JP2022517169A - 切断プロセスを監視するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、ワークピースの切断プロセスを監視するための、特に制御するための方法であって、加工処理ビーム、特にレーザビームをワークピースに集束させるステップと、加工処理ビームがワークピースと相互作用する相互作用領域（２２）を含む、ワークピースの監視すべき領域（２１）を検出するステップと、検出された相互作用領域（２２）に基づいて、切断プロセスの少なくとも１つの特徴的パラメータ（Ｌ）、特に、切断プロセス中に形成された切り口（２４）を特定するステップと、を含む方法に関する。本発明によれば、溶融切断プロセスにおいて検出された相互作用領域（２２）に基づいて、切り口（２４）に形成された切断前面の切断前面長さ（Ｌ）が特徴的パラメータとして特定される。本発明は、ワークピース（２）の切断プロセスを監視するための、特に制御するための対応する装置にも関する。

Description

本発明は、ワークピースの切断プロセスを監視するための、特に制御するための方法であって、加工処理ビーム、特にレーザビームをワークピースに集束させるステップと、加工処理ビームがワークピースと相互作用する相互作用領域を含む、ワークピースの監視すべき領域を検出するステップと、検出された相互作用領域に基づいて、切断プロセスの少なくとも１つの特徴的パラメータ、特に切断プロセス中に形成された切り口を特定するステップと、を含む方法に関する。また、本発明は、ワークピースの切断プロセスを監視するための、特に制御するための装置であって、加工処理ビーム、特にレーザビームをワークピースに集束させるための集束装置と、加工処理ビームがワークピースと相互作用する相互作用領域を含む、ワークピースの監視すべき領域を検出するための画像検出デバイスと、検出された相互作用領域に基づいて、切断プロセスの少なくとも１つの特徴的パラメータ、特に切り口を特定するように構成された評価デバイスと、を備える装置にも関する。

レーザ切断プロセスの特徴的パラメータ、例えば差し迫った切断引裂を検出するために用いることができる、レーザ切断プロセスを監視するための冒頭で述べた形式の装置は、本出願人の国際公開第２０１２／１０７３３１号から公知である。差し迫った切断引裂は、そこでは、切断スリットの予め定められたスリット幅を下回った場合に識別される。代替的又は付加的に、観察される切断前面が、良好な切断又は高品質切断の際の切断前面に相当する基準面と比較される。切断引裂は、基準面から特定されたビーム強度が通常切断の場合の目標輝度の限界値を超えた場合にも検出することが可能である。

その他に、国際公開第２０１２／１０７３３１号においては、ワークピースの材料境界面として切断前面上縁部及び切断前面下縁部を検出し、その結果から、ワークピースの厚さを考慮して、レーザ切断プロセスの切断前面角度を特定することが提案されている。切断前面角度が目標値又は目標範囲から外れている場合、これは、切断エラー又は最適でない作業点を示している可能性があり、これらは、例えば切断速度の適合化などの適当な手段によって修正することができる。

切断引裂の一般的な原因は、ワークピースへの不十分なエネルギー入力である。単位長さあたりのエネルギーが過度に少ないと、切断前面の平坦化に、即ち、切断前面角度の拡大につながり、これによって、切断下縁部の溶融物をもはや完全に排出することができなくなり、溶融物が切り口において固化する可能性がある。切断下縁部の閉成は、プロセスの不規則性につながり、これは通常、分離切断を永続的に阻害する。それゆえ、切断スリットの特徴的パラメータを表す切断前面角度は、差し迫った切断引裂の指標となる。

切断ノズルを貫通する同軸方向でのプロセス観察においては、材料境界面の観察の際に、観察領域が切断ノズルの通常円形の内部輪郭によって画定されるという問題が生じる。特に加熱切断プロセスにおいては小さいノズル径が使用されるため、良好な切断であっても、切断前面下縁部がノズル口によって画定される観察領域の外に存在し、切断前面角度を高い信頼性の下で特定することができない。

この問題を解決するために、本出願人の国際公開第２０１５／０３６１４０号においては、レーザビームのビーム軸線に対するある角度での緩慢な観察中に記録された相互作用領域の画像から特定される輝度値又は強度値から、切断プロセスの特性パラメータとしての切断前面角度を逆推論することを提案している。強度値を閾値と比較することにより、良好な切断がもはや存在しなくなる臨界値を切断前面角度が超過していることを推論することができる。

国際公開第２０１６／１８１３５９号からは、レーザビーム軸線に対してオフセットを伴って配置されたカメラを用いて切断前面の上端部及び下端部を検出することが公知であり、ここでは、カメラの監察方向は、切断方向とは逆に後方の切断スリットに向けられている。そのため、切断前面の下端部を検出することができる。このカメラ画像からは、特定の目標値に制御可能な切断前面追従が特定される。

国際公開第２０１２／１０７３３１号 国際公開第２０１５／０３６１４０号 国際公開第２０１６／１８１３５９号

発明の課題
本発明が基礎とする課題は、切断プロセスの特徴的パラメータ、特に、切断プロセス中に形成された切り口の特徴的パラメータを高い信頼性の下で特定することを可能にし、及び／又は、切断プロセスの有利な制御を可能にする、切断プロセスを監視するための、特に制御するための方法及び装置を提供することにある。

発明の対象
この課題は、第１の態様によれば、冒頭に述べた形式の方法であって、溶融切断プロセスにおいて検出された相互作用領域に基づいて、切り口に形成された切断前面の切断前面長さが特徴的パラメータとして特定されることを特徴とする方法によって解決される。

本発明者らは、プロセスゾーンからの、又は、加工処理ビームとワークピースとの相互作用領域からの発光現象の長さを検出することにより、溶融切断プロセスの特徴的パラメータとして、及び、場合によっては溶融切断プロセスのための制御変数として、切断前面長さを特定することが可能であることを認識した。典型的には、この目的のために、監視すべき領域又は相互作用領域の熱画像が記録され、即ち、例えばＮＩＲ／ＩＲ波長領域の波長での溶融切断プロセスの固有光度が検出又は観察されるが、場合によっては、他の波長での監察、例えばＵＶ波長領域の波長での監察も可能である。

１つの変形形態においては、監視すべき領域の検出は、加工処理ビームのビーム軸線に対して実質的に同軸方向に延在する観察ビームパスを用いて行われる。実質的に同軸方向に延在する観察ビームパスとは、観察ビームパスが、ビーム軸線に対して同軸方向若しくは平行に延在すること、又は、加工処理ビームのビーム軸線に対して５°未満の（小さい）角度で延在することを意味するものと理解される。ここでは、加工処理ビームのビーム軸線に対して実質的に同軸方向に延在する監察ビームパスを用いた同軸方向のカメラに基づくプロセス観察による発光現象の検出は、空間分解能を備えた検出器、例えばカメラの軸外配置よりもシステム技術的により簡単に実現可能であることが示された。

好適には、監視すべき領域の検出は、加工処理ビームをワークピースに出射するための加工処理ノズルのノズル開口部を貫通して行われる。加工処理ノズルを通る垂直方向又は（加工処理ビーム若しくはレーザビームのビーム軸線に対して５°未満の角度の）準垂直方向のビューを備えた結像センサ系により、高温の切断前面はプロセス照明として結像され、その長さが測定され、その（目標）長さへの、場合によっては切断プロセスへの制御を行うことができる（以下を参照）。

１つの発展形態においては、切断ガス噴射が加工処理ノズルから噴出する加工処理ノズルのノズル開口部は、少なくとも７ｍｍ、好適には７ｍｍから１２ｍｍまでの間の最大延在長さを有する。さらに、以下においてより詳細に説明するように、比較的大きいノズル開口部有する加工処理ノズルは、溶融切断プロセスの制御されたプロセス管理に有利である。

最大延在長さとは、円形の断面を有する加工処理ノズルの場合、ノズル開口部の直径を意味するものと理解される。ノズルの他の断面幾何形状の場合、最大延在長さとは、ノズル開口部の最長のノズル軸線を意味するものと理解される。楕円形の断面を有するノズル開口部の場合、最大延在長さは、例えば、長手側ノズル軸線の長さである。ノズル開口部の最大延在長さは、ワークピースに面するノズル側で測定される。

さらなる変形形態においては、溶融切断プロセスは、１０バール未満の切断ガス圧力、好適には、１バールを超え１０バール未満の切断ガス圧力、特に好適には、少なくとも２バールから６バール未満の切断ガス圧力で実施される。切断ガスは、加工処理ビームと共に加工処理ノズルのノズル開口部から噴出され、ノズル開口部からの噴出の際、切断ガス圧力は指定値を有する。溶融切断プロセスに使用される切断ガスは、多くの場合、不活性ガス、例えば窒素であるが、例えば、所定割合の酸素成分を含有する混合気も使用可能である。

本出願人の独国特許出願公開第１０２０１６２１５０１９号明細書に記載されているように、切断ガス圧力が比較的小さい場合に、切り口の良好なカバーが可能である、切断ガス噴射用の比較的大きいノズル開口部と組み合わせることにより、著しく高速な進行速度でも、１０乃至２５バールの切断ガス圧を有する従来の一般的な高圧溶融切断プロセスよりも良好な縁部品質を達成することができる。

さらなる変形形態においては、溶融切断プロセスは、切断引裂速度の少なくとも８０％、好適には少なくとも９０％に達する切断速度で実施される。従って、溶融切断プロセスの切断速度は、切断引裂速度よりも２０％未満、好適には１０％未満下方にある。切断品質は、切断引裂限界まで良好に維持され、そのため、切断引裂限界近傍の進行速度において切断することができる。一方、小径のノズルと高い切断ガス圧力を用いた従来の通常の溶融切断プロセス（標準プロセス）においては、進行速度範囲を切断引裂限界まで完全に活用することはできなかった。なぜなら、切断縁部の品質が過度に劣化するからである。切断引裂速度、即ち、切断引裂が起きる速度は、種々のワークピース材料、ワークピース厚さ、及び、レーザ出力ごとに、事前の一連の測定において（実験的に）特定することができる。

１つの変形形態においては、切断前面長さは、相互作用領域の画像から、相互作用領域の切断方向に延在する輪郭断面に沿った２点間の長さとして特定され、そこでは、輝度閾値又は強度閾値を下回る。従って、相互作用領域の始端及び終端を形成する２点間の切断方向の長さに沿って、画像内の発光現象の輝度は、輝度閾値よりも大きい。輝度閾値又は強度閾値は、例えば、画像内の輝度又は強度の基準値に対して相対的に確定することができる。それぞれ測定された強度が関連付けられる又は較正される基準値として、例えば、画像内部の最大強度値を用いることができる。その他に、画像検出デバイスの較正は、基準切断プロセスにおいて、基準切断パラメータを用いて、及び／又は、強度測定値と基準画像検出デバイスの値との比較によって実施することができる。その長さが切断前面長さの特定に用いられる輪郭断面は、通常、切り口内部の中央に延在する。

さらなる変形形態においては、本方法は、切断プロセスの少なくとも１つの設定パラメータに影響を与えることによって、切断前面長さを予め定められた目標長さに制御するステップを含む。本出願の趣旨においては、予め定められた目標長さへの制御とは、一定の目標長さへの制御が行われること、又は、予め定められた目標長さを超えることを防止すること、即ち、制御によって目標長さの超過を防止することを意味するものと理解される。

本発明者らは、切断前面長さが、特に、切断引裂速度に近い切断速度における制御に適していることを見出した。一方、これまでの溶融切断のための標準プロセスにおいては、切断速度は、切断ガス圧力とノズル開口部の直径とに関して上記で指定された条件下において達成される進行速度の約２０～４０％下方にある。標準プロセスにおいて使用される、より遅い切断速度においては、発光現象の長さ又は切断前面長さは、ワークピースへのエネルギー入力に影響を与える切断プロセスの適当な設定パラメータ、例えば、切断速度（進行速度）又はレーザ出力によってごくわずかしか変化せず、そのため、標準的なプロセスにおいては、これらの設定変数又は設定パラメータを用いたプロセス制御は、有利ではない。

さらなる発展形態においては、切断前面長さを制御するための設定パラメータとして、加工処理ビームとワークピースとの間の切断速度（進行速度）及び／又は加工処理ビームの出力が影響を受ける。進行速度の増加に伴う切断前面長さの増加は、進行速度の増加と共に益々顕著になる。そのため、進行速度制御（及びそれに応じた加工処理ビームの出力の制御）は、特に上記においてさらに説明した、切断引裂速度の少なくとも８０％、好適には少なくとも９０％に達する高速な切断速度において可能になる。

これらの高速な切断速度においては、一方では、例えば、保護ガラスの汚染や加工処理ヘッド内の光学素子の加熱などの変化する影響変数は、プロセス結果に大きな影響を与える。切断プロセスは、切断引裂限界の近傍において行われるため、切断ガス圧力が比較的高い従来の標準プロセスよりも切断引裂が発生する可能性は高くなる。他方では、これらのプロセス条件下においては、切断速度（進行速度）及び／又はレーザ出力に依存する発光現象又は切断前面の測定された長さの著しい変化は、設定変数又は設定パラメータとして進行速度及び／又は加工処理ビームの出力を使用する良好な制御変数として使用することができる。進行速度又はレーザ出力の変更を介することにより、簡単な方法により切断引裂を防止することができる。即ち、溶融切断プロセスは、切断引裂から十分な距離をおいて再び十分迅速に案内することができる。このことは、干渉下でのプロセスの堅牢性を保証する。

本発明のさらなる態様は、冒頭に述べたような形式の装置において、評価デバイスは、検出された相互作用領域に基づいて、切り口に形成された切断前面の切断前面長さが特徴的パラメータとして特定されるように構成又はプログラミング／設定されている装置に関する。この目的のために、評価デバイスは、切断方向における切断前面長さに相当する発光現象の長さを特定するために、相互作用領域を含み、かつ、例えば加工処理ノズルのノズル開口部を通して記録された監視すべき領域の画像を評価することができる。

一実施形態においては、装置は、切断プロセスの少なくとも１つの設定パラメータに影響を与えることによって、切断前面長さを予め定められた目標長さに制御するための制御デバイスを含む。設定パラメータは、ワークピースへのエネルギー入力に影響を与える。プロセスの制御は、特に切断速度及び／又はレーザ出力の変更によって行うことができ、特に、評価デバイスによって特定された切断前面長さが目標長さに相当するように又は目標長さを超えないようにすることによって行うことができる。

さらなる発展形態においては、制御デバイスは、切断前面長さを、切断引裂速度の少なくとも８０％、好適には少なくとも９０％に達する切断速度において目標長さに制御するように構成又はプログラミング／設定されている。さらに、上述したように、切断前面長さが切断速度に依存して十分に大きく変化するかぎり、設定パラメータとして切断速度を用いた切断前面長さの目標長さへの制御を行うことができる。このことは、特に、切断引裂速度の直下の高速な切断速度の場合に該当する。

本発明のさらなる利点は、明細書及び図面から明らかになる。同様に、上記した特徴及び以下においてさらに説明する特徴は、それぞれ個別に使用することも、複数の任意の組合せにより使用することも可能である。図示され、説明される実施形態は、最終的な列挙として理解されるべきではなく、むしろ、本発明を説明するための例示的な特徴を有している。

レーザ切断プロセスを監視及び制御するための装置の実施例の概略図。 切断プロセスの特徴的パラメータとして切断前面長さを特定するための、ワークピースの監視すべき領域の画像検出ユニットによって記録された画像を示した図。 切断前面長さを切断速度と切断引裂速度との比に依存して示した図。

以下における図面に基づく説明においては，同一の部品又は機能的に同等の部品には、同一の参照符号が使用される。

図１は、レーザ加工処理システムを用いた、板状のワークピース２におけるレーザ溶融切断プロセスのプロセス監視及び制御のための装置１の例示的な構造を示している。レーザ加工処理システムのうち、図１には、レーザ加工処理ユニットのＣＯ２、固体、又は、ダイオードレーザビーム５を集束するための集束レンズ４、加工処理ノズル６、及び、偏向ミラー７を有する１つの加工処理ユニット３（レーザ加工処理ヘッドの一部）のみが示されている。本ケースにおいては、偏向ミラー７は、部分透過的に形成されており、それゆえ、プロセス監視のための装置１の入射側部品を形成する。プロセス監視のための装置１は、加工処理ユニット３と同様にレーザ加工処理ヘッドの一部である。

偏向ミラー７は、入射するレーザビーム５を反射し、プロセス監視に関連する、ワークピース２から反射され、及び、相互作用ゾーンによって放出される、本例においては、約５５０ｎｍから２０００ｎｍまでの間の波長範囲のプロセスビームを透過させる。部分透過偏向ミラー７に対して代替的に、プロセスビームを観察ビームパス８に供給するために、スクレーパミラー又は穴あきミラーを使用することも可能である。ただし、スクレーパミラーの使用は、典型的には、プロセスビームの一部のマスキング、及び、生ビーム径の制限に結び付く。穴あきミラーの使用は、通常、プロセスビームの回折効果、及び、レーザビームへの強い影響に結び付く。

装置１においては、部分透過ミラー７の後方にさらなる偏向ミラー９が配置されており、これは、プロセスビームを、画像検出ユニットとしての幾何学的に高解像度のカメラ１０に偏向させる。このカメラ１０は、レーザビーム軸線１１又はレーザビーム軸線１１の延在部１１ａに対して同軸方向に配置され、従って、方向に依存しない高速カメラであり得る。それに応じて、図示の例においては、観察ビームパス８も、レーザビーム軸線１１又はその延在部１１ａに対して同軸方向に延在している。原則的には、入射光方式により、即ち、ＶＩＳ波長範囲においてカメラ１０によって画像を記録する手段が存在し、場合によっては、ＮＩＲ範囲においてビームを照射し、さらなる部分透過ミラー１６を介して照明ビーム１７をレーザビーム軸線１１に対して同軸方向においてビームパスに入力結合させる付加的な照明源１５が設けられている場合には、ＮＩＲ波長範囲においてもカメラ１０によって画像を記録する手段が存在する。付加的な照明源１５として、例えば波長６５８ｎｍのレーザダイオード、又は、例えば波長８０８ｎｍのダイオードレーザを設けることができる。これらは、図１に示すようにレーザビーム軸線１１に対して同軸方向に配置することができるが、レーザビーム軸線１１に対して軸外に配置することもできる。代替的に、付加的照明なしで、ＵＶ及びＮＩＲ／ＩＲ波長範囲のプロセス照明の記録を行うことが可能である。

改善された結像化のために、本例においては、部分透過ミラー７とカメラ１０との間に図１においてはレンズとして示された集束用結像光学系１２が設けられており、この結像光学系は、プロセス監視に関連するビームをカメラ１０に集束させる。集束用結像化光学系又はレンズ１２の非球面構成により、結像化における球面収差を防止又は少なくとも低減することができる。

図１に示された例の場合、カメラ１０の前にあるフィルタ１３は、さらなるビーム成分又は波長成分をカメラ１０による検出から除外すべき場合には利点となる。このフィルタ１３は、例えば、色収差を回避又は低減するために、小さい半値幅を有する狭帯域バンドパスフィルタとして構成されるものとしてもよい。レーザビーム軸線１１に沿ったカメラ１０、並びに、本例に存在する結像光学素子１２及び／又はフィルタ１３の位置は、簡略化のために双方向矢印により示された当業者に公知の位置決めシステムを介して設定可能であり、さらに、必要に応じて変更可能である。

カメラ１０は、本例においては、付加的照明源１５なしで動作させられる。即ち、プロセスゾーンのＮＩＲ／ＩＲ波長範囲の固有照明が検出される。図２に示されているように、カメラ１０は、そのセンサ面１０ａにおいてワークピース２の監視すべき領域２１（切り抜き領域）の高解像度画像２０を記録する。この画像２０は、ノズル６のノズル開口部６ａ（図１を参照）の円形の内側輪郭によって画定され、その直径Ｄ又はノズル６の出射側端部におけるその最大延在長さは、図示の例においては７ｍｍから１２ｍｍまでの間にある。図１に示された切断プロセスは、切断ガスとして窒素を用いた溶融切断プロセスである。窒素は、約１０バール未満、好適には１バールを超え１０バール未満、理想的には２バールを超えて約６バール未満の比較的低い切断ガス圧力ｐ_Ｓを有する切断ガス噴射１４として加工処理ノズル６のノズル開口部６ａから噴出する。

ノズル６は、図２に示される例に対して代替的に、２つの（通常は同心の）ノズル開口部を有する環状流ノズルとして構成されるものとしてもよい。それによれば、内側ノズルの開口部を通ってレーザビーム５が出射し、外側ノズル開口部を通って、又は、内側及び外側ノズル開口部を通って切断ガス噴射１４が噴出する。この場合、外側ノズル開口部は、少なくとも７ｍｍの直径又は最大延在長さを有する。カメラ１０の画像記録は、内側ノズル開口部によって行われ、そのため、画像２０は、例えば３ｍｍの直径を有する内側ノズル開口部の円形の内側輪郭によって画定される。

図１に示される評価デバイス１８は、画像２０の評価のために、特に、ワークピース２の監視すべき領域２１の内部の相互作用領域２２の検出のために用いられる。評価デバイス１８は、同様に図１に示された制御デバイス１９と信号技術的に接続を形成しており、この制御デバイス１９は、レーザ切断プロセスを、特に、評価デバイス１８によって特定されたレーザ切断プロセスの特徴的パラメータに依存して開ループ制御又は閉ループ制御し、この特徴的パラメータは、切断加工処理中に形成される切断前面２３の切断前面長さＬであり（図１を参照）、切断前面２３には、進行方向又は切断方向とは逆方向に（即ち、負のＸ方向に）切り口２４が隣接する。図２から認識されるように、相互作用領域２２の前方端部の点Ｐ１と、相互作用領域２２の後方端部の点Ｐ２との間の切断前面長さＬは、進行方向又は切断方向に沿って測定され、この進行方向又は切断方向に沿って、レーザビーム５が、切断速度又は進行速度Ｖ（図１参照）でワークピース２上を案内される。図示の例においては、進行方向は、Ｘ方向に相当する。

切断前面長さＬを特定するために、切断プロセス中に画像検出デバイス１０を用いて、例えば１００乃至１０００Ｈｚの周波数において迅速な画像記録を行うことができる。個々の画像２０は、例えば、閾値比較法によって評価され、即ち、ここでは、各画像２０の二値化が、記録された個々の画素における発光現象の強度値と閾値との比較によって行われる。二値化された画像２０からは、切断方向（Ｘ方向）における発光現象の長さが特定され、この長さは、切断前面長さＬに相当する。即ち、切断前面長さＬは、画像２０から、例えば、切断方向（Ｘ方向）に延在する発光現象の輪郭断面２５の輝度閾値Ｉ_Ｓを介して特定することができ、即ち、ここでは、切断前面長さを、予め定められた１つ又は複数の輝度閾値Ｉ_Ｓを下回る、輪郭断面２５の２つの点Ｐ１，Ｐ２の間の長さＬとして特定することができる。ここでは、強度Ｉの測定値を、画像２０内の基準値に、例えば、画像２０の最大強度値に較正することができる。その他に、画像検出デバイス１０の較正は、基準切断プロセスにおいて、基準切断パラメータを用いて、及び、測定値と基準画像検出デバイスの測定値との比較によって実施することができる。

切断ガス圧力ｐ_Ｓ、加工処理ノズル６の直径Ｄ、及び、切断速度Ｖ以外のさらなる関連するプロセスパラメータは、レーザビーム５又は（図示されていない）レーザ源のレーザ出力Ｐ、ワークピース２の材料、及び、ワークピース２の上面２ａと下面２ｂとの間の板状ワークピースの厚さｄである。

さらに、上述した溶融切断プロセスは、例えば、以下のプロセスパラメータ、
構造用鋼：
－ ｄ＝４ｍｍ、Ｐ＝１０ｋＷ、Ｖ＝２０ｍ／ｍｉｎ、ｐ_Ｓ＝７バール
－ ｄ＝１０ｍｍ、Ｐ＝１０ｋＷ、Ｖ＝５ｍ／ｍｉｎ、ｐ_Ｓ＝９バール
ステンレス鋼：
－ ｄ＝４ｍｍ、Ｐ＝１０ｋＷ、Ｖ＝２１ｍ／ｍｉｎ、ｐ_Ｓ＝６バール
－ ｄ＝１０ｍｍ、Ｐ＝１０ｋＷ、Ｖ＝５．５ｍ／ｍｉｎ、ｐ_Ｓ＝４バール
アルミニウム：
－ ｄ＝４ｍｍ、Ｐ＝１０ｋＷ、Ｖ＝３５ｍ／ｍｉｎ、ｐ_Ｓ＝８バール
－ ｄ＝１０ｍｍ、Ｐ＝１０ｋＷ、Ｖ＝８ｍ／ｍｉｎ、ｐ_Ｓ＝９バール
を用いて実施することができる。

さらに、上述した条件下で、即ち、比較的低い切断ガス圧力ｐ_Ｓと大きい直径Ｄの加工処理ノズル６とを用いた条件下で実施される溶融切断プロセスにおいて、高速な切断速度Ｖの場合でも、切り口２４の良好な縁部品質を達成することができる。この良好な切断品質は、特に、切断引裂速度Ｖ_Ｓ近傍にある切断速度Ｖの場合でも維持される。即ち、この溶融切断方法は、切断引裂速度Ｖ_Ｓの少なくとも８０％、好適には少なくとも９０％に達する高速な切断速度Ｖでも実施することができる。切断引裂速度Ｖ_Ｓは、それぞれのワークピース材料、それぞれのワークピース厚さｄ、予め定められたレーザ出力Ｐ、及び、予め定められた切断ガス圧力ｐ_Ｓごとに事前の一連の測定において特定することができる。切断引裂速度Ｖ_Ｓに対応する値は、例えば、評価デバイス１８又は他の場所に配置され得る技術テーブル又は記憶装置などに格納することができる。

切断引裂速度Ｖ_Ｓ近傍の高速な切断速度Ｖにおいては、より高い切断ガス圧力ｐ_Ｓ及びより遅い切断速度Ｖにより実施される従来の標準プロセスよりも、切断引裂が発生する可能性が高い。切断引裂が差し迫っている場合、切断前面長さＬは急激に増加し、そのため、切断前面長さＬを、制御デバイス１９を用いて予め定められた一定の目標長さＬ_Ｓに制御することは有利である。このことを達成するために、制御デバイス１９は、ワークピース２内へのエネルギー入力に影響を与える、切断プロセスの少なくとも１つの設定パラメータに、影響を与え又はそれを変更する。

図３は、ワークピース２の厚さｄが８ｍｍの構造用鋼の例における、評価デバイス１８を用いて特定された切断前面長さＬの切断速度Ｖへの依存性、より正確には、切断速度Ｖと切断引裂速度Ｖ_Ｓとの比への依存性を示している。図３において認識されるように、切断前面長さＬの増加は、切断速度Ｖの増加と共に益々顕著となり、そのため、切断前面長さＬの制御は、切断速度Ｖを用いて、又は、典型的には切断引裂速度Ｖ_Ｓの８０％若しくは９０％を超える高速な切断速度Ｖにおける設定パラメータとしての進行速度を用いて行うことが可能である。

図３に示す例においては、切断速度Ｖと切断引裂速度Ｖ_Ｓとの比の約９５％に相当する、切断前面長さＬの目標長さＬ_Ｓは、約０．６ｍｍである。代替的又は付加的に、切断前面長さＬの予め定められた目標長さＬ_Ｓへの制御は、設定パラメータとしてレーザビーム５のレーザ出力Ｐを用いて行うこともできる。いずれのケースにおいても、エネルギー入力に影響を与えることにより、溶融切断プロセスは、切断引裂から十分な距離をおいて案内することができ、このことは、干渉下での溶融切断プロセスの堅牢性を保証する。

制御のために切断速度Ｖ又は進行速度を設定パラメータとして使用する場合には、それにより、進行速度設定又は進行速度適合化ΔＶ（切断速度Ｖの変化）を規則的な周期（例えば２００Ｈｚ）により行うことができる。進行速度適合化ΔＶは、例えば、制御デバイス１９又は評価デバイス１８に格納されている現在の進行速度Ｖ、目標長さＬ_Ｓ、評価デバイス１８によって測定された現在の切断前面長さＬと目標長さＬ_Ｓとの間の差分ΔＬ、及び、（一定の）比例係数ｆから以下の関係式、
ΔＶ／Ｖ＝ｆ＊ΔＬ／Ｌ_Ｓ
に従って形成することができる。

目標長さＬＳへの切断前面長さＬの制御は、これが十分緩慢に行われる場合（例えば２００Ｈｚの周期）、個々の画像に基づいて行うことができ、そのため、良好な制御特性がオーバーシュートなしで得られる。画像検出デバイス１０を用いて記録された個々の画像２０を平均化することにより、画像処理、即ち、切断前面長さＬを特定することをより堅牢にすることができる。この平均化のために、例えば、移動平均値、場合によっては加重平均値を算出することができる。例えば、現在の画像と最後の平均値画像とを予め定められた重み付けで新しい平均値画像に組み合わせることによって平均化を行うことができる。例えば、現在の画像を３０％の割合、古い平均値画像を７０％の割合で組み合わせて新しい平均値画像を形成する。

上述したように、溶融切断プロセスは、切断引裂速度Ｖ_Ｓ近傍の速度において実施することができ、即ち、切り口２４の切断縁部品質の低下や切断引裂を起こすことなく切断引裂速度Ｖ_Ｓまでの進行速度範囲をほぼ完全に活用することができる。

Claims (12)

1. ワークピース（２）の切断プロセスを監視するための、特に制御するための方法であって、
   加工処理ビーム、特にレーザビーム（５）を前記ワークピース（２）に集束させるステップと、
   前記加工処理ビームが前記ワークピース（２）と相互作用する相互作用領域（２２）を含む、前記ワークピース（２）の監視すべき領域（２１）を検出するステップと、
   検出された前記相互作用領域（２２）に基づいて、前記切断プロセスの少なくとも１つの特徴的パラメータ（Ｌ）、特に、前記切断プロセス中に形成された切り口（２４）を特定するステップと、
   を含む方法において、
   溶融切断プロセスにおいて検出された前記相互作用領域（２２）に基づいて、前記切り口（２４）に形成された切断前面（２３）の切断前面長さ（Ｌ）が前記特徴的パラメータとして特定されることを特徴とする方法。
2. 前記監視すべき領域（２１）の検出は、前記加工処理ビームのビーム軸線（１１）に対して実質的に同軸方向に延在する観察ビームパス（８）を用いて行われる、
   請求項１に記載の方法。
3. 切断ガス噴射（１４）の噴射のための加工処理ノズル（６）のノズル開口部（６ａ）は、少なくとも７ｍｍ、好適には７ｍｍから１２ｍｍまでの間の最大延在長さ（Ｄ）を有する、
   請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記溶融切断プロセスは、１０バール未満の切断ガス圧力（ｐ_Ｓ）、好適には１バールを超え１０バール未満の切断ガス圧力（ｐ_Ｓ）、特に好適には少なくとも２バールから６バール未満の切断ガス圧力（ｐ_Ｓ）で実施される、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記溶融切断プロセスは、切断引裂速度（Ｖ_Ｓ）の少なくとも８０％、好適には少なくとも９０％に達する切断速度（Ｖ）で実施される、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記切断前面長さは、前記相互作用領域（２２）の画像（２０）から、前記相互作用領域（２２）の切断方向（Ｘ）に延在する輪郭断面（２５）に沿った２点（Ｐ１，Ｐ２）間の長さ（Ｌ）として特定される、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記２点（Ｐ１，Ｐ２）において、輝度閾値（Ｉ_Ｓ）を下回る、
   請求項６に記載の方法。
8. 前記方法は、前記切断プロセスの少なくとも１つの設定パラメータ（Ｖ，Ｐ）に影響を与えることによって、前記切断前面長さ（Ｌ）を予め定められた目標長さ（Ｌ_Ｓ）に制御するステップをさらに含む、
   請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記切断前面長さ（Ｌ）を制御するための前記設定パラメータとして、前記加工処理ビームと前記ワークピース（２）との間の前記切断速度（Ｖ）及び／又は前記加工処理ビームの出力（Ｐ）に影響を与える、
   請求項８に記載の方法。
10. ワークピース（２）の切断プロセスを監視するための、特に制御するための装置（１）であって、
    加工処理ビーム、特にレーザビーム（５）を前記ワークピース（２）に集束させるための集束装置と、
    前記加工処理ビームが前記ワークピース（２）と相互作用する相互作用領域（２２）を含む、前記ワークピース（２）の監視すべき領域（２１）を検出するための画像検出デバイス（１０）と、
    検出された前記相互作用領域（２２）に基づいて、前記切断プロセスの少なくとも１つの特徴的パラメータ（Ｌ）、特に、前記切断プロセス中に形成された切り口（２４）を特定するように構成された評価デバイス（１８）と、
    を備える装置において、
    前記評価デバイス（１８）は、検出された前記相互作用領域（２２）に基づいて、前記切り口（２４）に形成された切断前面（２３）の切断前面長さ（Ｌ）が前記特徴的パラメータとして特定されるように構成されていることを特徴とする装置（１）。
11. 前記装置は、前記切断プロセスの少なくとも１つの設定パラメータ（Ｖ，Ｐ）の制御に影響を与えることによって、前記切断前面長さ（Ｌ）を予め定められた目標長さ（Ｌ_Ｓ）に制御するための制御デバイス（１９）をさらに含む、
    請求項１０に記載の装置。
12. 前記制御デバイス（１９）は、前記切断前面長さ（Ｌ）を、切断引裂速度（Ｖ_Ｓ）の少なくとも８０％、好適には少なくとも９０％に達する切断速度（Ｖ）で目標長さ（Ｌ_Ｓ）に制御するように構成されている、
    請求項１１に記載の装置。

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