CN113226624A - 用于激光加工的方法和用于执行该方法的激光加工系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于通过激光加工系统(100)激光加工工件(1)、特别是激光切割工件(1)的方法，包括：通过激光射束(10)将刺入孔(2)刺入所述工件(1)；在所述刺入进程期间通过至少一个光学测量射束(13)测量所述刺入孔(2)的当前刺入深度；和在所述刺入进程期间基于当前刺入深度调设所述激光加工系统(100)的至少一个过程参数以用于调节刺入进程。

Description

用于激光加工的方法和用于执行该方法的激光加工系统

技术领域

本发明涉及一种用于激光加工系统的设备、一种具有该设备的激光加工系统、和一种用于运行激光加工系统的方法。本发明特别是涉及具有光学相干干涉仪的激光切割头。

背景技术

在用于借助激光进行材料加工的设备中，譬如在用于激光切割的激光加工头中，由激光光源或激光导送纤维的一末端出来的激光射束借助射束引导光学器件和聚焦光学器件聚焦或集束到待加工的工件上。按标准地，使用具有准直光学器件和聚焦光学器件的激光加工头，其中，激光光线经由光纤(也被称为激光源)供应。

在激光材料加工的范畴内，可进行激光射束在工件中的刺入过程(Einstechprozess)。对于激光切割，所述刺入过程存在于实际的切割过程之前。在所述刺入过程中，在所述工件中生成初始孔，该初始孔作为切割过程的起点。所述刺入过程的持续时间是加工过程效率的关键因素。

为了改善刺入过程，譬如从文献DE 11 2014 006 885 T5中公开了一种用于形成刺穿(Durchstich)的激光加工方法，其方式是，借助激光射束照射工件并且从刺穿开始切割工件。所述方法包括：用于形成刺穿的第一刺穿进程，形成盲孔，所述盲孔从所述工件的上表面延伸至中心区域；用于冷却工件的冷却进程；用于刺穿直至工件的下表面的第二刺穿进程；用于切割工件的切割进程。然而，该过程效率并不最优，因为刺入进程的持续时间进而过程效率譬如与工件的特性相关。特别是，同一类型的工件可能具有这样的制造允差，这些制造允差影响到刺入进程的持续时间进而影响过程效率。

发明内容

本发明的任务是，提出一种用于激光加工系统的设备、一种具有该设备的激光加工系统和一种用于运行激光加工系统的方法，本发明能够改善刺入进程的效率。本发明的任务特别是在于缩短在切割过程之前到工件中的刺入进程的时间。

该任务通过独立权利要求的主题解决。本发明有利的构造方案在从属权利要求中给出。

根据本发明的实施方式提出了一种用于激光加工系统(特别是激光切割头)的设备。所述设备包括光学测量装置，所述光学测量装置设置用于：在刺入进程期间，在使用至少一个光学测量射束的情况下，对借助激光射束在工件中生成的刺入孔的当前(或瞬时)刺入深度进行确定，所述设备还包括控制装置，所述控制装置设置用于：在刺入进程期间，基于当前刺入深度，对所述激光加工系统的至少一个过程参数进行调设(einstellen)。

根据本发明，在刺入进程的任意时刻可已知刺入深度。可基于当前刺入深度有针对性地调设(或调节)所述激光加工系统的至少一个过程参数。由此可进行所述刺入过程(和譬如穿孔识别)的内联调节(Inline-Regelung)，通过这种方式可最小化所述刺入过程的持续时间、可优化所述刺入孔的品质、和/或可最大化过程稳定性。譬如，所述刺入孔的品质可由沉积在工件上侧上的材料隆起部的数量和形状和/或由所述刺入孔沿着传播方向的直径来确定。通过这种内联调节可这样调设一个或多个过程参数，使得所述材料隆起部的数量和形状和/或所述刺入孔的直径满足预先确定的品质标准。

所述光学测量装置优选设置用于：在所述刺入进程期间，不断地(或持续地)测量刺入深度。所述控制装置可设置用于：在所述刺入进程期间，基于持续测得的刺入深度，不断地(或持续地)调设或调节所述至少一个过程参数。在此，在一时间段或在所述刺入进程的整个持续时间上，能够以按时间分辨的方式持续地测量所述刺入深度。同样，所述至少一个过程参数的调设或调节可相应在所述时间段或在所述刺入进程的整个持续时间上进行。

所述设备(譬如所述光学测量装置或所述控制装置)优选还设置用于：确定所述刺入深度s(t)的变化率ds/dt(即刺入深度变化)。所述控制装置可设置用于：基于所述刺入深度s(t)的变化率ds/dt，对所述至少一个过程参数进行调设。通过确定或记录这种变化率ds/dt，可分析所述刺入过程的效率(譬如关于当前材料排出方面)。

所述刺入过程的持续时间可与所述刺入深度的变化率ds/dt相关，所述持续时间可被定义为激活所述激光射束至刺穿所述工件的时间段。譬如，所述刺入深度s(t)的变化率ds/dt可随着所述刺入孔的深度增加而减小。这原因可能在于：激光射束在所述刺入基底上可耦入的强度随着刺入深度s(t)的增加而降低。此外，所述刺入深度s(t)的变化率ds/dt可直接反映出过程效率。根据本发明，在所述刺入进程期间的任意时刻可已知当前刺入深度s(t)和优选所述变化率ds/dt，由此可更有针对性地适配和调节所述激光加工系统的一个或多个过程参数。

优选地，所述控制装置还设置用于：将所述刺入深度s(t)的变化率ds/dt与(譬如预先确定的)阈值进行比较，以便基于该比较来确定是否能够以当前经调设的过程参数实现对所述工件的刺穿。所述阈值特别是能够给出从何时开始就无法再以当前的过程参数来实现材料穿透。

在一些实施方式中，所述控制装置可设置用于：当确定了无法以当前经调设的过程参数来实现工件的刺穿时，中断所述刺入进程，或者将所述至少一个过程参数调设为至少一个预先定义的值。如果所述变化率ds/dt达到该定义的阈值，那么可譬如调用针对这种情况设计的调节算法。替换地，可中断所述刺入过程和/或向操作者输出报错信息。在中断所述刺入过程之后，所述刺入过程可自动在所述工件上的另一位置重新开始。

优选地，所述设备还设置用于：识别所述激光射束对所述工件的刺穿。譬如，当所述光学测量装置不再接收到从所述刺入孔的基底(或底部)反射的光学测量射束时，则可识别到刺穿。也可基于所述变化率ds/dt来确定(或识别)刺穿。

优选地，所述控制装置设置用于：在识别到刺穿之后，在所述工件上进行激光切割进程。譬如，刺穿的时刻能够以通讯方式传给所述控制单元并且直接和无迟疑地开始随后的切割过程。为了所述切割过程，所述激光切割头可沿着所述工件运动，以便形成切割轮廓。

优选地，所述控制单元设置用于：基于在所述激光射束刺穿所述工件的某个时刻的刺入深度，确定所述工件的厚度(或材料厚度)。这个信息可譬如以通讯方式传给所述控制单元。基于此，所述控制单元可针对随后的切割过程自动地选择正确的过程参数，这些过程参数可譬如与材料厚度相关。补充地或替换地，这个信息可被用于在额定材料厚度与实际材料厚度之间进行(譬如自动化地)比较。如果存在偏差，那么可譬如向机器操作者(或机器控制部)输出报错信息，以便能够尽早地对材料厚度中的偏差做出反应。

优选地，所述控制装置设置用于：在所述刺入过程期间，离散地、连续地、或者离散与连续相结合地调设所述至少一个过程参数。譬如，针对所述刺入深度或变化率ds/dt可确定多个值范围，其中，针对多个值范围中的每个值范围配属相应的离散的过程参数。在另一示例中，可持续地根据当前刺入深度或变化率ds/dt调设所述至少一个过程参数。在另一示例中，可在所述刺入过程的持续时间上进行离散与连续相结合的调设。譬如，可针对所述刺入深度或变化率ds/dt的至少一个第一值范围进行离散地调设，而针对所述刺入深度或变化率ds/dt的不同于所述至少一个第一值范围的至少一个第二值范围进行连续地调设。

优选地，所述激光加工系统的至少一个过程参数选自以下各项组成的组：至少一个脉冲参数、激光功率、激光射束的焦点位置、激光射束的焦点直径、过程气体组分、过程气体压力、激光加工系统的喷嘴与工件的表面之间的喷嘴间距。所述至少一个脉冲参数可选自以下各项组成的组：脉冲长度、脉冲周期持续时间和脉冲峰值功率。其它脉冲参数可从所提及的脉冲参数中得出。

在借助激光辐射切割金属材料时，通常可与所述激光射束一起将来自所述切割头的过程气体朝向所述工件。为了该目的，可在所述激光加工系统的激光加工头上安装切割喷嘴，通过所述切割喷嘴将所述激光辐射和过程气体朝向待加工的工件。所述过程气体可以是惰性介质(譬如氮气N₂)或反应气体(譬如氧气O₂)。所述至少一个过程参数可包括所述过程气体的组分和/或所述过程气体的压力。通过有针对性地调设所述过程气体的组分和/或压力，可改善所述刺入进程的品质并减少所述刺入进程的持续时间。

优选地，所述光学测量装置包括相干干涉仪(且特别是短相干干涉仪)，或者所述光学测量装置是相干干涉仪(且特别是短相干干涉仪)。所述相干干涉仪(光学相干断层扫描仪OCT)可被用于测量不同的过程参数，譬如：刺入进程中的刺入深度、激光切割时与所述工件的间距、和/或表面形貌。

优选地，所述设备设置用于：在所述激光加工头(或所述激光加工系统的喷嘴)与所述工件的表面之间的间距基本上恒定的情况下进行所述刺入进程。所述喷嘴可以是切割喷嘴，所述激光射束(和可选地还有过程气体)从所述切割喷嘴出来。所述光学测量装置可设置用于：基于所述间距和所述刺入位置上的当前测量值来确定当前刺入深度。所述间距可包括在所述刺入进程开始之前所求取到的起始测量值。所述光学测量装置可设置用于求取所述起始测量值。譬如，一旦所述切割光学器件达到其用于所述刺入过程的X-Y-Z最终位置，那么所述光学测量装置可在所述刺入进程开始之前进行校准测量(譬如借助所述相干干涉仪进行间距测量)用于求取所述起始测量值。替换地，所述激光加工头(或所述喷嘴)与所述工件表面之间的间距能够是已知的，或者基于所述控制单元的用于调设间距的设定信号来求得。在所述刺入期间使用所述间距以及所述当前测量信号，可求得当前刺入深度s(t)。所述当前测量信号可譬如包括所述光学测量射束在所述刺入位置上的反射。所述光学测量装置可设置用于：将当前测量信号转化成当前测量值。所述当前测量值可相当于所述刺入位置上的间距。

优选地，所述设备替换地或附加地设置用于：在所述激光加工头(或所述激光加工系统的喷嘴)与所述工件的表面之间的间距随时间发生改变的情况下进行所述刺入进程。换言之，所述间距可在所述刺入过程期间(譬如动态地)变化。所述当前刺入深度可基于参照所述工件表面的当前间距以及基于所述光学测量装置在所述刺入位置上相应的当前测量值来确定。换言之，能够同时确定所述当前间距和相应的当前测量值。在此，要么可测量所述当前间距，要么可基于用于调设所述当前喷嘴间距的当前设定值来确定所述当前间距。譬如，所述光学测量装置可设置用于求取所述当前间距。

在一种实施方式中，除了譬如包括短相干干涉仪的光学测量装置之外，可附加地使用间距传感器单元，所述间距传感器单元譬如电容式地、电感式地、光学地或通过其它方式测量所述喷嘴尖部与所述工件上侧之间的间距。这两种测量信号(即所述间距传感器单元的喷嘴间距信号和所述光学测量装置的相应的测量信号)譬如以通讯方式传给所述控制单元，所述控制单元又可(譬如数学地)求得当前的(或瞬时的)刺入深度。

替换地或附加地，所述光学测量装置可设置用于：将第一光学测量射束朝向刺入位置，而将第二光学测量射束朝向所述工件的表面。于是，所述设备可设置用于：借助于所述第一光学测量射束在所述刺入孔的刺入基底上的第一反射以及借助于所述第二光学测量射束的第二反射来确定当前刺入深度。譬如，所述光学测量装置可包括至少一个光学元件，该光学元件设置用于：将所述光学测量射束分裂成两个子射束。第一子射束可朝向所述刺入位置(或所述刺入基底)。第二子射束可作为另一参考值譬如朝向所述工件上侧。这两个子射束可相互交叠，或者与来自所述光学测量装置的参考臂的射束交叠，以便求得当前绝对的刺入深度。这既可用于距工件表面的喷嘴间距恒定的情况，也可用于该喷嘴间距发生变化的情况。

优选地，所述光学测量装置设置用于：将所述至少一个光学测量射束在相对于所述光学测量射束的轴线垂直的至少一个方向上引导经过所述工件的表面。所述光学测量装置可设置用于：借助所述至少一个光学测量射束在两个彼此垂直的方向上扫描所述工件的表面。换言之，能够对测量点进行动态定位。优选地，所述光学测量装置设置用于：借助所述至少一个光学测量射束对所述工件表面进行形貌测量。为此，所述光学测量装置可求得所述工件表面的刺入位置和围绕所述刺入位置周围的区域上的测量数据(譬如高度数据或间距数据)。

所述设备可以特别是设置用于获取所述刺入孔的几何特征数据，也即进行几何表征。这种几何表征可包括二维或三维的表征。二维表征可譬如涉及所述刺入孔的直径或者围绕所述刺入孔周围的材料附着部及隆起部的延展尺寸。三维表征也可包含高度数据或高度信息，譬如所述材料附着部或隆起部的高度、孔深度、围绕所述刺入孔周围及其上的表面的形貌。所述刺入孔的几何表征可直接反映所述刺入过程(或所述刺入孔)的品质(譬如入射侧上的直径、材料附着部、材料隆起部等)。这种几何表征譬如能够得出关于所述刺入孔在所述入射侧(工件上侧)上的直径的信息。获悉所述直径，又能够实现所述直径与可譬如通过先前试验所求取到的期待的切割间隙宽度之间的额定-实际-比较。对所述直径进行确定和/或将所述刺入孔的直径与预给定的值进行比较，这能够在进行实际的刺入与进行轮廓切割之间实现。如果所述刺入孔的直径小于所述轮廓的期待的切割间隙宽度或这二者大小相同，那么所述刺入过程可直接在所述轮廓上进行。也就是说，如果所述刺入孔的直径小于所述轮廓的期待的切割间隙宽度或这二者大小相同，那么所述轮廓切割可直接在刺入位置上开始。

优选地，所述光学测量装置将所述至少一个光学测量射束在所述刺入进程期间和/或在所述刺入进程之后动态地引导经过所述工件表面。换言之，这种几何表征可在刺入到所述工件中的过程期间(过程中/内联)和/或在刺入到所述工件中之后(过程后)进行。

优选地，所述控制设备设置用于：基于所述刺入孔的几何表征，针对后续的刺入进程调设至少一个过程参数。特别是，所述刺入孔的几何表征能够对后续的刺入过程实现优化，以便对后续刺入过程的刺入孔通过譬如基于自学习系统(机器学习)来适配过程参数而在品质方面进行改善。补充地或替换地，品质信息可(譬如借助HMI接口)告知机器操作者。由此，操作者能够在需要时干涉正在进行中的过程并采取校正措施(譬如将射束集聚、检验喷嘴是否损坏或诸如此类)。

优选地，所述设备(且特别是所述光学测量装置或所述控制装置)设置用于：确定所述刺入孔的直径。所述控制装置可设置用于：将所述直径与(譬如预先确定的)阈值进行比较。所述控制装置可以在所述激光射束刺穿所述工件之后并且在切割进程之前这样地操控所述激光加工系统，使得：如果确定了所述直径等于或小于所述阈值，那么所述激光射束增大所述刺入孔的直径。通过获悉所述直径，可譬如以几何方式评估是否存在可切割的刺入孔。如有必要，可在实际的切割过程之前有针对性地在射束入射部位上且沿着所述刺入孔将所述刺入孔增大至额定直径，以便有利于所述切割过程的能量耦入。由此可提高过程可靠性。

根据本发明的另一方面提出了一种激光加工系统。所述激光加工系统包括具有激光设备的加工头和前述根据本发明的设备，所述激光设备设置用于：将所述激光射束偏转至工件的加工区域。

所述激光加工头可具有一个或多个光学元件。在此，所述激光加工的所有光学元件都可以是起反射作用的光学器件。替换地，所述激光加工头的所有光学元件都可以是起透射作用的光学器件，或者这些光学元件可以既包括起透射作用的光学器件，也包括起反射作用的光学器件。优选地，所述激光加工头包括至少一个光学元件，所述至少一个光学元件可以参照光学轴线移动，以便对所述激光射束的焦点位置和/或所述至少一个光学射束的焦点位置进行调设。所述至少一个光学元件可以包括透射和/或反射光学器件，并且可以包括如下构件或可以是如下构件：譬如透镜、透镜组、变焦光学器件、镜面光学器件或诸如此类。所述至少一个光学元件可选自以下各项组成的组：用于激光射束的准直光学器件、用于所述至少一个光学测量射束的准直光学器件、聚焦光学器件，或者由此组成。所述聚焦光学器件可以是用于所述激光射束和所述至少一个光学测量射束的共用聚焦光学器件。这些光学器件可以是透镜或透镜组，或者可包括透镜或透镜组。

优选地，所述激光加工系统设置用于加工厚度为至少10mm(且特别是至少15mm)的工件。本发明的实施方式可用于所有材料厚度，并且特别是对于刺入较大的材料厚度(≥10mm)是有利的。在材料厚度较大时，所述刺入过程可譬如持续几秒，并由此在实际切割过程上具有较大的时间份额。通过缩短所述刺入进程的持续时间，可减少加工过程的整体持续时间，并由此提高过程效率。

根据本发明的另一方面提出了一种用于激光加工(特别是用于激光切割)的方法。所述方法包括：借助激光射束给工件刺入一刺入孔；借助至少一个光学测量射束在刺入进程期间测量所述刺入孔的刺入深度；在所述刺入进程期间基于当前测得的刺入深度调设所述激光加工系统的至少一个过程参数。所述方法能够实现根据本发明的设备针对激光加工系统的各个方面。

根据本发明的另一方面描述了一种软件(SW)程序产品。这种软件程序产品可设置用于在处理器上运行，并借此通过这种方式执行本发明描述的方法。

根据本发明的另一方面描述了一种存储介质。所述存储介质可包括软件程序产品，这种软件程序产品设置用于：在处理器上运行，并借此通过这种方式执行本发明描述的方法。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出并在下文中详述。附图示出：

图1示出了根据本发明的实施方式的激光加工系统；

图2示出了根据本发明的其它实施方式的激光加工系统；

图3示出了根据本发明的其它实施方式的激光加工系统；

图4示出了根据本发明的其它实施方式的激光加工系统；

图5示出了根据本发明的其它实施方式的激光加工系统；

图6A和6B示意性地示出了根据本发明的实施方式的刺入过程以及对刺入深度的确定；

图7(a)至7(c)示出了根据本发明的实施方式的刺入深度以及刺入深度变化率的定性曲线；

图8示出了根据本发明的实施方式的激光加工系统的过程参数的定性曲线；和

图9(a)和9(b)示出了根据本发明的实施方式的为了获取几何特征数据而进行的测量点定位。

在下文中，只要未做其它说明，给相同的和作用相同的元件使用相同的附图标记。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的实施方式的激光加工系统100。所述激光加工系统100可包括激光切割头101。

所述激光加工系统100包括用于提供激光射束10(也被称为“加工射束”或“加工激光射束”)的激光设备110和根据此处描述的实施方式的设备。所述设备包括光学测量装置200，所述光学测量装置200设置用于：在刺入进程期间，在使用至少一个光学测量射束13的情况下，确定出借助所述激光射束10在工件1中所生成的刺入孔2的刺入深度。所述设备还包括控制装置300，所述控制装置300设置用于：在所述刺入进程期间，基于当前测得的刺入深度，调设所述激光加工系统100的至少一个过程参数。

这种可通过激光控制设备115控制的激光设备110设置用于：将所述激光射束10转到所述工件1的加工区域。所述激光设备110可具有用于将所述激光射束10准直的准直透镜120。在所述激光焊接头101内部，所述激光射束10通过合适的光学器件(譬如射束偏转器130)转向约90°而朝着所述工件1的方向。

在一些实施方式中，所述激光射束10和所述至少一个光学测量射束13可以至少区段地同轴，并且可以特别是至少区段同轴地交叠。譬如，所述激光射束10和所述至少一个光学测量射束13可通过所述射束偏转器130基本上同轴地被引导通过所述切割光学器件进入到加工区域。所述光学测量射束13和所述激光射束10的汇聚可在所述准直光学器件210之后以及在聚焦光学器件220之前进行。优选地，所述射束偏转器130针对所述激光射束10的波长是反射的，而针对所述至少一个光学测量射束13的波长是透射的。

所述光学测量装置200可包括相干干涉仪(或相干断层扫描仪)或者可以是相干干涉仪(或相干断层扫描仪)。所述相干断层扫描仪典型地包括准直光学器件210和所述聚焦光学器件220，所述准直光学器件210设置用于将所述至少一个光学测量射束13准直，所述聚焦光学器件220设置用于将所述至少一个光学测量射束13聚焦到所述工件1上。所述聚焦光学器件220可以是针对所述激光射束10以及针对所述至少一个光学测量射束13的共同的聚焦光学器件(譬如聚焦透镜)。

在典型的实施方式中，所述准直光学器件210和所述聚焦光学器件220集成到所述切割头101中。所述切割头101可譬如包括集成到所述切割头101中的或安装在所述切割头101上的准直模块。

在此所描述的用于测量刺入深度的原理能够是基于光学相干断层扫描这样的原理：这种光学相干断层扫描在干涉仪的辅助下充分利用了光的相干特性。所述相干断层扫描仪可包括具有宽带光源(譬如超辐射发光二极管，SLD)的分析处理单元240，所述分析处理单元240将测量光线耦入到光波导体242中。在优选具有光纤耦合器的分束器244中，所述测量光线被分裂成参考臂246和测量臂，所述测量臂通过光波导体248引入到所述切割头101中。

所述准直光学器件210用于将从所述光波导体248出来的测量光线(光学测量射束13)准直。根据一些实施方式，所述至少一个光学测量射束13可在所述切割头101中与所述激光射束10同轴地交叠。接下来，所述激光射束10和所述至少一个光学测量射束13可通过聚焦光学器件220被聚焦到所述工件1上，所述聚焦光学器件220可以是共用的透镜或聚焦透镜。

所述至少一个光学测量射束13可被转到所述工件1中的刺入孔中。从所述刺入孔(并且特别是从所述刺入孔的底部)反射回来的测量光线通过所述聚焦光学器件220成像到所述光波导体248的出射面/入射面上，这种测量光线在所述光纤耦合器244中与从所述参考臂246反射回来的光线交叠，并且接下来转回到所述分析处理单元240中。这种经交叠的光线包含关于所述参考臂246与所述测量臂之间波长差别的信息。这些信息在所述分析处理单元240中基于相干干涉法(或短相干干涉法)进行分析处理，由此，使用者获得关于所述刺入孔的底部与参考物(譬如所述切割头101)之间间距的相关信息。接下来，参见图6A和图6B进一步阐释对刺入深度的确定方式。

为了能够特别是在厚的材料区域中内联地(也就是实时地)测量总体刺入深度，在一些实施方式中设定了：在所述刺入过程期间，所述干涉仪的测量范围的追踪。为此，可譬如动态地移动(或调整)所述参考臂246的长度。替换地，所述参考臂246可包括相应于不同测量范围的多个参考级别。

针对所述激光射束10和/或针对所述至少一个光学测量射束13，所述激光加工系统100可以包括至少一个光学元件，所述至少一个光学元件设置用于对所述激光射束10(或所述至少一个光学测量射束13)的焦点位置进行调设。所述至少一个光学元件可以在相应射束的发散区域中沿着光学轴线可移动，以改变焦点位置。在图1中示例性地示出了可沿着相应光学轴线移动的准直透镜120和准直光学器件210。在此，可共同地或彼此独立地改变所述激光射束10和所述至少一个光学测量射束13的焦点位置。

参照光学轴线，对所述光学元件进行调节/移动以改变焦点位置，这可电动地、手动地或者电动与手动相结合地进行。譬如，所述激光射束10的焦点位置能够以电动的方式可调设，并且所述至少一个光学测量射束13的焦点位置能够以手动的方式可调设。

所述控制装置300设置用于：在刺入进程期间，基于通过所述光学测量装置200实时测得的刺入深度来调设所述激光加工系统100的至少一个过程参数。所述控制装置300可与所述激光设备、所述激光光学器件、所述激光源和所述测量系统中的至少一个进行通讯，以便能够调节所述刺入过程。所述控制装置300可譬如与所述激光控制设备115相连接，以调设所述激光设备110的脉冲参数和/或激光功率。补充地或替换地，所述控制装置300可与所述加工头101的激光光学器件相连接，以譬如调设所述激光射束10的焦点位置和/或焦点直径。所述控制装置300特别是可输出控制指令，用于使所述准直透镜120和/或所述准直光学器件210沿着相应的光学轴线移动。

所述激光加工系统100或其部分(譬如所述切割头101)可根据实施方式沿着加工方向20可运动。所述加工方向20可以是相对于所述工件1的切割方向。所述加工方向20可以特别是水平方向。所述加工方向20也可被称为“进给方向”。

所述激光加工系统100(并且特别是所述切割头101)在刺入过程期间可以不沿着所述加工方向20运动。换言之，所述激光加工系统100(并且特别是所述切割头101)可以在x-y平面中保持在同一地点。但是，在刺入过程期间，能够使所述切割头101在(譬如竖直的)z方向上运动，以便对所述激光加工系统的喷嘴(未示出)与所述工件1的表面3之间的喷嘴间距进行调设。

图2示出了根据本发明的其它实施方式的激光加工系统。图2的激光加工系统类似于参见图1描述的激光加工系统，在此不重复描述类似的或一致的元件。

在图2的示例中，这样的至少一个光学元件是所述聚焦光学器件220，所述至少一个光学元件设置用于：对所述激光射束10(或所述至少一个光学测量射束13)的焦点位置进行调设。所述至少一个光学元件可以特别是在发生交叠的射束的准直区域中沿着光学轴线可移动。由此可同时改变这两个射束的焦点位置。

图3示出了根据本发明的其它实施方式的激光加工系统。图3的激光加工系统类似于参见图1描述的激光加工系统，在此不重复描述类似的或一致的元件。

在图3的示例中，这样的至少一个光学元件是所述准直光学器件210和所述聚焦光学器件220，所述至少一个光学元件设置用于：对所述激光射束10(或所述至少一个光学测量射束13)的焦点位置进行调设。特别是，可以在所述至少一个测量射束13的发散区域中存在至少一个可移动的光学元件，并且可以在这两个射束的准直区域中存在至少另一可移动的光学元件。通过这种方式，可彼此独立地改变这些射束的焦点位置。

图4示出了根据本发明的其它实施方式的激光加工系统。图4的激光加工系统类似于参见图1描述的激光加工系统，在此不重复描述类似的或一致的元件。

在图4的示例中示出了相对于所述切割光学器件同轴的激光射束10，并且所述至少一个光学测量射束13在侧向上耦入。譬如，所述射束偏转器130可以对于所述激光射束10是透射的，而对于所述至少一个光学测量射束13是反射的。在这种情况下，所有前述用于改变焦点位置的组合也都是可行的。

图5示出了根据本发明的其它实施方式的激光加工系统。图5的激光加工系统类似于参见图1描述的激光加工系统，在此不重复描述类似的或一致的元件。

所述激光加工系统(或所述设备)还在测量射束路径中具有转向系统500，所述转向系统500设置用于：借助所述至少一个光学测量射束13扫描所述工件表面的区域。所述工件表面的区域可包括：所述刺入位置(或所述激光射束朝向的加工位置)以及围绕该位置周围的区域。通过这种方式，所述至少一个光学测量射束13可动态地并独立于所述激光射束10地定位在所述工件1上。所述转向系统500可譬如具有至少一个起反射作用的、绕着至少一个轴线可运动的镜件510。所述镜件510优选绕着两个相互垂直的轴线可运动。所述转向系统500可以特别是扫描系统。在图5中示出了两个可运动的镜件510，这两个镜件510绕着两个不同的相互垂直的轴线X、Y可转动，以便将测量点在平面(X-Y)中任意地定位，譬如图9中示出的那样。对于测量点的这种动态定位，其它实施方式是可行的：譬如包括透射光学元件，或者使所述测量射束的光纤末端移动。

图6A和图6B示出了根据本发明的实施方式对刺入深度s(t)的确定。可使用所述至少一个光学测量射束13通过不同的方式确定当前刺入深度s(t)。在下文中讨论三种选项。但是，本发明不限于此并且可使用其它恰当的方式确定刺入深度s(t)。

参见图6A，在第一种选项中，所述激光加工系统的喷嘴103与所述工件的表面3之间的喷嘴间距d(t)是基本上恒定(d(t)＝const.)。可基于在刺入进程开始之前所求取到的起始测量值和当前测量值来确定当前刺入深度。譬如，在刺入开始之前进行校准测量(譬如以干涉仪进行间距测量)。替换地，所述起始测量值可基于针对所述激光加工头的起始位置的设定值求得，或者由控制单元传递。所述光学测量装置200或所述控制装置300可由这样的测量信号相应于所述喷嘴103距所述刺入孔的底部之间的间距求得测量值，所述测量信号可基于所述光学测量射束的反射得出。因此，借助所述起始测量值和所述刺入孔位置上的测量信号，能够在刺入期间求得当前刺入深度s(t)。

还是参见图6A，在第二种选项中，所述激光加工系统的喷嘴103与所述工件的表面3之间的喷嘴间距d(t)在刺入进程期间发生改变(d(t)≠const.)。换言之，所述喷嘴间距d(t)是可变的。除了所述光学测量系统之外，可使用间距传感器单元，所述间距传感器单元譬如电容式地、电感式地或光学地测量所述喷嘴103与所述工件上侧3之间的间距。这两种测量信号(也就是说所述间距传感器单元的喷嘴间距信号和所述光学测量系统200的测量信号)以通讯方式被传至上一级的控制单元300，所述控制单元300又能够以数学方式求得当前刺入深度。

参见图6B，在第三种选项中，所述激光加工系统的喷嘴103与所述工件的表面3之间的喷嘴间距d(t)同样在刺入进程期间发生改变(d(t)≠const.)。所述至少一个测量射束包括第一测量射束13a和第二测量射束13b。譬如，起始的测量射束可在测量臂中借助至少一个光学元件被分成两个子射束。第一子射束13a朝向刺入基底(或刺入孔的底部)。第二子射束13b作为参考值譬如朝向所述工件表面3。这两个子射束13a和13b相互交叠和/或与来自参考臂的射束交叠。这些子射束13a和13b可相对彼此倾斜地入射到所述工件上(如图6B所示)或者相对彼此平行且间隔开。替换地，所述光学测量射束可具有这样的直径大小，使得所述测量射束既可朝向所述工件表面3，也可朝向所述刺入基底。由所述工件表面3和所述刺入基底的这两种测量信号又可求得当前的绝对刺入深度s(t)。

图7示出了根据本发明的实施方式的刺入深度s(t)和刺入深度s(t)的变化率ds/dt。

在图7(a)中，所述刺入深度s(t)作为时间t的函数示出。在达到确定的刺入深度s(t)时，发生刺穿。可譬如通过不再获得测量信号(或测量射束的反射)来识别所述刺穿。由刺穿时的刺入深度s(t)可譬如推导出所述工件的厚度(或材料厚度)。所述刺入深度s(t)可以特别是在刺穿时相当于所述工件的厚度(或材料厚度)。在识别到刺穿后，可在所述工件上进行激光切割进程，譬如轮廓切割。

在图7(b)中，所述刺入深度s(t)的变化率ds/dt作为时间t的函数示出。当实现刺穿时，所述变化率ds/dt降至0或者不再能够确定。譬如，当所述光学测量装置不再接收到从刺入基底反射的测量射束时，就是这种情况，由此可识别到刺穿。

在图7(c)中，所述刺入深度s(t)的变化率ds/dt作为时间t的函数示出。从预给定的阈值起，无法再以当前的过程参数穿透材料。如果在刺入期间达到或超过该阈值，则所述刺入过程可中断和/或可向操作者输出报错信息。

图8示出了根据本发明的实施方式的激光加工系统的过程参数。

根据本发明，每个时刻t都已知当前刺入深度s(t)。基于当前刺入深度s(t)，内联地调节所述刺入进程的至少一个过程参数。在图8中示出了不同过程参数根据当前的刺入深度s(t)的定性曲线。

所述激光加工系统的至少一个过程参数可譬如选自以下各项组成的组：至少一个脉冲参数、激光功率、激光射束的焦点位置、激光射束的焦点直径、过程气体组分、过程气体压力、激光加工系统的喷嘴与工件表面之间的喷嘴间距。

可在刺入进程期间调设一个、两个或更多个过程参数。这些参数曲线可以是离散的、连续的或混合的。这些参数曲线可随着刺入深度的增加而上升或下降。在图8的示例中，过程参数1离散地(即不连续地)改变，过程参数2连续地改变，并且过程参数3则离散与连续相结合地改变。对这些过程参数的调设同样可以离散地、连续地、或者部分离散且部分连续地进行。

关于示例性的过程参数1，可针对刺入深度s(t)(或替换的是变化率)确定出多个值范围，其中，给这些多个值范围中的每个值范围分别配属于离散的过程参数。

关于示例性的过程参数2，对该过程参数2连续地根据当前的刺入深度(或变化率)调设。譬如，该过程参数可随着刺入深度的增加而连续地上升或下降。

关于示例性的过程参数3，在刺入过程的持续时间期间，进行离散与连续相结合的调设。譬如，可针对刺入深度(或变化率)的至少一个第一值范围进行离散地调设，而针对刺入深度(或变化率)的、不同于所述至少一个第一值范围的至少一个第二值范围进行连续地调设。

图9示出了根据本发明的实施方式的用于获取几何特征数据的测量点定位。在图9(a)中示出了动态的2D测量点定位“过程中”(左)和“过程后”(右)。在图9(b)中示出了1D测量点定位(左)和2D测量点定位/交叉扫描(右)。“测量点”在此表示所述测量射束在所述工件2上的点，所述测量射束在该点上被反射以获得测量信号。

在一些实施方式中获取所述刺入孔的几何特征数据或进行形貌测量，这譬如反映所述刺入孔的直径和所述刺入过程在进入侧上的材料附着部或隆起部5。为此，由所述光学测量装置在所述刺入孔的位置上以及在围绕该刺入孔周围的区域中求得测量值(即高度数据)。这种获取几何特征数据的过程可在所述刺入过程期间(“过程中”或“内联”)或在所述刺入过程之后(“过程后”)进行，如在图9(a)的示例中所示。为此，可使用动态的测量点定位，譬如借助所述测量射束在至少一个方向上(优选在两个相互垂直的方向X和Y上)扫描所述工件表面3。

为了所述测量点定位，可通过转向单元(譬如如图5中所示)在过程中移动(或定位)所述测量点13。所述转向单元可为此包括至少一个镜件，所述镜件绕着相对于所述测量射束的射束轴线垂直的至少一个轴线可运动(或可摆动)。在另一示例中，可在所述刺入过程之后(过程后)移动(或定位)所述测量点13，其方式是，在X-Y平面中相对于所述工件以水平方式移动所述激光加工光学器件，和/或在X-Y平面中相对于所述激光加工光学器件以水平方式移动所述工件。换言之，所述激光加工光学器件可垂直于所述光学器件的光学轴线(或垂直于所述测量射束的射束轴线)移动，以便借助所述测量射束(或测量点13)扫描所述工件表面3。譬如，准直光学器件可在所述测量射束的射束路径中移动，以便相应地移动所述测量射束。

参见图9(b)，为了获取所述刺入孔2(以及可选地所述材料隆起部5)的特征数据，从所述刺入孔2的中心出发，在至少一个空间方向X上，垂直于所述测量射束的射束轴线或者平行于所述工件表面3定位所述测量点13(图9(b)左)。另一示例是：从所述刺入孔2的中心出发，在两个相互垂直的方向(X-Y方向)上进行交叉扫描(图9(b)右)。

在这两个选项中，优选使用相应大量的测量点，以便得到所述刺入孔和/或所述材料附着部和材料隆起部5的几何(特别是三维)形状的足够的分辨率。除此之外，所述测量点13的其它扫描策略也是可行的，譬如绕着所述刺入孔2的中心点以螺旋状进行、以形状“8”进行等等。

根据本发明，采用光学测量装置(特别是短相干干涉仪)用于在刺入过程中以时间分辨的方式获知刺入深度。由此，可在刺入进程的每个时刻已知刺入深度。基于当前的刺入深度，有针对性地调设(或调节)所述激光加工系统的至少一个过程参数。由此进行所述刺入过程(和譬如刺穿识别)的内联调节，通过这种方式可最小化所述刺入过程的持续时间、优化所述刺入孔的品质和/或最大化该过程稳定性。譬如，所述刺入孔的品质可由沉积在所述工件表面上的材料隆起部的数量和形状和/或由所述刺入孔沿着光传播方向的直径来确定。

Claims (18)

1.一种用于借助激光加工系统(100)对工件(1)进行激光加工、特别是对工件(1)进行激光切割的方法，所述方法包括：

-借助激光射束(10)给所述工件(1)刺入一刺入孔(2)；

-在刺入进程期间，通过至少一个光学测量射束(13)测量所述刺入孔(2)的当前刺入深度；和

-在刺入进程期间，基于当前刺入深度，调设所述激光加工系统(100)的至少一个过程参数，用于控制和/或调节刺入进程。

2.根据权利要求1所述的方法，

其中，确定所述刺入深度的变化率，并且

基于所述变化率，调设所述至少一个过程参数。

3.根据权利要求2所述的方法，

其中，将所述刺入深度的变化率与阈值进行比较，并且

基于所述比较，确定是否能够刺穿所述工件(1)。

4.根据前述权利要求任一项所述的方法，

其中，在刺入过程期间，离散地、连续地、或者离散与连续相结合地调设所述至少一个过程参数。

5.根据前述权利要求任一项所述的方法，

其中，所述激光加工系统(100)的至少一个过程参数包括如下参数中的至少一个或者是如下参数中的至少一个：脉冲参数、脉冲长度、脉冲周期持续时间、脉冲峰值功率、激光功率、激光射束(10)的焦点位置、激光射束(10)的焦点直径、过程气体组分、过程气体压力、以及激光加工头(101)与工件(1)的表面(3)之间的间距。

6.根据前述权利要求任一项所述的方法，

其中，基于所述光学测量射束(13)从所述刺入孔(2)的刺入基底的反射，确定刺入深度，并且

其中，基于不再获得从所述刺入基底的反射，识别所述激光射束(10)刺穿所述工件(1)，并且

其中，在识别所述刺穿之后，在所述工件(1)上进行激光加工进程。

7.根据前述权利要求任一项所述的方法，

其中，基于在所述激光射束(10)刺穿所述工件(1)之前最后求得的刺入深度，确定所述工件(1)的厚度。

8.根据前述权利要求任一项所述的方法，

其中，在所述激光加工系统(100)、特别是所述激光加工系统(100)的激光加工头(101)与所述工件(1)的表面(3)之间的间距被预给定为基本上恒定的情况下，在刺入进程期间，基于预给定的间距以及基于当前的测量值，确定当前刺入深度。

9.根据前述权利要求任一项所述的方法，

其中，在所述激光加工系统(100)、特别是所述激光加工系统(100)的激光加工头(101)与所述工件(1)的表面(3)之间的间距随着时间发生改变的情况下，在刺入进程期间，基于当前间距以及基于所述光学测量装置(200)从所述刺入孔(2)的刺入基底获得的当前测量值，确定当前刺入深度。

10.根据权利要求9所述的方法，

其中，借助于间距传感器单元以电容方式、以电感方式和/或以光学方式测量所述激光加工系统(100)、特别是所述激光加工系统(100)的激光加工头(101)与所述工件(1)的表面(3)之间的当前间距。

11.根据前述权利要求任一项所述的方法，

其中，第一光学测量射束(13a)对准所述刺入孔(2)的刺入基底，并且

第二光学测量射束(13b)对准所述工件(1)的表面(3)，并且

借助于第一光学测量射束(13a)和第二光学测量射束(13b)来确定当前刺入深度。

12.根据前述权利要求任一项所述的方法，

其中，在刺入进程期间和/或在刺入进程之后，借助至少一个光学测量射束(13)在相对于激光射束(10)的射束轴线垂直的至少一个方向上扫描所述工件(1)的表面(3)，以便获取所述刺入孔(2)的几何特征数据。

13.根据权利要求12所述的方法，

其中，基于所述刺入孔(2)的几何特征数据，针对后续加工进程或者针对随后的刺入进程，调设或者存储所述激光加工系统(100)的至少一个过程参数。

14.根据前述权利要求12或13所述的方法，

其中，基于所述刺入孔(2)的几何特征数据，确定所述刺入孔(2)在工件表面(3)上的和/或沿着所述刺入孔(2)延伸方向的直径。

15.根据权利要求14所述的方法，

其中，操控所述激光加工系统(100)使得：如果所述直径等于或小于阈值，则借助所述激光射束(10)增大所述刺入孔(2)的直径。

16.根据前述权利要求任一项所述的方法，

其中，对厚度为至少10mm或者至少15mm的工件进行加工。

17.一种用于借助激光射束(10)对工件(1)进行加工、特别是进行切割的激光加工系统(100)，包括：

-具有激光设备(110)的激光加工头(101)，所述激光设备设置用于：将激光射束(10)对准所述工件(1)，以便为了后续加工进程而刺入一刺入孔(2)；和

-光学测量装置(200)，所述光学测量装置设置用于：在刺入进程期间，在使用至少一个光学测量射束(13)的情况下，确定所述刺入孔(2)的当前刺入深度；和

-控制装置(300)，所述控制装置设置用于：在刺入进程期间，基于当前刺入深度，调设所述激光加工系统(100)的至少一个过程参数，用于控制和/或调节刺入进程；

其中，所述激光加工系统(100)特别是设置用于：执行根据前述权利要求任一项所述的方法。

18.根据权利要求17所述的激光加工系统(100)，

其中，所述光学测量装置(200)包括相干干涉仪或短相干干涉仪，或者

所述光学测量装置是相干干涉仪或短相干干涉仪。

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