CN113543925A - 用于激光加工工件的加工设备及用于激光加工工件的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于在加工区中激光加工工件的加工设备，该加工设备具有：用于加工激光源的接合部，加工激光源用于产生具有传播方向的加工激光束；用于加工激光束的出口开口；以及位于接合部与出口开口之间的光学系统，其中，光学系统具有：调节光学系统的焦距的至少一个光学单元以及具有至少一个可移动表面的至少一个固定的激光束导引装置，其中，至少一个可移动表面能够调节成使得该至少一个可移动表面在至少一个操作模式下改变光学系统的焦距和/或加工激光束随时间积分的光束参数乘积。还提供了一种用于激光加工工件的方法。

Description

用于激光加工工件的加工设备及用于激光加工工件的方法
本发明涉及用于激光加工工件的加工设备、用于激光加工工件的加工设备的用途以及用于激光加工工件的方法。
激光加工设备在激光加工工件时使用，特别是在用于通过激光辐射进行材料的热分离的方法、比如激光切割中使用。在许多情况下，激光加工头用于将加工激光束导引到工件上，例如导引到待加工的板材上。例如，在平板切割系统中，工件通过激光束和气体射流进行加工。加工头构造为切割头并且以最佳方式将两个光束引导至工件。根据工件(材料和厚度)和期望的工艺，不同的激光束可能是最佳的。
大多数适用于高于1kW的中等激光功率的切割头在待加工的工件上具有激光束的不可改变的光学图像。该图像表示折衷。光束可以用于不同的材料以及用于薄工件和厚工件。相反，对于大多数材料和厚度，激光束的刚性光学图像伴随有切割质量和/或进给速率的损失。
近年来，用于激光加工的变焦光学器件已被开发并且用于切割头。通过这些变焦光学器件，成像比、即光学器件的焦距可以在一定范围内改变，特别地根据工件的类型和厚度而改变。在变焦光学器件中，通常可以设定至少两个光学元件，使得加工激光束的焦点的位置平行于加工激光束的传播方向移位。
存在用于激光加工的方法，在所述方法中，进行激光束的光束成形。光束成形可以理解为意味着改变激光束的光束参数乘积和/或改变电磁激光模式的混合和/或改变激光束的功率的横向分布。如EP3412400 A1中所描述的，存在静态光束成形，在静态光束成形中，光束参数乘积被一次或更多(隔离地)单数次地调节。另外，还存在动态光束成形(DBS)，在动态光束成形中，光束参数乘积通过激光束在一段时间内以平均或积分的方式连续动态的运动、例如通过光束振荡而改变。例如，DE102008053397 B4公开了一种用激光束熔切工件的方法，在该方法中，切割前沿的倾斜角通过叠加在进给运动上的激光束的焦点的运动而永久地改变成使得激光束的入射角保持在布鲁斯特角附近的区间内。
在使用动态光束成形的激光加工中，激光束以例如100Hz至10kHz的频率、即以明显高于激光束与材料之间的典型反应时间的频率横跨待加工的工件移动。因此，工件以加工激光束随时间平均或随时间积分的功率分布进行加工。通过动态光束成形，可以产生激光束斑点的几乎任何功率分布和强度分布。IWS、Fraunhofer已经示出了具有动态光束成形的激光切割的优点，参见
https://www.iws.fraunhofer.de/content/dam/iws/en/documents/publications/annual_report_articles/2015/JB-IWS-2015-en-S86-87.pdf。
自适应镜、比如可以从AOS或IOF获得的那些自适应镜可以用于激光束的光束成形。如果镜的表面面积可以彼此独立地快速调节，例如以超过100Hz的频率快速调节，则可以使用此类镜进行静态和动态光束成形。例如，这在WO2018007967 A1中描述。
本发明的目的是提供一种用于激光加工工件的加工设备和方法，该加工设备和方法为加工激光束以及加工激光束的光束成形提供改变焦距的功能，特别是提供变焦功能。
该目的通过根据权利要求1的用于激光加工工件的加工设备、根据权利要求13的加工设备的用途以及根据权利要求14的用于激光加工工件的方法来实现。
在本发明的一个实施方式中，提供了一种用于在加工区中激光加工工件的加工设备，该加工设备特别地用于激光切割，该加工设备特别地为激光加工头，该加工设备具有：用于加工激光源的接合部，加工激光源用于产生具有传播方向的加工激光束；
用于加工激光束的出口开口；以及位于接合部与出口开口之间的光学系统，其中，光学系统具有：
调节光学系统的焦距的至少一个光学单元，以及具有至少一个可移动表面的至少一个固定的激光束导引装置，其中，至少一个可移动表面可以调节成使得该至少一个可移动表面在至少一个操作模式中改变光学系统的焦距和/或加工激光束随时间积分的光束参数乘积。
在加工设备中，由于具有至少一个可移动表面的固定的激光束导引装置，可以用单个部件执行改变焦距的功能、例如变焦功能和光束成形功能。因此，可以实现其中使用了改变焦距的功能和/或光束成形功能的至少一个操作模式。为此目的，至少一个可移动表面可以调节成使得该至少一个可移动表面改变光学系统的焦距和/或加工激光束随时间积分的光束参数乘积。在附加操作模式中，可以使用改变焦距的功能或光束成形功能。为此目的，至少一个可移动表面可以调节成使得该至少一个可移动表面改变光学系统的焦距或加工激光束随时间积分的光束参数乘积。对于另外的附加操作模式，至少一个可移动表面可以调节成使得该至少一个可移动表面不改变焦距或加工激光束随时间积分的光束参数乘积。为此目的，至少一个可移动表面能够调节成使得仅加工激光束被导引、例如被偏转至出口开口。
加工激光束随时间积分的光束参数乘积可以用至少一个可移动表面进行改变。这意味着如果可移动表面仅在空间上被调节，则可以设定光束参数乘积，并且可以进行加工激光束的静态光束成形。如果可移动表面不仅在空间上被调节而且在时间上被调节，即，在一个或更多个时间段的过程中被调节，则可以设定或改变光束参数乘积，并且可以进行加工激光束的动态光束成形。以此方式，可以提供光束斑点的几乎任何强度分布和加工激光束的光束参数乘积。此外，由于改变焦距的功能(变焦功能)和静态和/或动态光束成形的功能是在单个部件中实现的，因此可以实现加工激光束的光束路径的节省空间的布置。另外，为了提供改变焦距的功能和静态和/或动态光束成形的功能，不需要移动或移位整个激光束导引装置。因此，激光束导引装置可以以固定的方式设置在加工设备中。此外，加工设备即使在其构造为加工头的情况下也可以用于加工激光束的高达4kW及以上的功率。
在加工设备的实施方式中，至少一个可移动表面可以借助于至少一个运动装置进行调节。因此，加工激光束可以至少平行于和/或垂直于其传播方向进行移动和/或成形。此外，至少一个可移动表面可以提供激光束导引装置的表面单元，该表面单元的表面几何形状、特别是该表面单元的曲率可以被调节。因此，不仅可以改变加工激光束的发散度和/或可以平行于加工激光束的传播方向对加工激光束的焦点位置进行移位，而且可以至少垂直于加工激光束的传播方向对加工激光束进行成形和/或移动。至少一个可移动表面还可以是可动态调节的。这实现了加工激光束的动态光束成形。
实施方式的激光束导引装置可以具有多个可动态定向的表面。替代性地，激光束导引装置可以具有可动态变形的连续表面。
至少一个可移动表面对于加工激光束可以是至少部分地反射式的和/或可以在加工设备中布置成使得加工激光束被偏转。在一个实施方式中，激光束导引装置可以具有带有多个镜区段的至少一个分段镜，所述多个镜区段中的每个镜区段均是可定向的。根据另一实施方式，激光束导引装置可以具有至少一个可变形镜。同样地，通过这些实施方式，因此不仅可以至少垂直于加工激光束的传播方向实现加工激光束的静态光束成形和/或高度灵活的动态光束成形。也可以平行于激光束的传播方向调节激光束的焦点的位置，特别是实现加工设备的光学系统的焦距的改变，例如变焦功能。
激光束导引装置可以具有选自下述项中的至少一个元件作为可变形镜：可以使用至少一个压电致动器进行调节的镜、双压电晶片可变形镜、基于MEMS的可变形镜和基于音圈的可变形镜。
此外，激光束导引装置、特别是至少一个可移动表面可以布置和构造成使得加工激光束以小于、等于或大于90°的角度偏转。这实现了加工设备的灵活空间配置。
在另外的实施方式中，运动装置具有选自下述项的至少一个元件：压电致动器、电动马达、气动马达、偏心轮、用于产生振荡电磁场的装置、MEMS振荡器、音圈、可静电移动的致动器、其多个项和/或其组合。这实现了加工激光束的高度可变运动和/或高频动态运动。
根据加工设备的实施方式，光学单元可以选自透镜、聚焦透镜、准直透镜、至少一个激光束导引装置中的另一激光束导引装置、自适应镜、其多个项和/或其组合。简单的自适应镜可以用作能够例如借助于其曲率半径仅改变焦距的自适应镜。例如如果光学单元构造为透射光学元件，则光学单元可以平行于传播方向移位。替代性地，例如如果光学单元构造为其反射表面是可移动的反射光学元件，则光学单元可以是固定的。这允许改变光学系统的焦距。
另外，至少一个光学单元可以在传播方向上布置在激光束导引装置的前方和/或后方。例如，聚焦透镜可以在传播方向上布置在激光束导引装置的后方并且/或者准直透镜可以在传播方向上布置在激光束导引装置的前方。
在加工设备中，接合部可以连接或设置有用于产生加工激光束的加工激光源。加工激光源可以提供至少1kW、优选地至少4kW、更优选地1kW与30kW之间、最优选地1kW与25kW之间的激光功率。此外，可以在加工设备中设置用于控制光学单元和/或激光束导引装置、特别是控制运动装置的控制单元。
根据加工设备的实施方式，至少一个可移动表面可以以10Hz与15kHz之间、优选地100Hz与10kHz之间的频率进行调节。因此，可以产生表面的高频动态运动并且由此产生加工激光束的高频动态运动，例如加工激光束的光束振荡或焦点振荡。此外，至少一个可移动表面可以调节成使得该至少一个可移动表面至少垂直于传播方向动态地移动加工激光束。至少一个可移动表面可以调节成使得该至少一个可移动表面动态地移动加工激光束并且产生至少一个焦点振荡，该至少一个焦点振荡具有至少一个振荡幅度和至少一个振荡频率并且具有与二维或三维李萨如图形或者二维或三维李萨如图形的组合对应的焦点振荡路径。
另一实施方式提供了根据前述实施方式中的任一实施方式所述的加工设备的用途，该加工设备用于激光加工工件、特别地用于激光切割。
另一实施方式涉及一种用于使用根据前述实施方式中的任一实施方式所述的加工设备激光加工工件、特别地用于激光切割的方法，该方法包括：使用来自加工激光源的穿过加工设备的出口开口的加工激光束照射工件的加工区，该加工激光源设置在加工设备的接合部处；以及借助于具有至少一个可移动表面的激光束导引装置改变光学系统的焦距和/或加工激光束随时间积分的光束参数乘积。
在该方法中，激光束导引装置、特别是至少一个可移动表面可以至少垂直于传播方向动态地移动加工激光束，以便改变光束参数乘积。这使得能够产生焦点振荡。此外，为了改变光束参数乘积，激光束导引装置、特别是至少一个可移动表面可以动态地移动加工激光束以改变光束参数乘积，并且产生至少一个焦点振荡，该至少一个焦点振荡具有至少一个振荡幅度和至少一个振荡频率并且具有与二维或三维李萨如图形或者二维或三维李萨如图形的组合对应的焦点振荡路径。
通过上述实施方式的用于激光加工工件的方法，可以实现与用于激光加工工件的加工设备的实施方式、特别地与具有相同和/或类似特征的实施方式相同的优点、操作模式和功能。
根据实施方式、附图和从属权利要求的以下描述，进一步的特征和优点变得明显。
在此描述的实施方式的所有非相互排斥的特征可以彼此组合。在以下描述中，实施方式的相同元件被赋予相同的附图标记。一个实施方式的单个或多个元件可以用于其他实施方式而无需进一步提及。现在参照附图使用以下示例更详细地描述本发明的实施方式，但不意在由此进行任何限制。在附图中：
图1示意性地示出了作为根据本发明的实施方式的第一示例的用于激光加工工件的加工设备100；
图2示意性地示出了作为根据本发明的实施方式的第二示例的用于激光加工工件的加工设备200；
图3示意性地示出了作为根据本发明的实施方式的第三示例的用于激光加工工件的加工设备300；并且
图4示意性地示出了作为根据本发明的实施方式的第四示例的用于激光加工工件的加工设备400。
具体实施方式
下面尤其通过具有加工头的示例描述了根据本发明的实施方式的加工设备，但本发明不限于此。根据本发明的实施方式的加工设备和方法还可以在没有加工头的情况下实现。
此外，在此处描述值范围的情况下，具有更窄的替代性或优选范围的宽范围的规格也被认为公开了可以由指定范围下限和指定范围上限的任何组合形成的范围。
术语“随时间积分”或“随时间平均”意味着在一段时间或一时间段内积分或平均。关于焦点振荡，这意味着在至少一个振荡周期内积分或平均，关于光束振荡，这意味着在至少一个振荡周期内积分或平均。
术语激光束的“动态运动”或“动态地移动”激光束以及这些术语的变型意味着激光束以高频、例如以10Hz至15kHz的频率移动。这同样类似地适用于加工设备的“动态地”可移动的、可定向的和/或可调节的元件。
图1示意性地图示了根据本发明的实施方式的用于在加工区13中激光加工工件12的加工设备100的第一示例。
加工设备100具有用于加工激光源16的第一接合部14，加工激光源16用于产生加工激光束15，该加工激光束15在图1中用虚线示出为一个光束。在本示例中，加工设备100构造为加工头，并且加工激光源16的传送纤维设置在第一接合部14处，以用于联接加工激光源。在替代性示例中，加工激光源16可以直接设置在接合部14处。在本示例中，加工激光源16具有约6kW的功率并且产生包括1070nm的波长的光谱范围中的加工激光束。然而，还可以使用具有低于6kW、例如大约1kW的功率或具有高于6kW的功率的加工激光源。
加工设备100具有用于加工激光束15的出口开口18。
具有光学单元20和固定激光束导引装置22的光学系统位于加工设备100内。
在本示例中，光学单元20是透射式的并且布置在激光束导引装置22与出口开口18之间的区域中。光学单元20构造为可以平行于如由图1中的双箭头所图示的加工激光束15的传播方向移位的聚焦透镜。通过移动聚焦透镜，光学系统的焦距可以用光学单元20进行调节。
激光束导引装置22布置在第一接合部14与光学单元20之间的区域中的固定位置中。在本示例中，激光束导引装置22具有反射加工激光束15的表面24。反射表面24布置和对准成使得反射表面24将加工束15反射至光学单元20。反射表面24借助于至少一个运动装置25可以至少部分地动态移动。
激光束导引装置22具有直径为大约50mm的大致圆形的分段镜作为反射表面，其中41个镜区段彼此间隔开并且彼此相邻地布置，从而形成同心图案。每个镜区段均具有金涂层，每个镜区段对于加工激光束15是反射的并且可以借助于运动装置25的压电致动器单独地动态定向。压电致动器根据镜区段的图案布置。在本示例中，这些压电致动器是基于改进的PZT陶瓷的具有120V的典型操作电压的压电致动器。因此，激光束导引装置22提供了反射加工激光束15的分段式总表面，该分段式总表面的表面几何形状、特别是其曲率可以以高度动态的方式进行调节。
在本示例中，运动装置25因此包括用于每个镜区段的可单独控制的压电致动器。在其他示例中，运动装置可以包括选自电动马达、气动马达、偏心轮、用于产生振荡电磁场的装置、MEMS振荡器、音圈以及可静电移动的致动器的多个元件。不同的致动器的组合也可以设置在运动装置25中。
因此，固定激光束导引装置22布置和构造成使得固定激光束导引装置22将加工激光束15偏转至光学单元20并且例如以10Hz与15kHz之间的频率动态地移动加工激光束15。另外，本示例中的激光束导引装置22构造成使得固定激光束导引装置22使加工激光束15准直。
在加工设备100的第一应用中，在需要的情况下，光学单元20的聚焦透镜平行于加工激光束15的传播方向移动，以对光学系统的焦距进行预设。加工激光束15从接合部14被引导到激光束导引装置22的反射表面24上。反射表面24的各个区段通过运动装置25的压电致动器以10Hz与15kHz之间的频率动态地移动，使得表面24的曲率以高度动态的方式调节。这可以在一个或更多个时间段内连续进行。由于区段的运动，反射在区段上的加工激光束15至少垂直于加工激光束15的传播方向动态地移动并且沿光学单元20的聚焦透镜的方向偏转。加工激光束15的高度灵活的光束成形因此至少垂直于加工激光束15的传播方向进行。这产生了焦点振荡。在示例性操作中，产生了下述焦点振荡，该焦点振荡具有至少一个振荡幅度和至少一个振荡频率并且具有对应于二维或三维李萨如(Lissajous)图形或二维或三维李萨如图形的组合的焦点振荡路径。
同时，通过改变表面24的曲率来使加工激光束15准直。以此方式，通过光学单元20设定的光学系统的焦距被改变。加工激光束15偏转到光学单元20的聚焦透镜上、沿出口开口18的方向聚焦和引导。动态移动的加工激光束15穿过出口开口18离开并且撞击工件12的加工区13，即，以明显高于激光束与材料之间的典型反应时间的频率撞击工件12的加工区13。
在上面所提及的示例性操作的情况下，使用加工激光束15在工件12上写入任何李萨如图形。李萨如图形可以存储在加工设备的控制单元的数据库中，该控制单元以对应的方式控制运动装置25的压电致动器。在加工激光束15的动态运动期间，产生了具有小于或等于+/-5mm的振荡幅度、具有10Hz与15kHz之间的振荡频率的焦点振荡，该焦点振荡对应于二维李萨如图形或对应于二维李萨如图形的组合。焦点具有例如至少0.1mm的直径或尺寸。在其他示例中，可以提供直径小于0.1mm的焦点。
由于反射表面24的各个区段的运动，加工激光束15因此形成为平行和垂直于其传播方向。以此方式，光学系统的焦距和移动的加工激光束随时间积分的光束参数乘积被改变。由于表面24的曲率以10Hz与15kHz之间的频率连续地和动态地改变，通过动态光束成形可以提供光束斑点的几乎任何强度分布和加工激光束15的光束参数乘积。加工激光束以明显高于激光束与材料之间的典型反应时间的频率移动。另外，激光束的动态运动由可移动表面24引起，该可移动表面24的材料适用于高功率激光束。为此，加工设备即使在其构造为加工头的情况下也可以用于加工激光的高达4kW及以上的功率。由于表面24的曲率的调节也改变了光学系统的焦距，因此还可以对焦距进行高度灵活的微调。
在加工设备100的第二应用中，与第一应用相反，反射表面的区段在一个或更多个时间段的过程中没有连续地动态移动。相反，表面24的区段并且因此表面24的曲率被调节一次或更多单数次，并且因此表面24的曲率被一次或更多单数次地调节，使得加工激光束15被准直并且通过光束参数乘积的调节而形成为静态地垂直于传播方向的光束簇。以此方式，在激光加工的过程中的开始处和/或在各个期望的次数处设定加工激光束的期望的焦距和期望的静态光束成形。因此，在第二应用中，光学系统的焦距和非动态移动的加工激光束随时间积分的光束参数乘积也被激光束导引装置22改变。用于第一应用的所提及的其他优点以对应的方式应用于第二应用。第一示例的加工设备100的应用可以总结如下：
由于激光束导引装置22被用作如上所述的变焦光学器件，所以加工激光束15被分段镜以期望的可选择的光束发散度偏转。光学单元20的聚焦透镜通过位移被带入到可选择的适当的透镜位置，使得加工激光束的焦点位于加工区13中。激光束被分段镜偏转得越发散，工件12上的光束焦点直径就越小。
如果激光束导引装置22与变焦功能同时用作静态光束成形光学器件，则分段镜的表面24根据期望的像差而采取可适当控制的表面曲率。操作分段镜的致动器越多，表面就可以越随意。在此同样地，聚焦透镜的正确位置确保加工激光束15的聚焦点(焦点)落在工件12上。
如果激光束导引装置22与用于动态光束成形的变焦功能同时使用，则分段镜的表面24以10Hz以上、特别地以100Hz以上的足够高的频率改变，使得工件12上的产生的焦点至少横向于激光束传播进行期望的运动。这种运动可以根据期望进行配置，例如，可以在工件上写入所有可能的李萨如图形，并且改变加工激光束随时间积分的光束参数乘积。在此同样地，光学单元20的聚焦透镜的正确位置确保加工激光束的焦点落在工件12上，其中，光束参数乘积通过动态光束成形进行改变。
在第一应用以及第二应用中，如上所述实现了下述操作模式，在该操作模式中，光学系统的焦距和加工激光束随时间积分的光束参数乘积通过反射表面的区段的调节而改变。在附加操作模式中，光学系统的焦距或仅加工激光束随时间积分的光束参数乘积通过第一和/或第二应用中的镜区段的调节而改变。在另一附加操作模式中，区段调节成使得加工光束被偏转而不改变光学系统的焦距以及光束参数乘积。
在第一示例的改型中，激光束导引装置22具有可变形镜(DM，动态镜)，以便提供可移动的、反射的、连续的表面24。该镜由借助于运动单元25而可动态变形的可变形材料制成的膜形成。在本示例中，膜是具有大约45mm的直径的圆形。运动单元25包括以圆形图案均匀分布在膜的下侧部上的可单独控制的压电致动器。该示例涉及基于改进的PZT(锆钛酸铅)陶瓷的具有120V的典型操作电压的压电致动器。在本示例中，运动单元25中设置有32个压电致动器，通过这32个压电致动器可以单独调节膜的32个单独的平坦区域。膜的顶部覆盖有包含铜的高度反射性的多层介电涂层。因此所提供的可变形的、反射的和连续的表面适用于波长为1060nm至1090nm的高达120kW的激光束。
替代性地，双压电晶片可变形镜、基于MEMS(微机电系统)振荡器或基于MOEMS(微光机电系统)振荡器的可变形镜或基于音圈的可变形镜可以作为可变形镜来设置。例如，双压电晶片可变形镜具有连接至包括两个不同偏振压电层的压电陶瓷板的薄玻璃板。在拐角处，板被保持成使得这些板具有共振特性。玻璃与压电板之间的连接包括导电电极，并且压电板的背部设置有单独的控制电极。在操作中，电压施加至控制电极，控制电极在压电板中产生侧向力，从而导致镜弯曲。例如，在可以基于MEMS或MOEMS变形的镜的情况下，连续的、可移动的电极——该连续的、可移动的电极在未变形状态下是平坦的并且在其暴露于加工激光束15的表面上对于其是反射的——借助于经由静电力平行布置的另一平坦电极的致动器移动。在可以基于音圈变形的镜的情况下，音圈被用作将厚基部平台连接至相对薄的且可变形的玻璃板的致动器。玻璃板与基部平台之间的孔中存在参照板。线圈致动器设置在参照板中。电流产生的交变磁场使线圈致动器偏转。这些线圈致动器使附接至参照板的玻璃板移动。
上面所解释的改型的可变形镜(DM，动态镜)的可移动的、反射的、连续的表面24可以以与先前描述的第一示例的分段镜相同的方式操作。因此，第一示例的改型还能够实现加工激光束的静态和动态运动和成形以及光学系统的焦距的调节。因此，可以以相同的方式执行与针对第一示例所解释的应用和操作模式相同的应用和操作模式，并且可以实现相同的优点。特别地，光学系统的焦距和/或加工激光束随时间积分的光束参数乘积可以借助于激光束导引装置22改变。
图2示出了图1的加工设备的示例性改型。因此，解释了附图例如图1中的相关描述的差异。图2中未示出具有接合部14和出口开口18的壳体。
图2示意性地图示了作为根据本发明的实施方式的第二示例的用于激光加工工件的加工设备200。在图2中的示例中，用于加工激光束15的光学单元20是透射式的并且布置在接合部14与激光束导引装置22之间的区域中。光学单元20构造为能够沿如图2中的双箭头所指示的加工激光束15的传播方向移位的准直透镜。通过移动准直透镜，光学系统的焦距可以用光学单元20进行调节。激光束导引装置22的分段镜的可移动表面24的曲率还可以调节成使得加工激光束15的焦点平行于传播方向移位。在此，激光束导引装置22承担聚焦功能。
根据图2的第二示例的进一步特征、功能和优点对应于图1的示例的那些特征、功能和优点。上面所解释的第一示例的其中设置了具有可移动反射连续表面的可变形镜代替分段镜的改型也可以对于第二示例以相同的方式来实现。在操作中，根据光学装置20的准直透镜的位置，在工件上成像的加工激光束15的放大倍数是不同的。由于激光束导引装置22的分段镜或可变形镜的可移动表面的可任意选择的和/或可变的曲率，激光束导引装置22的分段镜或可变形镜使加工激光束15在一种操作模式下聚焦并聚焦在工件12上，并且另外执行静态或动态光束成形。上述附加操作模式也可以以相同的方式实现。
图2还图示了运动装置25可以以有线或无线数据传导方式连接至控制单元27，以便控制运动装置25。例如，27个李萨如图形可以存储在控制单元的数据库中，并且控制单元可以相应地控制运动装置或各个致动器。这种控制单元27也可以设置在图1、图3和图4的加工设备100、300和400中以及加工设备100、300和400的改型和变型中。
图3示意性地图示了作为根据本发明的实施方式的第三示例的用于激光加工工件的加工设备300。图3示出了图2的加工设备的示例性改型。因此，解释了附图例如图2中的相关描述的差异。图3中未示出具有接合部14和出口开口18的壳体。
与图2中的示例相反，在加工设备300中，光学单元20构造为反射的。提供了固定的、简单的自适应镜30来代替准直透镜20，该自适应镜30的反射表面可以移动和调节成使得其曲率半径被改变。因此，加工光束15的光束路径如图3中所示出地改变。加工设备300因此构造成使得加工激光束15被反射至少两次并且被偏转至少两次，直到加工激光束15撞击工件12为止。在本示例中，简单的自适应镜30是高功率激光镜，其反射式可移动表面32构造为膜，该膜可以通过改变膜的背部上的流体中的压力而以受控的方式变形。简单的自适应镜30的反射表面32不是动态的并且/或者不能以高频移动或变形。在操作中，加工激光束15在镜30处的偏转期间被准直并且被偏转到激光束导引装置22上。激光束导引装置22静态地或动态地形成加工激光束15并且将加工激光束15聚焦在工件12上。该示例性实施方式的优点在于，不存在可移动的和平行于加工激光束15的传播方向移动的光学器件。仅镜以相应的方式变形以用于改变焦点。
图4示意性地图示了作为根据本发明的实施方式的第四示例的用于激光加工工件的加工设备400。图4示出了图1的加工设备的示例性改型。因此解释了附图例如图1中的相关描述的差异。图4中未示出具有接合部14和出口开口18的壳体。
与图1中的示例相反，在加工设备400中，光学单元20构造为反射的。从图1的加工设备100开始，在加工设备400中提供了上述固定的、简单的、自适应镜30来代替聚焦透镜20。加工激光束15的光束路径构造成使得加工激光束15反射至少两次并且在该过程中被偏转至少两次。在操作中，加工激光束15首先撞击激光束导引装置22并且被激光束导引装置22准直并静态地或动态地成形。同时，加工激光束15通过激光束导引装置22偏转到自适应镜30。在那里，加工激光束15聚焦并且偏转到工件12上。在该示例中同样地，没有提供可移动的和平行于加工激光束15的传播方向移动的光学器件。只有用于改变焦点的镜相应地变形。
在参照图3和图4所解释的上述示例中，可以设置另外的激光束导引装置22来代替简单的自适应镜30。上述附加操作模式也可以通过图3和图4的示例来实现。
在所有示例和实施方式中，可以在例如用于使加工激光束15偏转的光学系统中设置附加的透射光学元件(例如透镜)和/或附加的反射光学元件(例如平面镜)。
加工设备的实施方式中的所有实施方式都允许改变加工激光束15的光束参数乘积并且允许使用单个部件、即使用激光束导引装置22来改变光学系统的焦距。通过加工激光束15的静态或动态光束成形来改变光束参数乘积，由此可以提供加工激光束15的光束斑点的有利强度分布和功率分布。
通过示例和实施方式的加工设备，可以实现其中光学系统的焦距和/或加工激光束的光束参数乘积被改变的操作模式。为此目的，至少一个可移动表面可以调节成使得其改变光学系统的焦距和/或加工激光束随时间积分的光束参数乘积。在加工设备的示例和实施方式的附加操作模式中，至少一个可移动表面可以调节成使得其改变光学系统的焦距或加工激光束随时间积分的光束参数乘积。对于另一附加操作模式，至少一个可移动表面可以调节成使得其不改变焦距或加工激光束随时间积分的光束参数乘积。
最后，应当注意的是，本发明的描述以及示例性实施方式不应被理解为在本发明的特定物理实现方面进行限制。结合本发明的各个实施方式所解释和所示出的特征中的所有特征可以在根据本发明的主题中以不同的组合提供，以同时实现其有利效果。
本发明的保护范围由权利要求赋予，而不受说明书中所说明的或附图中所示出的特征的限制。
对于本领域技术人员特别明显的是，本发明不仅可以用于激光加工系统，而且可以用于包括激光器的其他装置。此外，可以生产用于激光加工工件的加工设备的部件，以分布在若干物理产品上。
附图标记列表：
12 工件
13 加工区
14 第一接合部
15 加工激光束
16 加工激光源
18 出口开口
20 光学单元
22 激光束导引装置
24 反射表面
25 运动装置
27 控制单元
30 简单的自适应镜
32 反射表面
100 加工设备
200 加工设备
300 加工设备
400 加工设备

Claims (15)

1.一种用于在加工区(13)中激光加工工件(12)的加工设备，所述加工设备特别地用于激光切割，所述加工设备特别地为激光加工头，所述加工设备具有：用于加工激光源(16)的接合部(14)，所述加工激光源(16)用于产生具有传播方向的加工激光束(15)；
用于所述加工激光束的出口开口(18)；以及
位于所述接合部与所述出口开口之间的光学系统，
所述光学系统具有：
调节所述光学系统的焦距的至少一个光学单元(20)，以及
具有至少一个可移动表面(24)的至少一个固定的激光束导引装置(22)，其中，所述至少一个可移动表面能够调节成使得所述至少一个可移动表面在至少一个操作模式中改变所述光学系统的所述焦距和/或所述加工激光束随时间积分的光束参数乘积。
2.根据前述权利要求中的任一项所述的加工设备，
其中，所述至少一个可移动表面能够借助于至少一个运动装置(25)调节；
并且/或者
其中，所述至少一个可移动表面提供所述激光束导引装置的表面单元，所述表面单元的表面几何形状、特别是所述表面单元的曲率能够调节；并且/或者
其中，所述至少一个可移动表面能够动态地调节。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的加工设备，其中，所述激光束导引装置具有多个能够动态定向的表面；
并且/或者
其中，所述激光束导引装置具有能够动态地变形的连续表面。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的加工设备，
其中，所述激光束导引装置具有带有多个镜区段的至少一个分段镜，所述多个镜区段能够分别定向；并且/或者
其中，所述激光束导引装置具有至少一个可变形镜。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的加工设备，
其中，所述激光束导引装置具有选自下述项的至少一个元件：能够通过至少一个压电致动器调节的镜、双压电晶片可变形镜、基于MEMS的可变形镜和基于音圈的可变形镜。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的加工设备，
其中，所述激光束导引装置、特别是所述至少一个可移动表面布置和构造成使得所述加工激光束以小于、等于或大于90°的角度偏转。
7.根据权利要求2至6中的任一项所述的加工设备，
其中，所述运动装置(25)具有选自下述项的至少一个元件：压电致动器、电动马达、气动马达、偏心轮、用于产生振荡电磁场的装置、MEMS振荡器、音圈、能够静电移动的致动器、其多个项和/或其组合。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的加工设备，
其中，所述光学单元(20)选自透镜、聚焦透镜、准直透镜、至少一个所述激光束导引装置(22)中的另一激光束导引装置、自适应镜(30)、其多个项和/或其组合；并且/或者
其中，所述光学单元能够平行于所述传播方向移位或者所述光学单元是固定的；并且/或者
其中，所述光学单元在所述传播方向上布置在所述激光束导引装置的前方和/或后方。
9.根据权利要求8所述的加工设备，
其中，所述聚焦透镜在所述传播方向上布置在所述激光束导引装置的后方；并且/或者
其中，所述准直透镜在所述传播方向上布置在所述激光束导引装置的前方。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的加工设备，
其中，所述接合部(14)连接至或设置有用于产生所述加工激光束(15)的加工激光源(16)；并且/或者
其中，控制单元(27)设置成用于控制所述光学单元和/或所述激光束导引装置，特别是控制所述运动装置。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的加工设备，
其中，所述加工激光源提供至少1kW、优选地至少4kW、更优选地1kW与30kW之间、最优选地1kW与25kW之间的激光功率。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的加工设备，
其中，所述至少一个可移动表面能够以10Hz与15kHz之间、优选地100Hz与10kHz之间的频率调节；并且/或者
其中，所述至少一个可移动表面能够调节成使得所述至少一个可移动表面至少垂直于所述传播方向动态地移动所述加工激光束；并且/或者
其中，所述至少一个可移动表面能够调节成使得所述至少一个可移动表面动态地移动所述加工激光束并且产生至少一个焦点振荡，所述至少一个焦点振荡具有至少一个振荡幅度和至少一个振荡频率并且具有与二维或三维李萨如图形或者二维或三维李萨如图形的组合对应的焦点振荡路径。
13.一种根据前述权利要求中的任一项所述的加工设备的用途，所述加工设备用于工件的激光加工、特别地用于激光切割。
14.一种用于使用根据权利要求1至12中的任一项所述的加工设备激光加工工件、特别地用于激光切割的方法，所述方法包括：
使用来自加工激光源(16)的穿过所述加工设备的出口开口(18)的加工激光束(15)照射工件(12)的加工区(13)，所述加工激光源(16)设置在所述加工设备(100；200；300；400)的接合部(14)处；以及
借助于具有至少一个可移动表面(24)的激光束导引装置(22)改变光学系统的焦距和/或所述加工激光束随时间积分的光束参数乘积。
15.根据权利要求14所述的方法，
其中，所述激光束导引装置、特别是所述至少一个可移动表面至少垂直于传播方向动态地移动所述加工激光束，以便改变所述光束参数乘积；并且/或者
其中，所述激光束导引装置、特别是所述至少一个可移动表面动态地移动所述加工激光束以改变所述光束参数乘积，并且产生至少一个焦点振荡，所述至少一个焦点振荡具有至少一个振荡幅度和至少一个振荡频率并且具有与二维或三维李萨如图形或者二维或三维李萨如图形的组合对应的焦点振荡路径。
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