CN117733321A - 用于激光加工头的过程监控器 - Google Patents
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Abstract
一种激光加工头传导激光能量来加工工件。光纤输入发射激光能量，内部光学器件将激光能量作为激光束聚焦到相对于加工头上的输出的焦点。光纤输入和内部光学器件之间的中继器引导已经从所述加工过程通过内部光学器件返回到所述中继器的加工光的一部分。内部光学器件的作用将返回的加工光形成为朝向光纤输入的空心会聚锥。中继器位于角空间中，所述角空间位于从光纤输入发射的激光能量的发散锥外部的范围内，诸如在比光纤输入的数值孔径大约10％的数值孔径处。传感器检测引导至其的加工光的所述部分。
Description
背景技术
用于切割或材料加工的激光加工头可以提供10千瓦甚至高达30千瓦的高功率激光束。激光材料加工头通常使用可调整光学器件，诸如变焦光学器件，用于调整激光束的焦点。
在激光材料加工期间，通常使用过程传感器(例如，刺穿传感器)来监控过程。为此，来自加工区的加工光必须到达位于加工头上的过程传感器。然而，感兴趣的加工区可能离光学器件的焦点非常远，因此很难在过程传感器处从加工区获得光。
此外，对于一些激光材料加工应用(例如，利用扫描仪系统的切割应用或远程焊接应用)，可以动态调整焦点位置。在这种情况下，过程传感器处的信号不仅会受到过程变化的影响，而且还会受到激光束的光斑位置的预期调整的影响。
在二维切割头中，切割气体力学与切割头的喷嘴一起使用，以控制朝向待切割工件的切割气体。切割气体力学设计用于使切割气体均匀并最大限度地流向加工区。因此，切割气体力学的尺寸通常接近最大可能的激光束轮廓。出于这个原因，切割气体力学定义了限制孔径，所述孔径限制了哪些加工光可以从加工过程通过切割头反射回来。
用于激光切割头中的过程监控的常见布置使用位于激光切割头内的准直光束中的折叠镜(例如，分色镜)。传感器和光学器件位于折叠镜后面。在这种布置中，传感器与过程的光轴同轴，并且可以监控通过折叠镜的加工光。然而，这种布置需要大量空间并且显著增加了激光切割头的重量。
用于激光切割头中的过程监控的另一种布置也使用折叠镜(例如，分色镜)，但是所述折叠镜在激光切割头内部位于输入光纤和准直透镜之间。该位置的折叠镜将加工光引导至传感器，但所述折叠镜可能需要大量空间。无论如何，由于来自光纤尖端的激光传递通过折叠镜，折叠镜的特性往往会影响激光切割头的光学设计。此外，折叠镜会遇到从输入光纤发出的非常高强度的光。
用于激光切割头中过程监控的另一种布置使用嵌入激光光缆或嵌入激光源本身的传感器来检测反射回来的加工光。在US 2020/0298334中公开了一个示例。这种布置可能很昂贵并且会影响激光源的质量。
本公开的主题旨在克服上述问题中的一个或多个或至少减少上述问题中的一个或多个的影响。
发明内容
本文公开的激光加工头将激光能量传导至对工件的加工过程。所述激光加工头包括光纤输入、可调光学系统、输出和过程监控器。所述光纤输入沿着光轴发射所述激光能量，并且设置在所述光轴上的所述可调光学系统用于将所述激光能量聚焦为激光束。所述可调光学系统包括一个或多个可调光学元件。所述一个或多个可调光学元件中的初始可调光学元件设置在所述光纤输入和所述一个或多个可调光学元件中的任何其他可调光学元件之间。所述输出设置在所述光轴上，所述激光束被配置为通过所述输出传递到焦点。所述过程监控器被配置为感测已经从所述加工过程通过所述可调光学系统的至少一部分返回到感测位置的所述加工光的一部分。所述感测位置设置在所述光轴的侧面，并且位于在所述激光束外部的所述加工光的所述部分中。所述感测位置沿着所述光轴纵向设置，并位于所述光纤输入和所述初始可调光学元件之间。
本文公开的激光加工头将激光能量传导至对工件的加工过程。所述激光加工头包括光纤输入、可调光学系统、输出以及一个或多个传感器。所述光纤输入沿着光轴发射所述激光能量，并且设置在所述光轴上的所述可调光学系统用于将所述激光能量聚焦为激光束。所述可调光学系统包括一个或多个可调光学元件。所述一个或多个可调光学元件中的初始可调光学元件设置在所述光纤输入和所述一个或多个可调光学元件中的任何其他可调光学元件之间。所述输出被配置为将所述激光束传递到焦点。所述一个或多个传感器被配置为感测已经从所述加工过程通过所述可调光学系统的至少一部分返回到感测位置的所述加工光的一部分。所述感测位置设置在所述光轴的侧面，并且位于在所述激光束外部的所述加工光的所述部分中。所述感测位置沿着所述光轴纵向设置，并位于所述光纤输入和所述初始可调光学元件之间。
本文公开的激光加工头将激光能量传导至对工件的加工过程。所述激光加工头包括光纤输入、可调光学系统、输出、中继器和一个或多个传感器。所述光纤输入沿着光轴发射所述激光能量，并且设置在所述光轴上的所述可调光学系统用于将所述激光能量聚焦为激光束。所述可调光学系统包括一个或多个可调光学元件。所述一个或多个可调光学元件中的初始可调光学元件设置在所述光纤输入和所述一个或多个可调光学元件中的任何其他可调光学元件之间。设置在所述光轴上的所述输出被配置为将所述激光束传递到焦点。所述中继器位于所述光纤输入和所述初始可调光学元件之间的感测位置中。所述中继器被配置为引导已经从所述加工过程通过所述可调光学系统的至少一部分返回到感测位置的所述加工光的一部分。所述感测位置设置在所述光轴的侧面，并且位于在所述激光束外部的所述加工光的所述部分中。所述感测位置沿着所述光轴纵向设置，并位于所述光纤输入和所述初始可调光学元件之间。与所述中继器光通信的一个或多个传感器被配置为检测引导至其的所述加工光的所述部分。
本文公开的激光加工方法包括：通过以下方式将激光能量传导至对工件的加工过程：从头部的光纤输入发射所述激光能量，使用所述头部的可调光学系统将所述激光能量聚焦为激光束，并通过所述头部的输出将所述激光束传递到焦点，所述可调光学系统包括一个或多个可调光学元件，所述一个或多个可调光学元件中的初始可调光学元件设置在所述光纤输入和所述一个或多个可调光学元件中的任何其他可调光学元件之间；以及通过检测已经从所述加工过程通过所述可调光学系统的至少一部分返回到感测位置的所述加工光的一部分来监控所述加工过程，所述感测位置设置在所述光轴的侧面并且位于在所述激光束外部的所述加工光的所述部分中，所述感测位置沿着所述光轴纵向设置，并位于所述光纤输入和所述初始可调光学元件之间。
前述发明内容并不意图概述本公开的每个潜在实施方案或每个方面。
附图说明
图1示出了可以使用根据本公开的过程监控器的激光加工头的示例。
图2A示出了具有根据本公开的过程监控器的激光加工头的示意图。
图2B示出了图2A的处于另一个操作状况下的激光加工头。
图3示出了具有所公开的过程监控器的激光加工头的示意图。
图4示出了具有所公开的过程监控器的另一个激光加工头的示意图。
图5示出了具有根据本公开的过程监控器的又一个激光加工头的示意图。
图6A至图6B示出了具有本公开的过程监控器的激光加工头的一部分的示意图。
图7A示出了本公开的具有集光器的过程监控器。
图7B示出了本公开的具有相对反射环的过程监控器。
图7C示出了本公开的具有轮廓化刮刀镜的过程监控器。
图8示出了本公开的具有带反射边缘的孔径板的过程监控器。
具体实施方式
图1示出了可以使用根据本公开的过程监控器40的激光加工头10。激光加工头10用于进行激光操作，例如激光切割、焊接、锡焊、表面处理、触觉钎焊、增材制造工艺等。例如，激光加工头10可以是用于利用所发射的激光束L切割工件WP的激光切割头。
激光加工头10包括容纳可调光学系统30的壳体12。在壳体12的一个端部处的容座或接收器14联接到激光光缆C，所述激光光缆将激光能量传导到加工头10中。激光源(未示出)产生高功率激光，所述高功率激光沿着光纤光缆C传播到容座14。在内部，具有至少一个可调光学元件的可调光学系统30将激光能量聚焦成激光束L，所述激光束L被引导至工件WP以实现切割、钎焊、焊接、增材制造或其他一些激光发射过程。光缆C的光纤可以是单芯或多芯光纤，并且激光束L可以具有任何期望的形状。例如，激光束L可以是环形激光束，诸如用于切割厚材料的应用。
如图所示，壳体12的输出端可以具有喷嘴20，所述喷嘴允许聚焦的激光束L和任何工艺气体在激光操作期间从壳体12发射。同时，激光加工头10可以相对于工件WP移动和/或可以使工件WP相对于其移动。例如，激光加工头10可以通过门架系统、机械臂或本领域中使用的其他设备(未示出)来移动。
为了保护壳体12内的可调节光学系统30，加工头10可以包括保持可更换盖玻片的盖玻片盒18。该盖玻片用作壳体12的内部(具有可调节光学系统30)与外部环境(在工件WP处暴露于激光加工)之间的透明窗口。加工头10的侧面中的检修门允许移除和更换盒18。另一个盖玻片盒16也可以设置在容座14和可调光学系统30之间，以保护可调光学系统30免受污染和碎屑。喷嘴20还保护激光切割头10。
在操作期间，壳体12内部的过程监控器40被配置为监控从加工过程返回的加工光(在激光束L和工件WP的相互作用下)，所述加工光通过壳体12和可调光学系统30返回到过程监控器40。通常，过程监控器40可以位于盖玻片16的任一侧。然而，过程监控器40位于可调光学系统30的任何可调光学元件上方。从这个意义上说，任何光学元件都可以位于过程监控器40上方，只要这些光学元件不可调整和被致动即可。
然后可以基于由过程监控器40检测到的监控加工光来控制激光加工头10。优选地，用于加工头10的过程监控器40在加工头10内部具有小体积，因此过程监控器40仅需要壳体12内的有限空间。此外，过程监控器40优选地不对加工头10强加特定的几何形状，这是在加工头内部使用折叠镜时所需要的。此外，过程监控器40优选地可以与可调光学系统30一起使用并且可以独立于对可调光学系统30的可调光学元件的调整来监控过程。
图2A示出了具有根据本公开的过程监控器40的激光加工头10的示意图，并且图2B示出了图2A的处于另一个操作状况下的激光加工头10。加工头10包括用于激光能量的输入15并且包括用于引导来自加工头10的喷嘴20的激光束L的可调光学系统30。输入15沿着光轴A发射激光能量，并且设置在光轴A上的可调光学系统30被配置为将激光能量聚焦为激光束L，所述激光束从加工头的喷嘴20传递到焦点S。
如图所示，可调光学系统30可以包括一个或多个光学元件32、34，并且用于输出激光束L的喷嘴20可以通过盖玻片19与可调光学系统30分开。如上所述，输入15、可调光学系统30、盖玻片19等设置在加工头10的壳体(未示出)中。同时，喷嘴20从加工头10的壳体延伸以朝向工件WP发射激光束L和任何工艺气体。
通常，可调光学系统30可以包括一个或多个可调光学元件，并且一个或多个可调光学元件的初始可调光学元件设置在光纤输入15和一个或多个可调光学元件中的任何其他可调光学元件之间。过程监控器40被配置为感测已经从加工过程通过可调光学系统30的至少一部分返回到感测位置13的加工光P的一部分。感测位置13设置在光轴A的侧面，并且位于在激光束L外部的加工光P的部分中。感测位置13沿着光轴A纵向设置，并位于光纤输入15和初始可调光学元件之间。
在图2A至图2B所示的本示例中，例如，可调光学系统30包括一个可调光学元件。在加工头10的一些实施方案中，如图2A至图2B的示例中那样，邻近输入15的第一光学元件或透镜32可以是可调整的并且可以通过致动而移动，而朝向加工头10的输出的第二光学元件34是固定的。(图2A至图2B示出了第一可调光学元件32被调整到沿着光轴A的不同位置。)
过程监控器40沿着光轴A位于第一可调光学元件32“上方”或“之前”。特别地，过程监控器40位于感测位置13中，所述感测位置设置在输入15和第一可调光学元件32之间的空间11中。然而，可以使用其他布置。(“上方”、“之前”等只是为了方便描述输入15、元件32、元件34、过程监控器40等沿着加工头10的光路或光轴A的布置和位置。)
在另一个示例中，过程监控器40可以如图3A所示位于第一光学元件33和输入15之间。然而，第一光学元件33可以是固定的，而第二光学元件35可以是可调整的并且可以通过致动而移动。换言之，过程监控器40在图3中仍然位于初始可调光学元件35“上方”或“之前”。事实上，如图4所示，在加工头10的替代布置中，过程监控器40可以位于固定光学元件33和初始可调光学元件35之间。
在图2A至图2B中的加工头20的操作期间，加工头10中的输入15(例如，高功率激光传输光纤)在加工头10中发射高功率激光束L，所述高功率激光束沿着光轴A通过可调光学系统30传递。来自可调光学系统30的激光束L被聚焦以传递通过保护盖玻片19然后到达喷嘴20。激光束L聚焦到聚焦点或焦点S，然后激光束L撞击在工件WP或进行激光操作的一些其他期望的加工区上或附近。根据激光加工过程，焦点S可以位于工件WP处或附近，可以如图2A中那样位于喷嘴20的出口平面中，或者可以位于沿着光轴适合即将到来的加工的一些其他位置。例如，图2B示出了图2A的激光加工头10，其中激光束L聚焦到位于喷嘴20外部的焦点S。
激光加工头10可用于可相对于工件WP在光轴A上调整激光束L的焦点S的激光加工。例如，一个或多个第二可移动透镜元件34允许在Z方向上沿着光轴A调整激光束L的焦点S。通过这种方式，可以将焦点S调整到工件WP的不同轮廓或激光加工所需的不同加工区。可以在加工头10相对于工件WP保持静止时，在加工头10相对于工件WP在X-Y平面内移动时，在加工头10也沿Z方向移动时，或执行此类运动的组合时来执行沿着光轴A的这种调整。
例如，作为激光切割头的激光加工头10使用激光束L对工件WP(诸如不同材料的片材)进行切割操作。激光切割过程需要对切割头10进行精确控制，并且需要对切割头喷嘴20的尖端(激光束L出射的地方)与被切割材料(即工件WP)的表面之间的间隙进行特定控制，以及需要对激光焦点S相对于工件WP的位置进行特定控制。此外，特定的光束形状、激光束L在喷嘴20中的横向分散或放大倍率的变化可能有利于切割特定材料。为此，激光切割头10使用可调光学系统30来控制切割过程。其他传感器，诸如喷嘴20的电容式高度传感器，用于控制切割过程的其他方面。
概括地讲，激光切割头10将高功率激光源(通常为CO2或YAG激光)的能量转换成能够以精确、受控的方式切穿(切断)金属片材WP的激光束L。切割头10可以使激光束L传递通过一系列透镜32、34，这些透镜将激光束L聚焦到尺寸适合切割过程的焦点S。聚焦的光束被引导通过切割头10的喷嘴20并朝向要切割的材料片材WP。
同时，伴随气体(通常是氮气或氧气，有时称为切割或工艺气体)也与激光束L一起从喷嘴20输送到工件WP的表面。切割气体的作用是帮助熔化过程(例如，“氧燃料燃烧过程”)或帮助将熔化的材料从工件WP吹走。例如，切割气体可以将材料从喷嘴20吹走并向下穿过切割切口，因此材料从工件WP的底部喷出。同时，喷嘴20通常位于距工件WP特定距离处，以实现适当的切割并避免熔融材料污染喷嘴20和切割头10。
为了监控这样的激光加工过程，加工头10包括过程监控器40，如图2A至图2B、图3和图4所示，其包括至少一个光学传感器60。在本示例中，中继器50位于光纤输入15和可调光学系统30的初始可调光学元件之间的感测位置13中。在图2A至图2B中，例如，中继器50位于光纤输入15和初始可调光学元件32之间的感测位置13中。在图3中，中继器50位于光纤输入15和光学元件33之间的感测位置13中，使得中继器50仍位于初始可调光学元件35“上方”或“之前”。在图4中，中继器50位于光学元件33和可调光学元件35之间的感测位置13中，使得中继器50仍位于初始可调光学元件35“上方”或“之前”。
中继器50将加工光P的该部分引导至至少一个传感器60，所述至少一个传感器与中继器50光通信并且被配置为检测被引导至其的加工光P的该部分。在图2A至图2B以及图3中，中继器50可以是至少一个反射器，诸如刮刀镜，位于光纤尖端15和加工头10中的可调光学系统30的第一光学元件(32或33)之间的空间11中。在图4中，中继器50可以是至少一个反射器，诸如刮刀镜，位于加工头10中的可调光学系统30的光学元件(33和35)之间的空间11中。如果空间11有足够的空间，则至少一个传感器60可以直接位于适当的感应位置13，而不需要使用中继器50。
该空间11通常被限制在加工头10的壳体内部。空间11可以不具有任何特定的形状，并且可以简单地包含在加工头10的壳体中空闲或可用的任何正常三维区域，传感器或反射器可以定位在所述区域中，以查看返回的加工光P的光束锥的特定角空间。可用于定位中继器50的空间11位于光纤输入15和透镜元件32之间的激光束L的发散锥的外部。在一般意义上，图2A至图2B以及图3中的该可用空间11是受周围的壳体的内部尺寸和形状限制的角形或锥形体积或区域。在图4中，该可用空间11是受周围的壳体的内部尺寸和形状限制的圆柱形的体积或区域。
作为刮刀镜的中继器50优选地由具有高反射涂层的金属材料构成。至少一个光学传感器60可以包括一个或多个光电二极管、红外相机、高速相机、光谱仪、高温计或其他类型的光学传感元件，以检测返回的加工光P的特性(例如，强度)。
从加工过程反射的加工光P通过可调光学系统30传播回到中继器50，所述可调光学系统对加工光P具有可逆的光学效应。因此，中继器50看到在发射的激光束L周围成像的返回加工光P的空心圆锥或圆柱的至少一部分。暴露于空心圆锥或圆柱的该部分对于大多数感测操作来说已经足够了，但是中继器50和过程监控器40的其他部件可以具有更精细的布置来感测或多或少的围绕加工光P的圆锥或圆柱的完整360度环。无论可调光学系统30的实际设置如何，加工光P的空心圆锥或圆柱对于在第一光学元件32的输入15之间发射的激光束L将始终具有相同的相对尺寸(数值孔径)。因为加工头10中的所有孔径必须设计得稍微过大，使得由可调光学系统30产生的最大可能光束可以不受阻碍地传递通过加工头10，加工光P的这个圆锥或圆柱也将始终不受阻碍。
如上所述，用于引导加工光P的中继器50位于可调光学系统30的任何可调光学元件或透镜“上方”、“之前”或“光束上向”的空间11中的感测位置13中，并且稍微邻近激光束L位于加工光P的路径中。如上所述，可调光学系统30包括一个或多个光学元件或透镜——其中至少一个是可调的。过程监控器40使用传感器60来监控系统30的任何初始可调光学元件的“上方”、“之前”、“光束上向”等的加工光P。如果初始可调光学元件是系统30中朝向加工头30输出的最后一个元件，如图4中那样，则过程监控器40使用传感器60在便于在该元件的上游或上方实施的任何感测位置13监控加工光P。这个感测位置13可以如图2A至图2B中那样正好在可调光学元件32的上方，或如图3中那样正好在可调光学元件35上方。如果之前有任何不可调的光学元件，则感测位置13可以在沿着光轴A的任何合适的位置，如图3或图4中那样。
然而，默认感测位置13是在第一光学元件上方的上部空间11中，如图2A、图2B和图3中那样。因为加工光P基本上均匀地朝向加工头10传输，所以在该上部空间11中将始终存在加工光P。可调光学系统30对激光束L的所有操纵在加工头10中发生在该上部空间11下方。因此，加工光P也将反向地经历可调光学系统30的相同操纵。过程传感器60将始终看到以相同方式返回的加工光P，即作为围绕激光束L的发散光锥的会聚光锥。因此，传感器60可以看到沿着激光束轮廓在工件WP的材料处/材料内返回的加工光P。
如上所述，过程传感器60可以是光电二极管、红外相机、高速相机、光谱仪、高温计或其他类型的光学传感元件以检测和测量入射到其上的加工光P的特性(例如，强度)。连接到传感器60的控制器62可以基于检测到的加工光确定切割(或另一过程)的一个或多个期望特性。特性可包括强度、波动频率、穿透、切口、缺陷、品质等，并可用于监控激光束L在工件WP处产生的切割(或另一过程)。在一个示例中，控制器62可以使用传感器60的光电二极管来实时确定切割品质，并且控制器62可以使用自适应反馈控制来增加切割速度或改善切割品质。在另一个示例中，控制器62可以检测何时完成刺穿以启动切割过程。
如图2A所示，激光束L的焦点在喷嘴20处或其内部。加工光P由可调光学系统30成像到中继器50(例如，刮刀镜)，所述中继器将加工光P的一部分引导至传感器60。然而，如图2B所示，激光束L的焦点S位于喷嘴20的外部(即下方)。然而，由于可调光学系统30的成像可以颠倒和反转，加工光P将以相同的位置和角度返回到中继器50。
在图2A至图2B以及图3中，中继器50，诸如上述刮刀镜，位于比光纤尖端15的数值孔径(NA)增加的数值孔径(NA)处。在一种配置中，中继器50可以设置为超出光纤尖端15的数值孔径的10％。通过这种方式，中继器50将遇到由可调光学系统30返回的加工光P的会聚锥，所述会聚锥比来自光纤尖端15的激光束L的发散锥大约10％。在一个特定示例中，离开光纤尖端15的激光束L可以具有120mrad的数值孔径(NA)。中继器50(例如，刮刀镜)可以定位成在132mrad(例如，大10％)的数值孔径(NA)处遇到加工光P。通过这种方式，与刮刀镜50通信的一个或多个传感器60可以检测来自孔径角比激光束L大10％的空心圆锥的光。无论可调光学系统30进行任何调整，都可以实现这种成像，因为系统30的光学效应是可逆的。
在图4中，中继器50，诸如刮刀镜，位于比光纤尖端15和固定光学元件33的数值孔径(NA)增加的数值孔径(NA)处。在一种配置中，中继器50可以设置为超出光纤尖端15和固定光学元件33的数值孔径的10％。通过这种方式，中继器50将遇到由可调光学系统30返回的加工光P的空心圆柱，所述空心圆柱比来自光纤尖端15和固定光学元件33的圆柱准直激光束L大约10％。
图5示出了具有本公开的过程监控器40的另一个激光加工头10的示意图。在该示例中，加工头10的可调光学系统30包括复杂的变焦光学系统36，其可调整以改变激光束L的放大率。变焦光学器件36的示例在DE 102011117607和DE 102019108084中公开，它们通过引用并入本文。
变焦光学器件36可以调整激光束L的焦点直径和焦距。根据变焦光学器件36的调整，激光束L可以具有更小或更大的外径。然而，在变焦光学器件36上方的加工光P的空心圆锥具有相同的尺寸(数值孔径)，因为加工光P沿反转方向传播通过可调光学系统30的变焦光学器件36。这允许过程监控器40以与上述类似的方式操作。
图2A至图2B、图3、图4以及图5仅示意性地示出。如受益于本公开将理解的，中继器50(例如，刮刀镜)可以将返回的加工光P的一部分引导至与所示不同的方向上。特别地，中继器50(例如，刮刀镜)可以引导加工光P的该部分，使得它不与发射的激光束L交叉。
此外，可以使用过程监控器40的其他布置。中继器50可以集成到加工头10中的其他部件中，特别是孔径中。如果空间允许，可以不使用中继器(例如，反射器、镜子等)，而传感器60可以直接位于空间11中的感测位置13处以监控加工光P。
如上所述，中继器50(例如，反射器、镜子等)不是必需的。相反，如果空间11允许，过程监控器40的传感器60可以放置在适当的位置。例如，图6A示出了具有本公开的另一个过程监控器40的激光加工头10的示意图。在这种配置中，过程监控器40包括一个或多个传感器60，所述一个或多个传感器位于角空间11中并直接设置在返回的加工光P的空心圆锥的路径中。这种布置可以消除对如在其他配置中那样的反射器或刮刀镜的需要。
通常，过程监控器40可使用中继器50，诸如反射器、刮刀镜、光学玻璃纤维或其他类型的中继器部件，以在放置传感器60需要远离感应位置13时将感测位置13与传感器60耦合。例如，图6B示出了过程监控器40的又一配置，其中中继器51a是光学玻璃纤维。光学玻璃纤维51a的输入端可以放置在该感测位置13处，并且可以将光学信号中继到传感器60。在最一般的意义上，本公开的过程监控器40包括沿着光束路径的感测位置13和传感器60。
图7A示出了本公开的过程监控器40的另一个实施方案。在这种配置中，过程监控器40使用集光器51b进行中继以将加工光成像到一个或多个过程传感器60。集光器51b可以由光学玻璃或其他合适的材料构成。入射到集光器51b的底表面的加工光P可以在内部在其相对的顶表面和底表面之间朝向布置在集光器51b的边缘的一个或多个传感器60反射。
图7B示出了本公开的过程监控器40的另一个实施方案。在这种配置中，过程监控器40使用相对的反射表面或环52a至52b进行中继以将加工光成像到一个或多个过程传感器60。环52a至52b可以由金属构成并且可以在它们面对的表面53上具有高反射涂层。下环52b具有比上环52a大的开口54。入射到上环52a的加工光可以在两个环52a至52b的相对表面53之间朝向布置在环52a至52b的边缘处的一个或多个传感器60反射。
图7C示出了本公开的过程监控器40的替代方案。在这种配置中，过程监控器40使用轮廓化刮刀镜55进行中继以将加工光成像到一个或多个过程传感器60。轮廓化刮刀镜55是截头圆锥形的并且具有反射表面56，所述反射表面可以围绕允许传递通过其中心的激光束(L)的圆周。传感器60可以位于不同的圆周位置，以检测从刮刀镜55的反射表面56的相对部分反射的加工光(P)的部分。尽管未必描绘，但传感器60径向朝向刮刀镜55的中心感测。对于这种配置，刮刀镜55可以是单片刮刀镜或者可以是单独的镜子部分。该刮刀镜55的反射表面可被加工成加工头10的壳体的一部分，使得其刮刀镜55的独立元件在制造期间不需要处理和组装。
图8示出了本公开的过程监控器40的又一个实施方案。在这种配置中，加工头(10)包括孔径板70，所述孔径板可以由合适的金属材料构成并且可以被冷却。孔径板70在其中包括用于激光束L通过的孔径72。板70上的孔径72的内圆周旨在防止来自光纤尖端15的杂散光传递到可调光学系统(30)。
作为孔径板70的一部分或作为单独的元件，刮板58具有用于将加工光P的至少一部分反射到过程监控器40的一个或多个传感器60的内边缘59。该刮板58可以由合适的金属材料构成并且可以在限定角度的内边缘59的至少一部分上具有高反射涂层。刮板开口的内边缘59可以设置为超过有效数值孔径增加约10％。在这种情况下，有效数值孔径不是来自输入15的激光束的数值孔径。相反，有效数值孔径由孔径72本身定义，因为该孔径72应该已经是系统中的最小孔。
以上对优选实施方案和其他实施方案的描述并不旨在限制或约束申请人所构想的发明概念的范围或适用性。受益于本公开将理解，根据公开主题的任何实施方案或方面的上述特征可以在所公开主题的任何其他实施方案或方面中单独或与任何其他描述的特征组合使用。
Claims (24)
1.一种用于将激光能量传导至对工件的加工过程的激光加工头，所述激光加工头包括：
光纤输入，其沿着光轴发射所述激光能量；
可调光学系统，其设置在所述光轴上并且被配置为将所述激光能量聚焦为激光束，所述可调光学系统包括一个或多个可调光学元件，所述一个或多个可调光学元件中的初始可调光学元件设置在所述光纤输入和所述一个或多个可调光学元件中的任何其他可调光学元件之间；
输出，其设置在所述光轴上，所述激光束被配置为通过所述输出传递到焦点；以及
过程监控器，其被配置为感测已经从所述加工过程通过所述可调光学系统的至少一部分返回到感测位置的加工光的一部分，所述感测位置设置在所述光轴的侧面并且位于在所述激光束外部的所述加工光的所述部分中，所述感测位置沿着所述光轴纵向设置，并位于所述光纤输入和所述初始可调光学元件之间。
2.根据权利要求1所述的激光加工头，其中所述过程监控器包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器位于所述光纤输入和所述初始可调光学元件之间的所述感测位置中并且被配置为感测所述加工光的所述部分。
3.根据权利要求1所述的激光加工头，其中所述过程监控器包括：
中继器，其位于所述光纤输入和所述初始可调光学元件之间的所述感测位置中，所述中继器被配置为引导所述加工光的所述部分；以及
一个或多个传感器，其与所述中继器光通信并且被配置为检测引导至其的所述加工光的所述部分。
4.根据权利要求3所述的激光加工头，其中所述中继器包括反射器、镜子或光学玻璃纤维。
5.根据权利要求3所述的激光加工头，其中所述中继器包括刮刀镜，所述刮刀镜设置成相对于所述光轴成一定角度。
6.根据权利要求5所述的激光加工头，其中所述刮刀镜设置在从所述初始可调光学元件朝向所述光纤输入会聚的所述加工光的会聚锥中。
7.根据权利要求6所述的激光加工头，其中所述刮刀镜限定截头圆锥形状。
8.根据权利要求3所述的激光加工头，其中所述中继器包括：
板，其设置在所述光纤输入和内部光学器件之间，所述板限定孔径，从所述光纤输入发射的所述激光能量的发散锥通过所述孔径传递到所述内部光学器件；以及
所述板的反射部分，其设置在所述孔径处并且被配置为将加工光的所述部分引导至所述一个或多个传感器。
9.根据权利要求3所述的激光加工头，其中所述中继器包括相对的第一表面和第二表面，所述相对的第一表面和第二表面被配置为将所述加工光的所述部分在它们之间朝向所述反射器的边缘反射；并且其中所述一个或多个传感器设置在所述反射器的所述边缘处并且被配置为检测被引导至其的所述加工光的所述部分。
10.根据权利要求3所述的激光加工头，其中一个或多个传感器选自由光电二极管、红外相机、高速相机、光谱仪和高温计组成的组。
11.根据权利要求1所述的激光加工头，其中所述光纤输入具有第一数值孔径；并且其中所述感测位置设置在第二数值孔径处，所述第二数值孔径大于或等于所述光纤输入的所述第一数值孔径。
12.根据权利要求11所述的激光加工头，其中所述第二数值孔径比所述第一数值孔径大至少10％。
13.根据权利要求1所述的激光加工头，其中所述可调光学系统包括：
可移动透镜元件，其作为所述初始可调光学元件，邻近光纤尖端设置在所述加工头中；以及
固定透镜元件，其在所述加工头中设置在所述可移动透镜元件和所述输出之间。
14.根据权利要求1所述的激光加工头，其中所述一个或多个可调光学元件包括变焦光学系统。
15.根据权利要求1所述的激光加工头，其中所述输出包括喷嘴。
16.一种用于将激光能量传导至对工件的加工过程的激光加工头，所述激光加工头包括：
光纤输入，其沿着光轴发射所述激光能量；
可调光学系统，其设置在所述光轴上并且被配置为将所述激光能量聚焦为激光束，所述可调光学系统包括一个或多个可调光学元件，所述一个或多个可调光学元件中的初始可调光学元件设置在所述光纤输入和所述一个或多个可调光学元件中的任何其他可调光学元件之间；
输出，所述激光束被配置为通过所述输出传递到焦点；以及
一个或多个传感器，其被配置为感测已经从所述加工过程通过所述可调光学系统的至少一部分返回到感测位置的加工光的一部分，所述感测位置设置在所述光轴的侧面并且位于在所述激光束外部的所述加工光的所述部分中，所述感测位置沿着所述光轴纵向设置，并位于所述光纤输入和所述初始可调光学元件之间。
17.根据权利要求16所述的激光加工头，其中所述一个或多个传感器以一定角度设置在邻近从所述光纤输入发射到内部光学器件的所述激光能量的发散锥的空间中。
18.根据权利要求17所述的激光加工头，其中所述一个或多个传感器设置在从所述初始可调光学元件朝向所述光纤输入会聚的所述加工光的会聚锥中。
19.根据权利要求17所述的激光加工头，其中所述光纤输入具有第一数值孔径；并且其中所述一个或多个传感器设置在第二数值孔径处，所述第二数值孔径大于所述光纤输入的所述第一数值孔径。
20.根据权利要求19所述的激光加工头，其中所述第二数值孔径比所述第一数值孔径大至少10％。
21.一种用于将激光能量传导至对工件的加工过程的激光加工头，所述激光加工头包括：
光纤输入，其沿着光轴发射所述激光能量；
可调光学系统，其设置在所述光轴上并且被配置为将所述激光能量聚焦为激光束，所述可调光学系统包括一个或多个可调光学元件，所述一个或多个可调光学元件中的初始可调光学元件设置在所述光纤输入和所述一个或多个可调光学元件中的任何其他可调光学元件之间；
输出，其设置在所述光轴上，所述激光束被配置为通过所述输出传递到焦点；
中继器，其位于所述光纤输入和所述初始可调光学元件之间的感测位置中，所述中继器被配置为引导已经从所述加工过程通过所述可调光学系统的至少一部分返回到所述感测位置的加工光的一部分，所述感测位置设置在所述光轴的侧面并且位于在所述激光束外部的所述加工光的所述部分中，所述感测位置沿着所述光轴纵向设置，并位于所述光纤输入和所述初始可调光学元件之间；以及
一个或多个传感器，其与所述中继器光通信并且被配置为检测引导至其的所述加工光的所述部分。
22.一种激光加工方法，其包括：
通过以下方式将激光能量传导至对工件的加工过程：从头部的光纤输入发射所述激光能量，使用所述头部的可调光学系统将所述激光能量聚焦为激光束，并通过所述头部的输出将所述激光束传递到焦点，所述可调光学系统包括一个或多个可调光学元件，所述一个或多个可调光学元件中的初始可调光学元件设置在所述光纤输入和所述一个或多个可调光学元件中的任何其他可调光学元件之间；以及
通过检测已经从所述加工过程通过所述可调光学系统的至少一部分返回到感测位置的加工光的一部分来监控所述加工过程，所述感测位置设置在所述光轴的侧面并且位于在所述激光束外部的所述加工光的所述部分中，所述感测位置沿着所述光轴纵向设置，并位于所述光纤输入和所述初始可调光学元件之间。
23.根据权利要求22所述的方法，其中检测已经从所述加工过程通过内部光学器件返回到所述光纤输入和所述内部光学器件之间的角空间的所述加工光的所述部分包括：
用位于所述光纤输入和所述内部光学器件之间的所述角空间中的反射器反射所述加工光的所述部分；以及
用与所述反射器光通信的一个或多个传感器感测所述加工光的反射部分。
24.根据权利要求22所述的方法，其中检测已经从所述加工过程通过内部光学器件返回到所述光纤输入和所述内部光学器件之间的角空间的所述加工光的所述部分包括：用位于所述光纤输入和所述内部光学器件之间的角空间中的一个或多个传感器感测所述加工光的所述部分。
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| PB01 | Publication | ||
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