CN110087817B - 激光加工设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于激光加工的设备及其用途。本发明还涉及一种方法和一种光学部件。根据本发明，在第一激光装置（6）处，提供第一光学馈送光纤（8）并且在第二激光装置（7）处，提供第二光学馈送光纤（9）。连接到第一和第二馈送光纤以及多芯光纤（12）的光束组合装置（11）适于通过使第一光学馈送光纤（8）与多芯光纤的第一芯对准以及使第二光学馈送光纤与多芯光纤（12）的至少一个第二芯对准而形成复合激光束。第一和第二芯将复合激光束（16）输出到待加工的工件（21）。控制单元（10）在以下中的至少一者中控制复合激光束的第一和第二激光束中的至少一者的功率密度：响应于接近切割前进方向的变化点并根据被切割的工件（21）的厚度引起第一输出激光束的功率密度和第二输出激光束的功率密度之间的关系的变化。

Description

激光加工设备和方法
技术领域
本发明涉及一种激光加工设备和方法。特别地，本发明涉及通过激光加工切割材料。
背景技术
当用激光束加工金属时，激光束通常通过聚光透镜缩成100-500微米的光斑以增加能量密度并瞬间将工件加热到金属熔点以使工件熔化。同时，可以供给辅助气体以防止熔融金属的腐蚀。与来自CO2激光器的10微米波段的激光束相比，来自固态激光器或光纤激光器的1微米波段的激光束实现了非常高的光学能量强度和对金属工件的吸收。然而，如果使用具有高斯光束的1微米波段激光束与氧气辅助气体切割软钢板工件，则工件顶面上的熔化宽度不必要地变宽并且损害切口控制。此外，可能发生自燃，从而使激光切割的质量劣化。
对于激光加工，已知使用环形激光束，其提供可被描述为具有环形或“圆环形”形状的强度分布。已经观察到，当使用圆环形光束而不是更传统的光束轮廓时，可以以低得多的功率执行给定厚度的金属的切割，并且可以在切割速度和质量方面产生良好的结果。
US8781269公开了将激光束引导到多包层光纤以产生输出激光束的不同光束轮廓特性的各种布置，其中输入激光束选择性地耦合到内部光纤芯或外环芯中。
这种材料加工应用力求最大化激光束的亮度。亮度定义为每单位立体角和单位面积的功率。作为亮度重要性的示例，增加激光束的亮度意味着激光束可用于增加加工速度或材料厚度。高亮度激光束可以从例如光纤激光器和薄盘激光器获得。直接二极管激光器的亮度也不断提高，但用于材料加工的商用直接二极管激光器尚未达到光纤或薄盘激光器的亮度。
根据现有技术进行的激光加工具有一些重要的缺陷。在切割应用中，尤其是厚材料的应用中，激光束需要具有高强度和相对宽的焦点，以便蒸发和以其他方式移除熔融金属，以避免在激光束之后再次将这些件焊接在一起。这种高功率切割使切割表面的形状略微不规则。因此需要用于激光切割的改进方法和装置。
发明内容
本发明由独立权利要求的特征限定。一些特定实施例在从属权利要求中限定。
根据本发明的一个方面，一种激光加工设备包括：
-至少一个第一激光装置，每个第一激光装置提供至少一个第一光学馈送光纤和第一激光束；
-至少一个第二激光装置，每个第二激光装置提供至少一个第二光学馈送光纤和第二激光束；
-光束组合装置，其连接到所述第一和第二馈送光纤并连接到多芯光纤，所述组合装置适于通过使所述至少一个第一光学馈送光纤与所述多芯光纤的第一芯对准并且所述至少一个第二光学馈送光纤与所述多芯光纤的至少一个第二芯对准而形成复合激光束，其中，所述多芯光纤的所述第一芯具有圆形截面，并且所述第二芯具有与所述第一芯同心的环形形状；
-所述第一和第二芯可连接到激光加工头，以将包括第一和第二输出激光束的复合激光束引导到待切割的工件上；以及
-控制单元，其在功能上连接到所述第一和第二激光装置，以单独控制所述第一和第二输出激光束中的功率密度，其中，所述控制单元被配置成在以下中的至少一者中调整第一和第二输出激光束中的至少一者的功率密度：响应于接近切割前进方向的变化点并且根据被切割工件的厚度引起所述第一输出激光束的功率密度与所述第二输出激光束的功率密度之间的关系的变化。
根据本发明的第二方面，一种用激光束切割工件的方法包括以下步骤：
-从连接到至少一个第一激光装置的至少一个第一光学馈送光纤提供至少一个第一激光束；
-从连接到至少一个第二激光装置的至少一个第二光学馈送光纤提供至少一个第二激光束；
-通过将所述至少一个第一光学馈送光纤与所述多芯光纤的第一芯对准并且将所述至少一个第二光学馈送光纤与所述多芯光纤的第二芯对准，将所述第一和第二激光束组合成多芯光纤；其中，所述多芯光纤的所述第一芯具有圆形截面，并且所述第二芯具有与所述第一芯同心的环形形状，
-将包括来自所述多芯光纤的第一和第二输出光束的复合激光束引导至待切割的工件；以及
-通过控制单元单独地控制所述第一和第二输出激光束中的功率密度，其中，第一和第二激光束中的至少一者的功率密度由以下中的至少一者进行调整：响应于接近切割前进方向的变化点并且根据被切割工件的厚度引起所述第一输出激光束的功率密度与所述第二输出激光束的功率密度之间的关系的变化。
根据一些实施例，根据包括切割操作前进方向的至少一个变化的预定加工轮廓来加工工件，并且基于与加工轮廓相关的当前切割位置调整所述第一和第二输出激光束中的至少一者的功率密度。
根据一些实施例，当接近变化点时，功率密度逐渐减小。
根据一些实施例，响应于工件的厚度落在用于关闭环形激光束的预定厚度极限值以下，关闭所述第二激光束。
接下来，参考附图更详细地描述本发明的实施例。
附图说明
在下文中，参考附图详细描述本发明，其中：
图1a至1d示出了中心和环形激光束轮廓示例的示意性截面；
图2示出了根据本发明一些实施例的用于激光束轮廓功率控制的控制单元；
图3示出了涉及转折点的激光切割操作的示例；
图4示出了根据本发明一些实施例的设备的示例；
图5以截面示出了根据本发明的一些实施例的复合激光束；
图6a示出了根据一些实施例的耦合装置的接收端的截面；
图6b示出了根据本发明的一些实施例的耦合装置的输出处的折射率分布；以及
图7示意性地示出了根据本发明的实施例的光学部件。
具体实施方式
现在提供了一种方法和设备，其能够改善某些激光切割挑战的切割质量，即如何在切割操作期间优化不同的材料厚度和差异。这通过对每个激光束通过适应性功率控制来安排多个激光束的切割操作从而能够针对特定情况实现最佳光束轮廓组合来实现。这些特征可应用于一种方法和设备中，其中，形成具有基本上圆形截面的第一激光输出光束和具有与第一激光输出光束同心的基本上环形形状的第二激光输出光束。激光束可以由单独的激光装置、诸如二极管和光纤激光器形成。因此，第一输出激光束可以称为圆形或中心光束，并且第二输出激光束可以称为环状或环形光束。第一输出激光束和第二激光输出光束被选择性地引导至具有待切割的重叠元件的工件。
提供一种激光切割设备，其使其控制单元能够单独控制中心光束和/或环形光束中的功率密度，而与另一光束的状态无关。特别地，布置特定的功率密度控制，使得光束轮廓组合对于切割过程中的差异点和/或被切割的材料是最佳的。中心光束和/或环形光束的功率密度在以下中的至少一者中进行调整：响应于接近切割前进方向的变化点并且根据被切割工件的厚度引起中心光束的功率密度与环形光束的功率密度之间的关系的变化。可以通过调整相应的激光功率电平、激光装置中的调制参数、来自激光装置的光脉冲的脉冲宽度和/或频率和/或影响通过相应的激光输出光束施加到工件的功率密度的其他参数来调整所得输出光束的功率密度。
图1a至1d示出了在切割操作期间可以控制的不同光束轮廓组合的一些基本示例。功率P在图1a中仅适用于中心光束1，而在图1b中仅适用于环形光束2。图1c示出了在中心光束1处具有较高功率的双光束轮廓，而在图1d中，环形光束2具有较高的功率密度和功率电平。
图2示出了根据一些实施例的用于激光设备的中心光束1和环形光束2的适应性功率控制的控制单元10。控制单元直接或间接连接到至少一个激光器单元12。控制单元10可以包括通用计算机，其配备有用于功率控制的适当软件，或者控制单元可以包括微控制器。控制单元包括至少一个处理器11，其可以为单核或多核处理器，其中单核处理器包括一个处理核，而多核处理器包括多于一个处理核。处理器可以包括至少一个专用集成电路ASIC。处理器可以为用于执行装置中的方法步骤的装置。处理器可以至少部分地由计算机指令配置，以执行当前示出的光束轮廓功率控制特征。
控制单元装置可以包括存储器13。存储器可以包括随机存取存储器和/或永久存储器。存储器可以包括至少一个RAM芯片。例如，存储器可以包括固态、磁性、光学和/或全息存储器。存储器可以至少部分地访问处理器。存储器可以包括处理器11被配置为执行的计算机指令14。当被配置为使处理器执行某些动作的计算机指令被存储在存储器中并且整个装置被配置为使用来自存储器的计算机指令在处理器的指导下运行时，可以认为处理器和/或其至少一个处理核被配置为执行所述特定动作。存储器13可以至少部分地包括在处理器中。存储器13可以至少部分地在装置外部但是可访问控制单元装置。
当前示出的功率控制特征可以由存储在存储器13中并且包括指令14的至少一个计算机程序引起，当在处理器11中执行时，使处理器通过至一个或多个激光器单元12的相应输出控制信号适应性地控制激光束的功率密度。存储器13还可以存储影响处理器的功率控制的各种参数15，诸如定义不同中心和/或环形光束轮廓的参数集以及可由操作者调节的不同切割轮廓和程序。
控制单元装置可以包括用户界面UI 16。UI可以包括例如显示器、键盘、触摸屏中的至少一者。控制单元可以被布置成至少部分地基于用户输入来控制功率密度，例如基于关于工件的用户输入来调整功率密度关系。控制单元10还可以连接到一个或多个传感器17，诸如监测激光切割操作的前进的传感器和/或检测正在加工的工件的性能的传感器。控制单元10还可以包括其他单元，诸如发送器和接收器，其被配置为根据至少一个蜂窝或非蜂窝标准发送和接收信息。
根据第一方面，根据被切割工件的厚度，所述第一输出激光束或中心光束1的功率密度与所述第二输出激光束或环形光束2的功率密度之间的关系。
根据一些实施例，当第一工件比第二工件更薄时，第一工件的中心光束1的功率密度相对于环形光束2的功率密度的比例控制成高于第二工件。换句话说，相对更多的功率针对中心光束1被控制用于切割更薄的材料，而相对更多的功率针对环形光束2被控制用于更厚的材料。
通过应用本公开的特征并应用最佳功率密度以及中心和环形光束之间的关系以用于不同的工件厚度，可以实现各种优点。优点是可以提高切割质量。由于形状和光束截面积的不同，由多芯光纤的内芯提供的中心光束1可以产生比环形光束2更好的光束质量，并因此可以被控制以提供非常好质量的切割表面区域以用于切割薄材料和工件或用于在切割厚材料时冲孔。对于较厚的材料，由于外芯的环状强度分布，切割表面的组合加工速度和清洁度可以超过由环形光束产生的稍低的光束质量的缺点。内芯和外芯的功率强度可以通过控制单元10单独调节，并且可以根据工件的当前厚度和可能的一组与切割操作相关的其他参数、通过调节原始激光源的功率来调节。
因此，响应于工件厚度的增加，可以控制环形光束2的功率密度以增加大于中心光束1的功率密度。环形光束2的使用使得能够在被切割的较厚材料的边缘区域中具有良好的吸收，从而有助于良好的切割边缘质量。
控制单元10可以被配置为根据工件的厚度通过特定的功率密度和中心光束与环形光束之间的关系引起工件的冲孔。在一些实施例中，中心光束1和环形光束2均被控制以引起冲孔。在冲孔之后，控制单元可以控制最佳功率密度以及中心光束与环形光束之间的关系以进行切割操作。
控制单元10可以被配置为响应于工件的厚度落在用于关闭环形激光束的预定厚度极限值以下而关闭环形光束。在一些实施例中，极限值选自4至8毫米的范围，在一个实施例中为6毫米。
可以根据被切割的材料来控制中心光束1和环形光束2之间的不同功率密度和关系。已经测试了用于控制中心光束1和环形光束2的功率密度之间的关系的上文示出的实施例具有良好的结果。例如，对于铜，已经检测出，当工件为10毫米或更大时，通过将环形光束功率密度和中心光束功率密度之间的关系控制为约3：1，通过本公开的布置可以实现优异的切割质量。
还存在其他切割参数，诸如切割速度和中心光束和环形光束的直径，其可能影响功率密度的控制以及中心光束1与环形光束2对于不同工件厚度的功率密度关系。这些其他参数可以与本公开的功率控制参数一起控制并且与之相关地控制。
图3示出了在切割操作方向23、24、26中涉及变化22、25的切割操作。根据包括切割操作前进方向23、24、26的变化的预定加工轮廓切割工件21，通常参考工件中加工/切割动作的前进方向的变化。
根据第二方面，控制单元10被配置为响应于接近加工方向23、24、26的变化点22、25而调整中心光束1和/或环形光束2的功率密度，变化点22、25也可以称为转折点。中心光束1和/或环形光束2中的功率密度可以被控制以与激光头相对于工件的运动减慢相关而减小。类似地，在转折点22、25之后，当激光头20在接近转折点之前返回到切割过程时，恢复功率密度。
控制单元10可响应于接近变化点而在预定时段内将环形光束1和/或中心光束2的功率密度降低。在一些其他实施例中，功率控制基于相对于加工轮廓的当前切割位置，即激光头20相对于加工轮廓切割工件的位置，和/或激光头相对于工件的当前速度。这使得能够在激光头可能减速或暂时停止的转折点处保持高质量的切割表面。
在一些实施例中，环形光束2的功率密度可以响应于接近转折点22、25而减小。在一些实施例中，控制单元10可以在转折点处关闭中心光束1，并且在变化点之后接通中心光束1。
控制单元10可以在接近转折点22、25时逐渐降低功率密度。类似地，功率密度可以在转折点之后逐渐恢复。随着加工头20的速度的降低或增加，功率密度可以线性地减小或增加。
在一些实施例中，控制单元10被布置成除了功率密度控制之外或代替功率密度控制，还促使影响复合激光束1、2围绕切割操作中的差异点的其他控制操作。在一个实施例中，控制单元10被配置成在接近变化点22时和/或响应于工件宽度的变化来控制中心光束1和/或环形光束2的调制。例如，控制单元10可以在接近变化点时接通调制。当在转折点之后继续直接切割时，可以控制关于转折点之前的调制的状态或参数。
与加工方向变化相关的当前功率控制特征使得能够补偿激光头在转折点之前减速并且然后再次加速的质量劣化效应。
至少一些本公开的实施例可以应用于冲孔和连续切割应用。在连续切割的情况下，环形光束2的前边缘在激光加工头的移动方向上引起第一强度峰值，而环形光束的后边缘引起第二强度峰值。因此，元件被分阶段加热，并且与单中心或点光束相比，后边缘和前边缘的强度水平可以更低，以引起足够的动作。除了预热之外，前边缘还可以实现污染物消融。这使得能够避免急剧的温度变化并且避免或至少减少随后的回火以及由于急剧的温度变化引起的较弱区域。在连续切割中使用环形光束也有利于避免飞溅。
中心光束1和环形光束2的混合可以通过组合来自始发激光装置的激光束和多芯光纤中的馈送光纤来产生，由此产生的具有中心光束1和环形光束2的复合激光束可以被引导至工件。第一光学馈送光纤可以与多芯光纤的第一芯对准，而第二光学馈送光纤可以与所述多芯光纤的第二芯对准。所述多芯光纤的第一芯具有圆形截面，而第二芯具有与所述第一芯同心的环形形状。以下示出一些其他示例实施例。
在一些实施例中，钥匙孔激光切割与热传导切割结合应用以提供动态适应性中心和环形激光束轮廓。热传导切割适用于切割金属板，通常直到约为2毫米的材料厚度。由能够传导切割的二极管激光器加工的金属板影响相对浅但宽的金属点。通常，这种二极管激光器的额定功率为2kW，并且功率密度远低于0.1MW/cm2。由高亮度激光器、诸如光纤激光器引起的典型钥匙孔图案。对于可如何用这种激光器切割厚金属薄板没有实际限制，但它当然取决于激光束强度和加工速度，即激光束穿过金属表面移动的速度。光纤激光器的额定功率可直到1至10kW或更高，并且功率强度可为数个MW/cm2。例如，钥匙孔的直径可以在小于1毫米的范围内，例如0.1毫米，并且点的直径可以在几毫米的范围内，诸如3毫米。当比较纯钥匙孔切割和通过圆形和环形激光束的混合切割的应用时，已经注意到混合切割穿透比使用相同加工速度的纯钥匙孔切割深至少20％。
图4示出了能够实现独立中心和环形光束功率控制的设备的一个实施例，并且在该设备中，可以应用至少一些上文示出的功率控制特征。高亮度光纤激光器30与光纤32连接到激光束组合器34。同样，一个或多个固态或二极管激光器31与光纤33连接到光束组合器34。通常，单个激光束组合器在本领域中是已知的。在这种情况下，组合器的任务是布置所有进入的激光束，使得它们可以耦合到双芯光纤35。因此，激光器的混合性质是使两个激光束在单个双芯光纤35内传播的结果。光纤35内的两个激光束通常具有不同的亮度和强度分布，甚至可以具有不同的波长。此外，可以通过调节来自光纤激光器30和固态或二极管激光器31的功率电平来独立且连续地控制两个激光束中的功率电平。
为了获得足够的光束亮度，高亮度光纤激光器30可以由二极管泵浦的单或多光纤激光振荡器或主振荡器功率放大器（MOPA）模块组成，每个模块由耦合至例如光纤谐振器的光纤耦合二极管激光器组成。高亮度激光器的其他示例为光纤耦合的薄盘激光器或Nd-YAG激光器，它们用来自二极管激光器的光泵浦。现代激光技术往往依赖光作为能量传递介质，因为许多活性固态光放大材料为绝缘体。二极管激光器取代了以前使用过的闪光灯，因为它们具有更高的效率和更窄的光谱。
激光器31通常为光纤耦合激光器，其也可以包括由二极管激光器泵浦的固态激光器谐振器，诸如薄盘激光谐振器（未示出）。双芯光纤35可以布置成在其中心芯中携带来自光纤激光器30的激光束和在外芯中由一个或多个第二激光谐振器31产生的光束，该外芯在距中心芯的一定距离处围绕中心芯环形布置，参见图6a。显然，并且在本发明的一个实施例中，第一和第二激光器均可以为光纤激光器，每个激光器具有可独立控制的功率电平。一些激光器为通过构造的光纤激光器并且固有地将光馈送到光纤中，其他激光器需要与光纤光学接合以便将激光束对准输出光纤的芯。因此，在一些实施例中，激光器30和31均可以为光纤激光器，在其他实施例中，光纤和固态或二极管激光器或两者的任何组合可以为二极管激光器。激光设备的目的和各个激光器模块的额定功率确定哪种激光器可以连接到光束组合器34。
双芯光纤在其相对端连接到激光加工头20，激光加工头20将组合或复合激光束1、2向前引导至工件21。激光加工头20通常包括准直和聚焦透镜（未示出），以产生从光纤35的端部出现到工件21上的强度分布的图像，其具有如由透镜的焦距确定的期望尺寸。激光头20的任务还可以是向切割线提供加压气体射流。加压气体还保护激光头20内的光学元件免于喷射熔融金属，并且还将其从切割线移除以帮助保持其清洁。在一个实施例中，氧气辅助气体至少与切割前进转折点相关地施加，从而提供额外的能量并且能够在这些点中进一步改善切割边缘质量。
在本发明的一个实施例中，所述设备设有控制单元10。控制单元也可以集成在激光器单元30或31中的一者中。另选地，为了方便和可靠，所有单元30、31和10可以放置在单个壳体中并且在它们的结构中彼此集成。如所指出的，控制单元10可以用于执行环形光束2和中心光束1的轮廓的独立功率控制，并且能够实现动态可调节的环形-中心光束，其可以通过应用至少一些上文示出的特征在运行中调节。控制单元可以被配置为控制激光器单元30、31中的至少一者的调制。优选地，可以分别动态地控制两个激光束的调制。因此，通过相同的设备可以实现各种不同的切割应用和目的。可以动态地调整光束轮廓以适应具有挑战性的切割类型/应用（诸如不同的材料、涂层和/或厚度）的各种需求。
控制单元10可以被布置成接收来自激光头20的用户的反馈36，或者例如来自光强度传感器的自动反馈。然后使用反馈或输入来控制激光器30和31的功率以遵循预定目标，或者根据在工件21处观察到的所得切割结果来调节激光功率。控制单元10或另一控制单元还可以控制设备的其他功能，诸如激光加工头20相对于工件的移动。
根据本发明，光束组合器34由熔融二氧化硅部件制成，其中光功率通过整个组合器结构在熔融二氧化硅内传播，并且组合器在输入和输出处具有光纤。因此，在本发明中，光束组合器34可以称为全玻璃光纤组合器。
在图5中示出了从激光加工头出现到工件21的复合激光束40的结构。环形外环光束42承载由激光装置31提供的激光功率。相应地，内中心光束41承载由光纤激光器装置30提供的激光功率，并且由于其较高的亮度将在工件中产生钥匙孔图案。在光束之间为环形区域43，其仅提供杂散激光辐射或根本不提供激光辐射。
在图6a中示出了示例双芯光纤50的截面，其具有带有主包层54的中心芯51。外芯53由内包层54和外包层55在空间上形成。如本领域技术人员所清楚的，包层被定义为具有低于芯的折射率的折射率的材料。例如，中心芯51的直径可以为70微米，并且外芯53的内径和外径可以分别为100微米和180微米。中心和外围芯51和53也可以采用除上述形式之外的其他形式。例如，中心芯51可以为正方形或矩形。外围芯53也可以具有矩形边界或者由多段线性或圆形形状组成。
用虚线示出了来自光束组合器的熔融馈送光纤56和57（图7中的光纤72和71）的端部的芯可如何与双芯光纤50的截面对准。
双芯光纤50的中心芯51中的激光辐射具有中心和窄的空间强度分布，而外芯53中的强度分布呈圆环形。利用激光头20中的加工光学元件将该空间强度图案进一步成像到工件上。利用这种配置，激光束的光束质量在中心芯和外芯中都相对较高。
现在参考图6b，示出了光学双芯光纤50的示例折射率分布。芯51和53的折射率n51和n53分别高于环绕材料54和55的折射率n54和n55。以这种方式，激光束被引导到工件，其中环形强度分布中的可能劣化以及每个芯中的光功率和强度衰减最小，参见图5。
熔融二氧化硅的折射率可以通过向其掺杂杂质来调节。用锗掺杂熔融二氧化硅致使折射率增加，而用氟掺杂它致使折射率降低。因此，芯51和53可以由Ge掺杂或未掺杂的熔融二氧化硅制成，并且它们的主包层54和55例如由F掺杂的熔融二氧化硅制成。
在图7中示出了光纤组合器34的关键光学元件70。它为多孔毛细管，其具有由熔融二氧化硅玻璃管77组成的主体部分，用于接收由至少两个激光装置的光学馈送光纤71和72（例如装置30和31的光纤32和33）承载的激光束（未示出）的输入端76。它还具有相对的输出端74，其用于输送复合输出激光束，该复合输出激光束包括至少两个在相同方向上彼此对准的激光束。
进入输入端76的光学馈送光纤71、72穿过毛细孔中的所述主体部分延伸到所述输出端74，并与玻璃管77熔合以形成由光导芯71a、72a和环绕玻璃材料组成的部件。芯的折射率高于芯周围的环绕玻璃材料的折射率，以通过全内反射提供光学功率通过整个部件在芯中的传播。
为了示出光纤组合器的原理，芯的尺寸和部件70的尺寸不是按比例的，并且为了清楚起见，仅用虚线示出了一对芯。
光学元件70可以通过例如拉延来制造。在该示例中，在中心处可以存在光纤72的直径约300微米的较大孔和光纤71的对称放置且位于中心孔72周边的四个较小孔。例如，较小的孔可具有约150微米的直径。毛细管的外径可以为1毫米。例如，管的材料可以为熔融二氧化硅。将光纤（其块状玻璃（未示出）的外包层优选至少部分地蚀刻掉）插入中间孔中并推动穿过毛细管锥形的腰部73。当光纤就位时，毛细管70在腰部73处被加热以将光纤熔合到管并形成第一中心光导芯72a和第二光导芯71a，它们均延伸穿过光学部件70。
作为替代，光纤71、72可具有纯熔融二氧化硅材料的内芯和F掺杂二氧化硅的外包层。以这种方式，光学部件70的熔融二氧化硅玻璃管77可以由纯熔融二氧化硅制造，因为光纤的光导芯固有地被具有较低折射率的材料包围。这意味着即使毛细管的折射率与光纤芯中的折射率相同，光也保留在芯71a、72a中。在这种情况下，只要一些F掺杂的包层保留在纯的或Ge掺杂的内部纤芯周围，就可以将块状玻璃的外部光纤包层蚀刻至F掺杂的包层，或甚至更进一步。
然后切断或切割熔融芯71a、72a（用虚线示出）和管70以形成端面74。然后可以在端部74处将类似于图4中所示的双芯光纤35焊接到毛细管，从而产生接缝75。
在优选实施例中，第一光学馈送光纤72的中心与部件70的中心对准，并且例如四个第二光学馈送光纤71的中心被定位在距第一中心光导芯72a的预定距离R处以在输出端74处提供输出光束。应当理解，第二馈送光纤的数量不是这样限制的，而是例如8、16或32而不是4。第二光导芯71a优选地相对于中心芯72a对称地布置，以提供彼此之间具有90°的角距离的输出光束。
本公开的激光切割方法和设备可以应用于各种应用中。在需要为具有不同性质（诸如厚度）的激光切割材料实现优异切割表面质量和/或改变和多形式切割操作的应用中实现了特别的优点。现在可以使用单个切割设备来针对这些不同的特性/要求，从而能够立即适应最佳的切割光束分布。作为一些示例，本系统对于切割汽车工业的需求特别有利。
应当理解，所公开的本发明的实施例不限于本文公开的具体结构、工艺步骤或材料，而是延伸至其等同物，如相关领域的普通技术人员应认识到的。还应当理解，本文采用的术语仅用于描述具体实施方案的目的，而不意图为限制性的。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在各个位置出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指代相同的实施例。
本发明的各种实施例和示例可以参考本文以及其各种部件的替代方案。应当理解，这些实施例、示例和替代方案不应被解释为彼此的实际上的等同物，而是应被视为本发明的单独和自主的表示。
此外，所描述的特征、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。在说明书中，提供了许多具体细节，诸如长度、宽度、形状等的示例，以提供对本发明实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有一个或多个具体细节的情况下或者利用其他方法、部件、材料等来实施本发明。在其他情况下，众所周知的结构、材料或操作未详细示出或描述以避免模糊本发明的各方面。
虽然前述示例在一个或多个特定应用中说明了本发明的原理，但是对于本领域普通技术人员来说明显的是，可以在不执行本发明的能力并且不脱离本发明的原理和构思的情况下对实施方式的形式、用途和细节进行多种修改。因此，除了下面提出的权利要求之外，并不意图限制本发明。

Claims (23)

1.一种激光加工设备，包括：
至少一个第一激光装置（30），每个第一激光装置包括用于传递第一激光束的至少一个第一光学馈送光纤（32）；
至少一个第二激光装置（31），每个第二激光装置包括用于传递第二激光束的至少一个第二光学馈送光纤（33）；
光束组合装置（34），其连接到所述第一光学馈送光纤和第二光学馈送光纤并连接到多芯光纤（35；50），所述多芯光纤具有位于所述多芯光纤的中心的具有圆形截面的第一芯（51）和具有与所述第一芯同心的环形形状的第二芯（53），其中，第一光学馈送光纤与所述第一芯对准，并且所述第二光学馈送光纤在所述环形形状的第二芯的内径和外径之间对准，并且其中，第一和第二光学馈送光纤的每个端部熔合在玻璃管内并且所述玻璃管与所述多芯光纤熔合，其中，光束组合装置（34）由玻璃制成，并且光学功率通过整个光束组合装置结构在玻璃内传播；
所述第一和第二芯可连接到激光加工头（20），以将包括第一输出激光束和第二输出激光束（1、2）的复合激光束（40）从所述激光加工头引导到待切割的工件（21）上，其中，所述第一输出激光束具有圆形截面，并且其中，所述第二输出激光束（2）具有在工件（21）处与所述第一输出激光束（1）间隔开并且与所述第一输出激光束（1）同心的环形截面；以及
控制单元（10），其在功能上连接到所述第一和第二激光装置（30、31），以用于单独控制第一和第二激光装置的功率水平，以根据所述激光加工头相对于所述工件的速度来控制所述第一和第二输出激光束的功率密度，所述第一输出激光束的功率密度高于或低于所述第二输出激光束的功率密度。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备被配置为根据包括切割操作前进方向的至少一个变化的预定加工轮廓来加工所述工件，并且其中，所述控制单元被配置为基于相对于所述加工轮廓的当前切割位置调整所述第一和第二输出激光束（1、2）中的至少一个的所述功率密度。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述控制单元被配置为响应于接近变化点（22）而减小所述第一输出激光束（2）的功率密度。
4.根据权利要求2所述的设备，其中，所述控制单元被配置为在接近变化点（22）时逐渐降低所述第一输出激光束的所述功率密度。
5.根据权利要求2所述的设备，其中，所述控制单元被配置为响应于所述激光加工头接近变化点而关闭所述第一输出激光束（1）并在所述变化点之后接通所述第一输出激光束（1）。
6.根据权利要求2所述的设备，其中，所述控制单元被配置为在接近变化点（22）时和/或响应于所述工件厚度的变化来改变所述第一和第二输出激光束（1、2）中的至少一者的调制。
7.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述控制单元被配置为通过所述第一输出激光束和所述第二输出激光束两者引起所述工件的冲孔。
8.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述控制单元被配置为响应于所述工件的厚度落在用于关闭环形激光束的预定厚度极限值以下而关闭所述第二输出激光束（2）。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述极限值在4至8毫米的范围内。
10.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述控制单元被配置为改变所述第一激光装置和第二激光装置中的至少一者的光脉冲的脉冲宽度和/或频率，以控制所述第一和第二输出激光束中的至少一者的功率密度。
11.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述控制单元被配置为至少部分地基于关于所述工件（21）的用户输入来控制所述功率密度的关系。
12.根据权利要求1或2所述的设备，其中，用于感测所述工件厚度的传感器（17）连接到所述控制单元，并且所述控制单元被配置为基于所接收到的指示所述工件（21）的厚度的传感器输出来调整所述第一输出激光束和第二输出激光束中的任一者或两者的所述功率密度的关系。
13.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述至少一个第一激光装置（30）为光纤激光器。
14.一种用激光束切割工件的方法，包括：
从连接到至少一个第一激光装置（30）的至少一个第一光学馈送光纤（32）提供至少一个第一激光束；
从连接到至少一个第二激光装置（31）的至少一个第二光学馈送光纤（33）提供至少一个第二激光束；
将所述第一和第二激光束组合成多芯光纤（35；50），所述多芯光纤具有位于所述多芯光纤的中心的具有圆形截面的第一芯（51）和具有与所述第一芯同心的环形形状的第二芯（53），其中，第一光学馈送光纤与所述第一芯对准，并且所述第二光学馈送光纤在所述环形形状的第二芯的内径和外径之间对准，并且其中，第一和第二光学馈送光纤的每个端部熔合在玻璃管内并且所述玻璃管与所述多芯光纤熔合，其中，光束组合装置（34）由玻璃制成，并且光学功率通过整个光束组合装置结构在玻璃内传播，
将包括第一输出激光束和第二输出激光束（1、2）的复合激光束从连接到所述多芯光纤（35；50）的激光加工头（20）引导至待切割的工件（21），其中，所述第一输出激光束具有圆形截面，并且其中，所述第二输出激光束（2）具有在工件（21）处与所述第一输出激光束（1）间隔开并且与所述第一输出激光束（1）同心的环形截面；以及
通过控制单元（10）控制第一和第二激光装置的功率水平，以根据所述复合激光束相对于所述工件平移的速度来控制所述第一和第二输出激光束的功率密度，所述第一输出激光束的功率密度高于或低于所述第二输出激光束的功率密度。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述工件（21）根据包括切割操作前进方向的至少一个变化的预定加工轮廓来加工，并且所述第一和第二输出激光束（1、2）中的至少一者的功率密度基于相对于所述加工轮廓的当前切割位置进行调整。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，响应于接近变化点（22），减小所述第一输出激光束（2）的功率密度。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，当接近变化点（22）时，第一输出激光束的所述功率密度逐渐减小。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，响应于激光加工头接近变化点（22）而关闭所述第一输出激光束（1），并且在所述变化点之后接通所述第一输出激光束。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，响应于接近变化点和/或响应于所述工件的厚度变化，改变所述第一和第二输出激光束（1、2）中的至少一者的调制。
20.根据权利要求14或15所述的方法，其中，所述工件的冲孔由所述第一输出激光束和所述第二输出激光束（1、2）两者引起。
21.根据权利要求14或15所述的方法，其中，响应于所述工件（21）的厚度落在用于关闭环形激光束的预定厚度极限值以下而关闭所述第二输出激光束（2）。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述极限值在4至8毫米的范围内。
23.根据权利要求14或15所述的方法，其中，所述第一激光装置和所述第二激光装置中的至少一者的光脉冲的脉冲宽度和/或频率以控制所述第一和第二输出激光束中的至少一者的所述功率密度。
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