，用于重新组合具有通过多个分量激光束的组合获得的功率分布的综合激光束，每个激光束都独立于其它激光束生成和控制。国际专利申请WO 2008/052547涉及这种解决方案。同样在这种情况下，构造解决方案不允许在工作过程期间容易且快速地重新配置机器，而不必对光学组件的结构进行实质性改变。
尽管可以控制激光束或激光束的光学传输系统，以便产生比基本模式 TEM00(对应于高斯光束)更高阶的横向电磁模式，但是这些模式具有在不相同的情况下不传播的缺点，虽然通常可以获得不同于高斯形状并且可能具有除旋转对称性以外的对称性的激光束的横向功率分布的形状，但是这可能仅在明确定义的光束的传播位置(焦平面)情况下获得。
由于这些原因，在激光加工领域中，始终需要控制激光束的传播，使得具有高斯(或近似高斯)横向功率分布并且一劳永逸地建立激光束的传播光轴和辅助气流的重心轴线之间的相互位置。
在纯单模光束的情况下，这种设计选择尊重分别由激光束功率的高斯分布和辅助气体的流出喷嘴口部的圆形截面决定的光束和辅助气流的旋转对称性，确保每个工作过程(切割、焊接等)相对于加工可能遵循的方向的行为的各向同性。
相对于材料上的工作路径的过程的各向同性一直被认为是有利的，其中激光工作过程由电子处理装置根据CAD/CAM系统中预定的任何路径和几何形状来控制。
人们普遍认为，在激光束和辅助气体在材料上的入射点处的物理“不平衡”系统或没有旋转对称性导致控制工作路径的复杂性和困难，或者加工结果的质量更差。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光加工方法，在操作速度、结果质量和过程成本效益方面具有改进的性能。
本发明的另一个目的是提供一种可实时控制的激光加工方法，以在所有操作条件下获得精确的加工结果，可在不增加现有机器尺寸的情况下实现。
根据本发明，这些目的经由本发明的金属材料的激光加工方法实现。
本发明的另一个目的是如所要求保护的一种用于激光加工金属材料的机器和一种计算机程序。
总之，本发明从以下考虑中获得灵感：控制激光束的功率分布以及可能的光束旋转对称性的破坏可以允许在工作过程的速度、质量和成本效率方面实现更优的性能，因为它允许功率分布在相对于工作路径的必要的情况下被定位或扩展，并且利用可用激光功率的一部分用于辅助主加工的操作，例如用于在切割或钻孔操作中加热/维持熔融材料，这便于借助于辅助气流从被加工的材料中去除熔融材料，并且允许达到比基于具有相同性能水平的高斯形式的功率分布的过程可获得的纯度更高的轮廓(profile)和切割表面的纯度。
根据本发明，通过借助于控制激光束的实时整形来执行加工激光束的横向功率分布的有效控制，实现上述考虑因素在现有技术系统中的应用。方便地控制激光束的形状以在工作平面上从如下获得横向功率分布：例如，预定直径的高斯型分布，环形(面包圈)分布，预定直径的平坦轮廓分布(平顶或顶棚)，通过高斯分布和外部同心于高斯分布的环形分布的同心重叠可获得的复圆对称分布，包括高斯形主峰值功率分布和主要功率分布后面的新月形二次功率分布的复杂的不对称分布(在文献(F.O. Olsen、K.S.Hansen和J.S.Nielsen的《激光应用杂志》2009年第21卷第 133页的“多束光纤激光切割”中描述)(F.O.Olsen,K.S.Hansen,and J.S. Nielsen,"Multibeam fiber laser cutting",J.Laser Appl.,Vol.21,p.133, 2009)，具有椭圆形横截面的散光分布，以及它们的各种组合。
还可以方便地控制激光束的形状，以在工作平面中确定对应于多个 (例如，一对)空间相关高斯光束的横向功率分布-例如根据时间演变的预定关系耦合以及在辅助气流的输送区域内相邻，其相互位置和/或相对于气流输送区域内的上述分布的重心的位置可以随时间推移同步或异步地控制。
本发明基于使用具有受控变形的光学系统的原理，该光学系统本身在科学应用中用于处理光学信号(因此是低功率光学辐射)以整形用于工业应用的高功率激光束。
受控变形光学系统在激光束光学传输系统中的应用允许扩展可以快速可修改的方式获得的激光束的形状范围，并因此改善加工过程中的性能或实施创新的加工过程。
有利地，本发明的方法允许通过围绕原始光轴对激光束的功率分布进行整形来实时控制激光工作过程，从而避免了取决于所需的应用对于相应功率分布几何形状采用特定光学系统的需要，或控制光束生成或传输阶段中(即远离工作头)的某些光束参数的需要，这可能只能通过操作员在设置机器进行预定过程时的干预来实现。
更有利地，本发明的方法允许根据具有快速设置时间的多个预定形式来控制激光束的横向功率分布，使得这种控制不仅可以作为工作循环视图的“预备设置”执行，而且可以在工作过程期间实时实施，以便控制激光束沿着材料上的工作路径的横向功率分布。
换句话说，本发明的方法允许激光束的预定横向功率分布策略在工作过程期间自动设置和发展，例如，通过瞬时控制激光束在材料的预定工作平面处相对于其自由表面以及在预定位置处并且根据相对于工作路径的当前方向(过程的前进方向)的某个取向的横向功率分布。
本发明的方法还允许在工作过程期间自动设置用于激光束的横向功率分布的可变修改策略，例如，取决于沿预定工作路径的材料上的工作区域的空间位置，或者这种路径的瞬时方向，所有这些都是例如被加工材料的厚度的函数。对于例如等于或大于4mm的大的厚度，该过程的技术需求是产生宽的凹槽，允许容易地去除熔融材料，并且维持熔融材料本身的高粘度确保减少或没有熔融材料粘附在凹槽本身的壁上，与用高斯光束可获得的切口相比，最终提供不具有毛刺并且具有减小的粗糙度的切口。光束的不对称分布，例如，其中光束由高斯中心分量和在前进方向后面的新月形分量组成的分布，满足改进过程的需要，以及同时根据切割路径的瞬时方向(其性质通常不固定)相对于材料表面旋转的需要。在使用根据预定的时间演变关系耦合的两个光束的情况下，本发明允许其在材料上的入射平面上和材料本身的厚度的深度处的位置被控制，以便当加工沿预定路径前进时(即，整体光功率分布遵循切口的前边缘时)瞬时地和高频地照射加工一定体积的材料。在这种情况下，也获得从凹槽排出的熔融体积的降低粘度。
根据本发明，在限定所述流的输送区域的辅助气流的轴线的预定邻域中实现对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。辅助气流的输送区域——其代表本发明的控制方法的体积作用域——可被识别为工作头的喷嘴的“受影响的体积”——该喷嘴通常具有：嘴部，其直径在1mm和3.5mm之间，以及高度为6mm至20mm的截头圆锥体的典型尺寸，具有等于增加1至3mm喷嘴嘴部直径的小底座(在喷嘴处)，以及主要基座，其特征尺寸是截头圆锥体积的高度和生成线的倾斜角度(通常在15和30度之间)的函数。适当地，喷嘴的体积尽可能小，并且它具有最薄的外观，使得它也可以在待加工表面的凹陷内操作。
有利地，由本发明的方法执行的自动控制可以在100Hz和10kHz之间的操作频率下实时执行。
适于执行本发明方法的控制系统有利地与现有技术系统区分开，因为它可以集成到工作头上，即它独立于激光束的生成并且独立于其到工作头的传送。
此外，与用于特定加工的机器的设置或调试的已知解决方案不同，其中激光束的横向功率分布可以通过操作员的手动干预来调节以替换特定光学装置，或者其中激光束的横向功率分布的修改在非常有限数量的预定形式中实施，本发明的方法允许根据光束沿工作路径的定位而实时有效地控制激光束的横向功率分布，由此可以取决于沿工作路径的预定位置处发生的编程工作条件以精确的方式修改激光束的横向功率分布。作为非限制性示例，这种编程的加工条件包括沿着预定工作路径的当前工作位置(或者更一般地，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 /或辅助气流轴线的当前平移方向，以及在某个工作位置处预期的加工类型 (例如，在钻孔、接近切割和切割过程之间切换)。
在材料的钻孔过程中，本发明的方法通过使其可实时和更有效地控制来改进该过程，例如通过执行包括至少如下的一系列加工操作：第一阶段，其包括在工作材料上的预定固定位置处照射预定系列的第一窄束脉冲；以及第二阶段，其包括沿着预定工作路径前进并具有扩展直径的激光束照射，以允许释放熔融材料。
根据钻孔过程的另一示例，执行一系列加工操作，包括：-在第一步骤中-在工作材料上的预定钻孔坐标处照射预定的第一系列窄束脉冲，其传播轴居中在受影响的辅助气流体积中；以及-在第二步骤中-根据与所述预定钻孔坐标同心的圆形或螺旋运动照射(连续或脉冲)激光束，适于在钻孔即将结束时“扰乱”熔融材料。
在材料的切割过程中，本发明的方法允许通过使其可实时且更有效地控制来改进该过程，例如通过执行包括以下各项的一系列加工操作：
-根据待切割材料的局部厚度或所需的特定切割操作(例如连续的凹槽切割或具有倾斜边缘的斜面)而改变光束直径；和/或
-有利于平坦轮廓模式的光束功率分布的上下文中的修改(contextualmodification)，以便与高斯分布相比，减少在切割凹槽的中心及其侧面二者照射的激光束的功率百分比，否则这将被不必要地加热，从而通过横向传导生成能量分散，导致生成低温熔融材料，在离开凹槽之前再沉积，产生毛刺；和/或
-有利于环形模式的光束功率分布的上下文中的修改，可能通过与轴向局部高斯分布重叠组合，适于增加熔融材料尾部的温度，以便消除毛刺；和/或
-旋转对称性的破坏和先前在切割方向中描述的每种形式的分布，以及在其它方向中和在从凹槽中排出材料的方向中的对应截断；和/或
-通过沿着切割方向瞬时指向的椭圆形光束，旋转对称性的破坏和对加工的前进方向中的功率分布的加强。
有利地，除了实现激光束的不同横向功率分布之外，本发明还涉及控制该过程的两个其它维度(深度和时间)的能力。
实际上，上面描述的横向功率分布可能只能在明确定义的焦平面上获得，沿着光束的传播方向具有相干间隔(或“厚度”)(光束围绕更优的聚焦平面的焦散)，这取决于所使用的光学聚焦系统。本发明的技术方案允许沿着光束的传播方向控制焦平面的位置，其中建立所需的功率分布，使得工作平面相对于材料表面的深度是可在线修改的进一步过程参数。该特征是相关的，因为它允许三维灵活性来控制与已知技术的系统不同的材料的工作过程，包括具有检流镜的扫描仪系统，该检流镜通常仅具有一个焦点位置，除了通过相对于材料移动整个工作头之外可以不调节该焦点位置。
此外，通过快速控制光束的分布及其在空间中的定位，即以比与过程的典型相互作用时间对应的频率更大的频率(高于100Hz，但也至多10 kHz)，通过简单地控制一系列光束功率分布，可以定义激光束与任意形式的材料之间的相互作用表观体积，该光束功率分布的包络构成所述表观体积。
附图说明
通过参考附图，在通过非限制性示例给出的本发明的一个实施例的以下详细描述中将更详细地描述本发明的其它特征和优点，在附图中：
图1和图2是根据现有技术的激光加工机器的示例；
图3示出了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示出了根据现有技术的用于金属材料工业加工应用的激光束形状的示意图；
图6是适于执行本发明方法的工作头中激光束的光路示意图；
图7是用于实施本发明方法的光束整形的受控表面反射元件的示意图；
图8是适于执行根据本发明的加工方法的激光加工机的控制电子设备的方框图；
图9是分别借助于光束强度的三维表示和横向聚焦平面中光束强度分布的二维表示的高斯形横向功率分布的曲线图；
图10a是分别借助于光束强度的三维表示和横向聚焦平面中光束强度分布的二维表示的平坦轮廓横向功率分布的曲线图；
图10b是示出适于生成图10a的横向功率分布的可变形受控表面反射元件表面的三维结构的曲线图；
图10c是示出沿相同光束的传播方向的光束强度分布(以二维表示) 的演变的曲线图，该光束在工作平面上具有平坦的轮廓；
图11a是分别借助于光束强度的三维表示和横向聚焦平面中光束强度分布的二维表示，示出具有实际环形轮廓的横向功率分布的曲线图；
图11b是示出适于生成图11a的横向功率分布的可变形受控表面反射元件表面的三维结构的曲线图；
图11c是示出沿着相同光束的传播方向的光束分布强度(以二维表示) 的演变的曲线图，该光束在工作平面处具有环形轮廓；
图12a是示出分别借助于光束强度的三维表示和横向聚焦平面中光束强度分布的二维表示，可用相对于光束的入射方向倾斜45°的反射元件获得的环形横向功率分布的曲线图；
图12b是示出适于生成图12a的横向功率分布的可变形受控表面反射元件的三维结构的曲线图；
图13a是示出分别借助于光束强度的三维表示和横向聚焦平面中光束强度分布的二维表示，可通过高斯分布和外部同心于高斯分布的环形分布的同心重叠获得的具有圆形对称轮廓的横向功率分布的曲线图；
图13b是示出适于生成图13a的横向功率分布的可变形受控表面反射元件表面的三维结构的曲线图；
图13c是示出沿相同光束的传播方向的光束强度分布(以二维表示) 的演变的曲线图，该光束具有在工作平面上图13a中描述的类型的轮廓(也可描述为高斯环形)；
图14a是示出分别借助于光束强度的三维表示和横向聚焦平面中光束强度分布的二维表示，具有椭圆形轮廓的横向功率分布的曲线图；
图14b是示出适于生成图14a的横向功率分布的可变形受控表面反射元件的三维结构的曲线图；
图14c是示出沿着相同光束的传播方向的光束强度分布(以二维表示) 的演变的曲线图，该光束在工作平面上具有椭圆形轮廓；
图15a是示出分别借助于光束强度的三维表示和横向聚焦平面中光束强度分布的二维表示由Olsen描述的横向功率分布的曲线图；
图15b是示出适于生成图15a的横向功率分布的可变形受控表面反射元件表面的三维结构的曲线图；
图15c是示出沿着相同光束的传播方向的光束强度分布(以二维表示) 的演变的曲线图，该光束具有如Olsen所述在工作平面上的轮廓；
图16和图17是根据本发明方法的加工示例的示意图；以及
图18是用于光束整形的受控表面反射元件的示例性实施例。
具体实施方式
先前已经参考现有技术描述了图1至图5，并且其内容在此被称为对于根据本发明的教导执行工作过程而控制的加工机器的制造是通用的。
在图6中示出了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，诸如例如光纤电缆的末端或由发射源沿自由空间中的光路传播的光束的光学拾取系统，激光束 B以预定的发散度从该光路出射。
在输入设备100的下游，布置光学准直系统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50mm至150mm的焦距)，在其下游准直的激光束被传导到光学聚焦系统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，在激光焊接的情况下，焦距甚至可达400mm)，其被布置为在工作平面Π上聚焦光束通过屏幕或保护玻璃160。
在准直光学系统120和光学聚焦系统140之间的光路中，插入光束整形装置180。
特别地，参考图6中所示的激光束的光路的示意图，本发明涉及制造用于整形激光束的光学装置180和用于以受控方式在材料的预定工作平面上实现激光束的横向功率分布的所述装置的控制。在该图中，用于整形激光束的光学装置180在说明性实施例中示出，其中它们以其自身的对称轴相对于光束的传播方向以45°布置。
为此，用于整形激光束的光学装置180被制成具有受控表面的可变形反射元件200，其包括可独立移动的多个反射区域，如图7中所示，该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。所述可变形的受控表面反射元件200提供连续的箔镜，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可三维地修改。所述可变形的受控表面反射元件 200具有带有连续曲率的反射表面，该反射表面包括多个反射区域，该反射区域与图中所示的200a，200b，...对应的多个运动模块在后面相关联，并且通过在激光束的波长处联合使用高反射涂层(至少99％)和通过直接引导用水冷却在接触支架上的安装件，适合于高光学功率的使用。运动模块与连续曲率反射表面是一体的，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，即整个反射表面在所有方向中具有连续的局部衍生物。所述多个运动模块200a、200b的运动包括相应的反射区域的平移运动，诸如相对于在静止状态下采用的参考平坦反射表面的向前或向后运动，或者在静止状态下采用的平行于参考平坦反射表面的轴线周围的对应反射区域的旋转运动，或者甚至是它们的组合。反射表面的变形，即运动模块200a、200b的运动，优选地通过已知的压电技术致动，这使得可以控制运动模块的运动和反射区域的后续位置，即它们的位置修改是由每个模块在独立于其它自由度的预定数量的自由度的平移和/或旋转运动的组合产生的，通常在大约+/-40μm量级的行程上，借助于该方式可以获得由Zernike多项式的组合定义的连续曲率表面的近似，通过该 Zernike多项式的组合可以(至少在理论上并且在实践中具有足够的近似用于期望的目的)根据所需加工应用的目的，应用激光束的光学传播轴的位置的调节，或者更一般地，激光束的横向功率分布的控制。
图7示出了具有椭圆形轮廓的反射器元件200和相关的后移动模块的优选实施例，其采用45°的准直激光束的入射角，如图6的示图所示。这种实施例应理解为纯粹说明性的而非限制本发明的实施方式。在不同的优选实施例中，其中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，反射元件200的轮廓是圆形轮廓。
在具有椭圆形轮廓的反射元件的实施例中，该椭圆形轮廓具有38mm 的长轴和27mm的短轴，对应于入射在可由准直光学系统120获得的镜子上的激光束的最大横向孔径尺寸。
具体地，在优选实施例中，所述可变形受控表面反射元件200包括多个反射区域，该反射区域可借助于对应的多个运动模块独立地移动，该运动模块包括中心区域和与所述中心区域同心的多个圆形冠部扇区。在当前优选的实施例中，该组同心圆形冠部为6个，并且对于每组，圆形冠部扇区为8个，并且在反射元件外侧的径向方向中圆形冠部扇区的高度从第一组到第三组并从第四组到第六组增加。第四组的圆形冠部扇区的高度介于第一组和第二组的圆形冠部扇区的高度之间。优选地，为了简化所设计的反射元件200的控制结构，可以固定形成周边圆形冠部的多个圆形扇区，并且只有该组内部圆形冠部扇区可以移动，使得它们可以利用限制为41 的总数量的致动器。
通常，圆形扇区的行数、圆形冠部扇区的数量和圆形冠部扇区的高度根据获得激光束的预定所需横向功率分布所需的反射表面几何形状来确定，通过以下模拟程序：对于选定数量的反射区域，入射在反射元件上的激光束的横向功率分布的趋势。事实上，元件200的反射表面的受控变形性通过作用于激光束的相位而引起激光束在焦平面上的强度的受控变化。在当前优选的实施例中，以这种方式控制反射元件200的表面的变形，以确定由Zernike多项式的组合引起的反射表面。因此，可以使用数学计算方法有利地模拟根据由反射元件200的反射区域的运动控制的相位变化在焦平面上的激光束强度的分布。
图7中所示的反射元件200的表面细分的几何形状-对应于反射区域的运动模块的几何形状-由发明人通过模拟程序确定，以获得不同形式的横向功率分布，光束整形的自由度很大，甚至与其旋转对称性的保持无关。否则，对于严格与高斯功率分布相关的应用，其中不需要功率分布形状的变化，而是仅需要相对于光学传播轴的位移，可以使用更简单的几何形状，例如同样间隔的组，即其中圆形冠部扇区的高度在扇区的所有组中是恒定的。对于其中要保持光束功率分布的旋转对称性的应用，可以提供以径向独立的圆形冠部形式的多个反射区域和相应的运动模块。
图8示出了用于实施本发明的方法的用于激光加工金属材料的机器的电子控制系统的电路图。
该系统包括在ECU处图中共同示出的电子处理和控制装置，其可以集成到机器机载的单个处理单元中或以分布形式实施，因此包括布置在机器的不同部分中的处理模块，包括例如工作头。
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/或被加工材料的运动指令形式的预定工作路径，以及物理加工参数，其根据工作路径指示光束的功率分布、光束的功率强度和激光束激活时间。
电子处理和控制装置ECU被布置用于访问存储器装置M以获取工作路径并控制加工激光束沿所述路径的施加。控制激光束沿预定工作路径的施加包括控制辅助气流的输送和参考预定的加工模式或程序(即根据从存储器装置获取的工作路径信息和工作参数)控制激光束朝向预定工作区域的预定功率分布的辐射。
传感器装置SENS布置在机器上，以实时检测工作头和被加工材料之间的相互位置以及这种位置随时间推移的变化。
电子处理和控制装置ECU被布置为从传感器装置SENS接收指示随时间推移工作头和正在加工的材料之间的相互位置的信号，即当前工作平面的区域和/或工作路径的当前方向随时间推移的变化。
电子处理和控制装置ECU包括用于控制加工的机械参数的第一控制模块CM1，其被布置为将第一命令信号CMD1发送到已知的致动器装置组件，包括用于沿着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，以及用于相对于工作头的位置移动被加工的材料的致动器装置，该致动器装置适于与用于移动工作头以在工作头的喷嘴处加工的材料上呈现编程的工作路径的致动器装置配合。这些致动器装置没有详细描述，因为它们在本领域中是已知的。
电子处理和控制装置ECU包括用于控制加工的物理参数的第二控制模块CM2，其被布置为发出第二命令信号CMD2以辅助气流输送装置和用于生成和发送激光束的控制装置。
电子处理和控制装置ECU包括用于控制光学加工参数的第三控制模块CM3，其被布置为将第三命令信号CMD3发送到光束整形装置的可变形控制表面反射元件200，用于所述元件的可独立移动的反射区域的运动模块的实施，即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该光轴的倾斜)。命令信号CMD3借助于包括一个或多个代码模块的计算机程序进行处理，该代码模块具有用于根据要获得的激光束的预定形状实施本发明方法的控制模型或程序的指令，即建立激光束的预定横向功率分布，并因此根据沿着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光学传播轴的瞬时加工条件，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材料厚度在深度上变化的平面，例如用于切割或钻孔厚材料，即通常厚度大于聚焦光束的瑞利长度的1.5 倍(在典型情况下，厚度大于4mm且至多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在辅助气流轴线的预定邻域和所述流的输送区域内(即，当前工作平面的区域和/或金属材料上的工作路径的当前方向)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被布置为检测辅助气流的轴线的当前位置和/或当前平移方向，以控制辅助气流的轴线沿着金属材料上预定工作路径的相对平移，并自动调节激光束的光学传播轴的位置，或根据当前位置和/或检测到的辅助气流轴线的平移方向来自动控制激光束的横向功率分布。
在横向于与工作平面对应的传播方向的截面中具有高斯分布的激光束的传统功率分布在图9中示出，其中上图是光束的归一化强度的三维表示，并且下图是在聚焦平面中光束的强度分布的二维表示，用于在60微米量级的工作平面上具有聚焦光斑半径的典型光束。
根据本发明的方法的实施例，可变形的受控表面反射元件的反射区域的布置被实施为适于在具有预定直径的高斯分布的金属材料上的工作平面的区域中建立光束的横向功率分布。反射区域的这种布置允许可变形反射元件的球形表面，该球形表面在几乎垂直入射的情况下，相对于参考平面表面凸出或凹入，或者在45度入射的情况下，是与椭圆形伸长率成比例的复曲面表面。在这种情况下，光束经历发散的变化(尽管是最小的)。所产生的光束横向功率分布适用于需要在材料的不同工作平面之间移动焦点位置，或者扩大或缩小材料本身表面上入射光束直径的情况。
根据本发明的方法的另一实施例，可变形的受控表面反射元件的反射区域的布置被实施为适于在具有预定直径的平坦轮廓(平顶或顶棚)的金属材料上的工作平面的区域中建立光束的横向功率分布。平坦轮廓功率分布如图10a所示，其中对于在120微米量级的工作平面区域上具有焦斑半径的典型光束，上图是光束归一化强度的三维表示，并且下图是焦平面中光束强度分布的二维表示。图10b的曲线图示出了可变形受控表面反射元件表面的三维结构，其中曲线图的轴线未按比例绘制，竖直轴以微米为单位表达(与以毫米为单位表达的水平轴相对)以允许更好地查看轮廓。可移动反射区域的运动模块的最大行程为0.5微米的量级。沿着传播方向的光束强度分布的演变在图10c中的曲线图中示出，其中在距工作平面的不同深度处模拟功率分布的变化(由沿着竖直轴z的坐标0指示)。特别地，功率分布的演变已经在工作平面上方3毫米和工作平面下方3毫米之间的深度范围内模拟，步长为1毫米。
根据本发明的方法的另一实施例，实施用于可变形受控表面反射元件的反射区域的布置，其适于在具有预定直径的环形轮廓(面包圈)的金属材料上的工作平面的区域中建立光束的横向功率分布。环形轮廓功率分布如图11a所示，其中对于在工作平面区域上具有聚焦光斑尺寸的典型光束，外半径为180微米的量级，并且内半径为40微米的量级，上图是光束归一化强度的三维表示，并且下图是聚焦平面中光束强度分布的二维表示，其中环形轮廓内的功率不超过总光束功率的1％。图11b中的曲线图示出了可变形受控表面反射元件表面的三维结构，其中曲线图的轴线未按比例绘制，竖直轴以微米为单位表达(与以毫米为单位的水平轴相对)，以允许更好地查看轮廓。可移动反射区域的运动模块的最大行程约为5微米。为了获得理想的环形轮廓，有必要调制反射元件以形成锥形表面，由于存在具有有限尺寸的反射元件的中心区域，顶点处的角度是不可行的。因此，可以通过求助于相似表面的定义来实现真实的环形轮廓，但是在顶点处具有物理上可行的倾斜轮廓。在任何情况下，锥形表面的近似不会在分散在光斑中心的能量的量方面过度地劣化光束的功率分布。沿着传播方向的光束强度分布的演变由图11c的曲线图示出，其中功率分布的变化在距工作平面的不同深度处被模拟(由沿着竖直轴z的坐标0指示)。特别地，功率分布的演变在工作平面上方10毫米至工作平面下方50毫米之间的深度范围内模拟，步长为10毫米。
图12a和12b分别示出了具有环形轮廓(面包圈)的功率分布和处于可变形反射元件表面的三维配置，其中反射元件相对于准直光束的入射方向以45度布置。可移动反射区域的运动模块的最大行程为6微米的量级。
根据本发明的方法的另一实施例，实施可变形受控表面反射元件的反射区域的布置，其适于在具有与高斯分布外的环形分布重叠的预定直径的高斯分布的金属材料上的工作平面区域中建立光束的横向功率分布。根据上述轮廓的功率分布如图13a所示，其中对于130微米量级的工作平面的区域上具有聚焦光斑尺寸的典型光束，上图是光束归一化强度的三维表示，并且下图是聚焦平面中光束强度分布的二维表示，其中中心轮廓的功率是光束总功率的25％。图13b中的曲线图示出了可变形受控表面反射元件表面的三维结构，其中曲线图的轴线未按比例绘制，竖直轴以微米为单位表达(与以毫米为单位表达的水平轴相对)，以允许更好地查看轮廓。可移动反射区域的运动模块的最大行程为5微米的量级。根据反射元件的中心平坦区域的直径，可以在中心轮廓和周围环形轮廓之间分配光束的总功率时产生不同的轮廓。沿着传播方向的光束的强度分布的演变在图13c 中的曲线图中示出，其中在距工作平面的不同深度处模拟功率分布的变化 (由沿着竖直轴z的坐标0指示)。特别地，已经模拟了工作平面与工作平面下方60毫米之间的深度范围的功率分布的演变，步长为10毫米。
从所示的曲线图中可以看出，对于与高斯功率分布的修改相关联的应用，以便获得具有平坦(平顶)或环形(面包圈)轮廓的横向功率分布，或者以保持圆形对称性的高斯环形组合，可变形受控表面反射元件200可包括以径向独立圆形冠部形式的多个可独立移动的反射区域。
根据本发明的方法的另一实施例，实施可变形受控表面反射元件的反射区域的布置，其适于在具有带有椭圆形截面的高斯分布(优选地具有根据工作路径的局部方向取向(例如在工作路径的前进方向中取向)的工作平面的区域中的对称轴)的工作平面的区域中建立光束的横向功率分布。具有高斯椭圆形轮廓的功率分布如图14a所示，其中对于具有分别在50 微米和85微米量级的工作平面区域上的聚焦光斑的轴线的典型光束(单模)，上图是光束归一化强度的三维表示，并且下图是聚焦平面中光束的强度分布的二维表示。图14b的曲线图示出了可变形受控表面反射元件的表面的三维结构，其中曲线图的轴线未按比例绘制，竖直轴以微米为单位表达(与以毫米为单位表达的水平轴相对)，以允许更好地查看轮廓。可移动反射区域的运动模块的最大行程为10微米的量级。沿着传播方向的光束的强度分布的演变在图14c的曲线图中示出，其中在距工作平面(由沿着竖直轴z的坐标0指示)的不同深度处模拟功率分布的变化。特别地，功率分布的演变在工作平面下20毫米和工作平面上20毫米之间的深度范围下模拟，步长为5毫米。
根据本发明的方法的另一实施例，实施可变形受控表面反射元件的反射区域的布置，其适于在具有如Olsen所述的轮廓(即包括具有高斯形式的峰值主要功率分布和在主要功率分布之后的新月形二次功率分布的不对称复杂轮廓)的金属材料上的工作平面的区域中建立光束的横向功率分布，优选地在工作平面的区域中具有对称轴，并根据工作路径的局部方向取向，例如在工作路径的前进方向中取向。根据上述轮廓的功率分布在图 15a中示出，其中对于通常在120微米量级的工作平面区域上具有聚焦光斑尺寸的光束，上图是光束归一化强度的三维表示，并且下图是聚焦平面中光束强度分布的二维表示，其中初级轮廓的功率是光束总功率的30％量级。图15b中的曲线图示出了可变形受控表面反射元件的表面的三维结构，其中曲线图的轴线未按比例绘制，竖直轴以微米为单位表达(与以毫米为单位表达的水平轴相对)，以允许更好地查看轮廓。可移动反射区域的运动模块的最大行程约为4微米。反射元件通过非径向对称的反射区域的布置而变形：可以将这种布置描述为生成环形高斯型分布的变形与重建倾斜平面相对于参考平面的布置之间的重叠。取决于反射区域的分布对称性的中断的尺寸，可以在主要中心轮廓和周围的二次轮廓之间的光束的总功率的分配中产生不同的轮廓。沿着传播方向的光束的强度分布的演变在图 15c中示出，其中在距工作平面的不同深度处模拟功率分布的变化(由沿着竖直轴z的坐标0指示)。特别地，功率分布的演变在工作平面和工作平面下方60毫米之间的深度范围内模拟，步长为10毫米。
从图15c中可以看出，Olsen所描述的功率分布的特征在于同时执行和控制高斯主要功率分布和新月形二次功率分布的可能性，其分配是沿光束光轴传播的函数，即工作平面的深度。这有利地允许实时控制材料上的加工的三维性，例如通过生成功率分布，其中主要高斯功率分布在需要照射并且因此凹槽中前进的前部的加热的材料表面上的工作平面上普遍存在，并且在需要照射材料深处的熔融材料的尾部并且在同一凹槽中出来的材料体积内的工作平面中，新月形的二次功率分布是普遍的，并且其在高斯情况下，由于激光束的照射不足导致的逐渐冷却，可能会粘附到同一凹槽的壁上。
在图16中示出了根据本发明的方法的加工的示例，并且特别是在材料M中的矩形凹部R的切割操作。
在该图中，编程的工作路径以T指示。工作路径包括钻孔区域H，接近或连接轮廓C和切割轮廓P，其包括例如一系列直线部分和形成封闭的线的弯曲连接部分。
激光切割机被编程为通过根据当前加工阶段改变入射在材料上的激光束的功率分布来执行不间断加工。
控制激光束整形装置的反射区域的布置的致动以建立高斯型光束的第一横向功率分布，其中在钻孔区域H处可能具有最小的聚焦斑点，建立从较宽的高斯型到平顶并且然后是面包圈的第二横向功率分布，以便扩大用于挤出熔融材料的钻孔，同时允许材料容易流动和适当的波前照明，当钻孔完成时，光束开始通过接近或连接轮廓A。通过高斯-新月形组合获得的非对称类型光束的第三横向功率分布用于切削轮廓C，根据工作路径的局部方向在切割轮廓的一系列直线部分和弯曲部分中取向。在任何尖锐的边缘路径修改处，因此在运动的局部停止时，横向功率分布也考虑速度值，促进熔融材料和辅助气体的排出的方向改变，例如通过椭圆形功率分布。
图17示出了根据本发明的方法的加工的示例，并且特别是沿着未示出的作为整体的预定路径执行的切割过程期间可应用的功率分布的演变的时间连续，但是其行程的方向和感觉在图中用箭头F指示。
激光切割机被编程为通过根据下面参考图17的(a)、(b)和(c)的视图描述的定律随时间推移和周期性地改变入射在材料上的激光束的功率分布而不间断地执行工作，其中分别示出了加工区域A的顶视图、后视图和侧视图，该加工区域A在工作头和材料之间的相对运动之后沿预定路径连续移动。
S1，...，S4指示激光束在被加工、围绕激光束的光轴位置并且在对于整个工作区域A是常见的工作材料上的辅助气流的输送区域中包括的材料上的入射斑点。应该注意的是，通常，对于厚度为4mm至30mm的碳钢的切割和/或钻孔操作，厚度为4mm至25mm的不锈钢，厚度为4mm 至15mm的铝合金，以及厚度为4mm至12mm的铜和黄铜，辅助气流的输送区域的典型尺寸范围为1.8mm至4mm。
工作区域A中的受控功率分布是通过组合相对于工作路径的方向横向对齐的两个单独的高斯光束获得的，并且因此可以描述为横向电磁模式 TEM10。这种分布可通过将激光束整形装置的反射器元件200分成沿反射元件的轴线(直径)连接的两个半元件200'、200”并借助于中心区域并且可取向以便形成面向激光束传播空间的凹二面角(约0.1-0.3度)获得，如图18所示。应该理解，反射元件的两个半元件的结直径可以是由运动模块的布置识别的任何直径。每个反射半元件200'、200”适于生成高斯横向功率分布(通过分离原始光束)，并且控制相应的运动模块，以便使半元件作为整体相对于它们相应的静止状态进行预定的一般倾斜运动，优选地彼此同步并相互镜像，这确定了激光束斑点在工作材料上的空间位移。
根据图中所示的空间定律，两个高斯光束的相应光学传播轴的相对位置随时间推移变化。两个光束在工作区域中的运动根据工作路径的局部方向并且在一系列工作平面中同步发生。参考图17的(a)、(b)和(c)，可以通过组合以下运动来描述：
1)整体功率分布的重心根据工作路径F的局部方向随时间推移推进，并且与辅助气流的输送轴线一致或者在工作路径的前进方向前方的位置中与辅助气流的输送轴线的距离不超过喷嘴嘴部半径的一半。
2)在图17的(a)的水平面上的投影中，两个高斯光束中的每一个高速光束的光轴根据围绕相应预定时间旋转几何重心的椭圆形轨迹在本地移动，分别为相对于过程的前进方向在整体功率分布的重心右侧顺时针，以及相对于过程的前进方向在整体功率分布的重心左侧逆时针，与相应的旋转重心距在腰部处单光束聚焦斑点的半径0.3倍和2倍之间的距离。
3)在围绕相应的预定重心的时间旋转运动期间，两个高斯光束中的每一个高斯光束沿着相应光学传播轴的聚焦平面的方位在材料的厚度中在深度上变化，根据图17的(c)的矢状平面投影中的平行四边形路径的逆行演变，其确定图17的(b)中所示的前平面投影中的两个高斯光束中的每一个高斯光束的光轴的演变。
4)两个高斯光束中的每一个高斯光束的光轴的旋转重心根据平行于整体功率分布的重心的运动方向的方向随时间推移前进，分别向右和向左，确定在前平面和矢状平面上的投影中，根据正弦图案进行整体演变。
前面步骤1-4中描述的运动在图中由取向线表示。S1指示根据工作路径F在局部更高级位置的材料表面上的每个高斯光束的聚焦点。S2'和S2”指示在围绕相应预定的时间旋转几何重心的旋转运动期间，高斯光束在材料体积中的第一中间深度处和在与相对于工作路径F的位置S1处相比缩回的第一中间位置中的单独聚焦斑点。S3'和S3”指示在围绕相应预定的时间旋转几何重心的旋转运动期间，高斯光束在材料体积中的最大深度处和在与相对于工作路径F的位置S1相比以及与位置S2'和S2”相比进一步缩回的第二中间缩回位置中的单独聚焦斑点。最后，S4指示在围绕相应预定的时间旋转几何重心的旋转运动期间，每个高斯光束在材料体积中的第二中间深度处和相对于工作路径F的位置S1相比第三中间缩回位置中的聚焦斑点。
例如，在氮气氛中以典型的进给速度沿1000至2000mm/min之间的预定工作路径切割10mm厚的钢板执行这种加工。光束功率分布的循环控制频率至少为500Hz，优选为1kHz，或更一般地为v/2D的整数倍，其中v是整体功率分布的重心的前进速度，以微米/秒为单位表达，并且D 是腰部处激光束聚焦斑点的直径，以微米为单位表达，允许获得由高斯光束对的快速局部位移产生的结构化表观相互作用体积。两个光束在位置 S1中在材料的表面上相遇，以向切口的前边缘提供最大量的能量，然后深度下降并且在要被排出的材料的尾部上使其保持流动。有利地，该加工方法原则上允许维持或增加前进前沿上的切割力，以增加材料本身的自排出力，从而减少对辅助气体的需求。
应当理解，在前面的示例性实施例中提到的高斯功率分布可以扩展到由彼此相同或不同的每个半元件以及每个光束的镜像或不镜像的其它运动生成的激光束的其它类型的功率分布。
当然，在不改变本发明的原理的情况下，实施例和实施细节可以相对于纯粹通过非限制性示例描述和说明的实施例和细节变化很大，而不会因此脱离由所附权利要求定义的本发明的保护范围。

Claims (20)

1.一种激光加工金属材料的方法，借助于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激光束进行激光加工，所述方法包括以下步骤：
-提供激光束的发射源；
-将由所述发射源发射的激光束沿着光束传输光路引导到布置在所述金属材料附近的工作头；
-沿着入射在所述金属材料上的传播光轴准直所述激光束；
-将所准直的激光束聚焦在所述金属材料的工作平面的区域中；以及
-沿着包括一系列工作区域的所述金属材料上的工作路径传导所聚焦的激光束，
所述方法包括整形所述激光束的步骤，其中整形所述激光束的步骤包括：
-借助于具有带连续曲率的反射表面的可变形受控表面反射元件反射所准直的光束，该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，以根据当前工作平面的区域和/或所述金属材料上的所述工作路径的当前方向，在所述金属材料的至少一个工作平面处建立光束的预定横向功率分布，
其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：
-沿着辅助气流的轴线朝向所述金属材料的所述工作平面的区域输送辅助气流，
-相对于所述金属材料上的预定工作路径平移所述辅助气流的轴线，
-检测所述辅助气流的轴线的当前位置和/或当前平移方向，
-通过控制所述反射区域的布置以在包括在围绕所述辅助气流的轴线的预定邻域中且在所述流的输送区域内的所述金属材料上的所述工作平面的区域中建立所述光束的所述预定横向功率分布，而根据所检测的所述辅助气流的轴线的当前位置和/或所检测的当前平移方向，自动控制所述激光束的横向功率分布。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，根据所述辅助气流的轴线的所述当前位置和/或所检测的当前平移方向，所述激光束的所述横向功率分布的所述自动控制通过参考预定的控制模式或程序来执行。
3.根据权利要求中1或2所述的方法，包括以下步骤：控制所述反射区域的布置，以在金属材料上的至少一个工作平面的区域中建立具有带预定直径的高斯形式的所述光束的横向功率分布。
4.根据权利要求1或2所述的方法，包括以下步骤：控制所述反射区域的布置，以在金属材料上的至少一个工作平面的区域中建立具有环形形状的所述光束的横向功率分布。
5.根据权利要求1或2所述的方法，包括以下步骤：控制所述反射区域的布置，以在金属材料上的至少一个工作平面的区域中建立具有带预定直径的平坦轮廓形状的所述光束的横向功率分布。
6.根据权利要求1或2所述的方法，包括以下步骤：控制所述反射区域的布置，以在金属材料上的至少一个工作平面的区域中建立所述光束的这样的横向功率分布，该横向功率分布包括具有预定直径的高斯分布和外部同心于该高斯分布的环形分布。
7.根据权利要求1或2所述的方法，包括以下步骤：控制所述反射区域的布置，以在金属材料上的至少一个工作平面的区域中建立所述光束的这样的横向功率分布，该横向功率分布包括具有预定直径的高斯分布和外部同心于该高斯分布的半环形分布。
8.根据权利要求7所述的方法，包括：取决于所述工作路径的局部方向，使在所述工作平面的所述区域中包括具有预定直径的高斯分布和外部同心于该高斯分布的半环形分布的所述光束的所述横向功率分布轴对称地取向。
9.根据权利要求1或2所述的方法，包括以下步骤：控制所述反射区域的布置，以便在金属材料上的至少一个工作平面的区域中建立具有带有椭圆形截面的高斯形式的所述光束的横向功率分布。
10.根据权利要求9所述的方法，包括：取决于所述工作路径的局部方向，使在所述工作平面的所述区域中具有带有椭圆形截面的高斯形式的所述光束的横向功率分布轴对称地取向。
11.根据权利要求1所述的方法，包括：所述辅助气流的轴线沿着所述金属材料上的预定工作路径相对平移，检测所述辅助气流的轴线的当前位置和/或检测所述辅助气流的轴线的当前平移方向，以及根据所述辅助气流的轴线的所检测的当前位置和/或所检测的当前平移方向，自动调节所述激光束的传播光轴的位置。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，根据所述辅助气流的轴线的所检测的当前位置和/或所检测的当前平移方向，所述激光束的传播光轴的位置自动调节通过参考预定的调节模式或程序来执行。
13.根据权利要求12所述的方法，包括以下步骤：控制所述反射区域的布置，以在金属材料上的至少一个工作平面的区域中建立与TEM10横向电磁模式对应的所述光束的整体横向功率分布，该整体横向功率分布包括相对于所述工作路径的方向横向对齐的具有预定直径的两个高斯分布的组合，其中这两个高斯分布的传播光轴的相对位置和聚焦平面随时间推移周期性地变化，这取决于根据定律的所述工作路径的局部方向，所述定律包括以下运动的组合：
-沿着所述工作路径的局部方向的整体功率分布的重心的推进；
-当投影到水平平面上时，根据围绕相应预定时间旋转几何重心的椭圆形旋转轨迹，所述两个高斯分布中的每一个的光轴的运动，分别为相对于工作前进方向在所述整体功率分布的所述重心右侧的顺时针运动，以及相对于工作前进方向在所述整体功率分布的所述重心左侧的逆时针运动；
-在围绕相应的预定重心的时间旋转运动期间，沿着相应的传播光轴改变所述两个高斯分布中的每一个的所述聚焦平面的定位，沿着矢状平面上的投影中的平行四边形轨迹逆行演变；
-所述两个高斯分布中的每一个的光轴的旋转的重心沿着与所述整体功率分布的所述重心的运动方向平行的方向前进，分别向右前进和向左前进。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述两个高斯分布中的每一个的传播光轴的相对位置和所述两个高斯分布中的每一个的所述聚焦平面沿其相应的传播光轴的定位的周期性变化以v/2D的整数倍的频率发生，其中v是所述整体功率分布的所述重心的前进速度，并且D是腰部中的激光束的聚焦斑点的直径。
15.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的步骤包括：控制所述区域相对于反射参考平坦表面的移动的组合。
16.根据权利要求15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的步骤包括：控制所述区域沿着所述反射元件的光轴的平移运动和/或所述区域的旋转，以获得相对于所述反射元件的光轴的倾斜度。
17.根据权利要求1所述的方法，包括：借助于包括中心区域和与所述中心区域同心的多组圆形冠部扇区的对应多个运动模块，提供具有带有连续曲率的反射表面的可变形受控表面反射元件，所述反射表面包括多个可独立移动反射区域。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，同心的所述多组圆形冠部扇区的数量为6组，对于每一组所述圆形冠部扇区的数量为8，并且圆形冠部扇区的高度在径向方向上朝向所述反射元件的外侧从第一组增加到第三组，并且从第四组增加到第六组，第四组的圆形冠部扇区的高度介于第一组和第二组的圆形冠部扇区的高度之间。
19.一种用于激光加工金属材料的机器，借助于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激光束进行激光加工，所述机器包括：
-激光束的发射源；
-引导装置，用于将由所述发射源发射的所述激光束沿光束传输光路引导到布置在所述金属材料附近的工作头；
-准直光学装置，用于沿着入射在所述金属材料上的传播光轴准直所述激光束；
-聚焦光学装置，用于将所准直的激光束聚焦在所述金属材料的工作平面的区域中，
其中，所准直的激光束的至少所述聚焦光学装置由在距所述金属材料的受控距离处的所述工作头承载；
-调节装置，用于调节所述工作头和所述金属材料之间的相互位置，适于沿着包括一系列工作区域的所述金属材料上的工作路径传导所聚焦的激光束，
-整形光学装置，用于整形所述激光束，包括具有带有连续曲率的反射表面的可变形受控表面反射元件，所述反射表面包括多个能独立移动的反射区域，所述整形光学装置适于反射所准直的激光束，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处建立所述光束的预定横向功率分布；以及
-电子处理和控制装置，布置成控制所述反射区域的布置，以根据当前工作平面的区域和/或所述金属材料上的所述工作路径的当前方向，在所述金属材料的至少一个工作平面处建立所述光束的预定横向功率分布，
其特征在于，所述机器包括喷嘴，所述喷嘴适于将辅助气流朝向所述材料上的所述工作区域引导，
并且在于，所述电子处理和控制装置进一步被布置为：
-相对于所述金属材料上的预定工作路径平移所述辅助气流的轴线，
-检测所述辅助气流的轴线的当前位置和/或当前平移方向，
-根据所检测的所述辅助气流的轴线的当前位置和/或所检测的当前平移方向，自动控制所述激光束的横向功率分布。
20.一种包括一个或多个代码模块的计算机程序，用于当所述计算机程序由在用于激光加工金属材料的机器中的电子处理和控制装置执行时，执行整形激光束的方法，
其中，所述机器包括：用于整形所述激光束的整形光学装置，包括具有带有连续曲率的反射表面的可变形受控表面反射元件，所述反射表面包括多个能独立移动的反射区域，所述整形光学装置适于反射准直的激光束，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处建立所述光束的预定横向功率分布；所述电子处理和控制装置布置成控制所述反射区域的布置，以根据当前工作平面的区域和/或所述金属材料上的工作路径的当前方向，在所述金属材料的至少一个工作平面处建立所述光束的预定横向功率分布，并且
整形激光束的所述方法包括：通过控制所述反射区域的布置以在包括在围绕辅助气流的轴线的预定邻域中且在所述流的输送区域内的所述金属材料上的所述工作平面的区域中建立所述光束的所述预定横向功率分布，而根据检测的所述辅助气流的轴线的当前位置和/或检测的当前平移方向，自动控制所述激光束的横向功率分布。
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