JP5586247B2 - 焦点位置を監視するための一体化センサ装置を備えたレーザ加工ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、特許文献１から公知の種類のレーザ加工ヘッドに関連している。

材料加工処理において、処理結果の品質は処理パラメータの安定度に極めて依存し、そのために、加工処理中の制御不能に変化し得る処理パラメータは、監視されて、再調整されるのである。

レーザ材料加工における公知の処置は、レーザ出力の変動を、レーザビームの一定の部位を結びつけることによって、且つそれを放射（radiation）検知センサに経路設定することによって監視することである。受け取った信号は、次にレーザ出力を規制するために用いることが可能である。

レーザビームと加工部品との間の相互作用領域から出る放射を検出することによってレーザ加工処理を監視することも知られている。この目的で、例えばレーザ光線を妨害無く通過させるが、相互作用領域から出る放射はセンサ上に反射させる、ダイクロイックミラーがレーザ加工ヘッド内に挿入され、それによってレーザビームは加工部品上に焦点を合せる。センサによって検出される放射の特性は、相互作用領域内の条件に依存して、強度、強度分布、及び波長において異なり得る。放射特性における変化と、こうして得られる受信器信号とは、幾つかの処理パラメータの変動によって生じる。特に、レーザ出力、供給率、焦点位置、加工部品の局所的加熱差、保護ガスの供給、及びレーザ溶接におけるギャップ幅の変動があり得る。つまり、受信器信号は、焦点位置のような個々の処理パラメータの変動を表しているのではなく、その代わりに、全体として、例えば溶接シーム、切断、又はドリル穴のような処理結果の品質に関する推測をもたらすだけである。したがって本来この種類の処理モニタリングは、主に処理の正常終了を監視するために用いられる。

特にレーザ溶接における、この種類の処理を監視するための一体化センサ装置を備えたレーザ加工ヘッドは、特許文献１から公知である。

信号の使用に関し、例えば溶接の正常終了を示す状態信号が引き出され得ることが、そこに明言されている。個々の受信器の信号から、目標温度プロファイルと比較された、受信器装置（センサ）温度プロファイルを表すことも可能である。終には、シームトラッキング、ギャップ幅測定、及び／又はシーム量計算のような目的で、溶接箇所の幾何学的評価のために信号を用いることが可能といわれている。

信号検出は、上記品質特性を文書化するため、又は加工処理を規制するためのいずれかに用いられ得る。

センサによって検出される放射は、レーザ照射と加工部品の間の相互作用区間内で励起された放射であるが、既に述べたように、検出された放射の特性は、処理パラメータと加工部品パラメータの全ての変動によって影響される。

特許文献１に記載のレーザ加工ヘッドは、ビーム入口とビーム出口を備えたハウジングと、ハウジングの外側にある領域内（加工焦点）に平行入射レーザビームの焦点を合わせる、集束レンズとを備えて構成される。ビーム出口に向かう方向に見えるように、ビームスプリッタは集束レンズの上流にある。ビームスプリッタは、レーザビームを通過させ、且つレーザビームと加工部品の相互作用区間から生じる放射を反射させる。加工部品、したがって相互作用区間は、加工焦点が加工部品上に存在するように、照射方向のレーザヘッドの上流に、ビーム出口から予め決められた距離をおいて配置される。

ビームスプリッタは、例えばレーザビームが通り抜けるのに十分に大きな開口部を有する集束リングミラーであってもよく、入射光をセンサ上に反射して、それによって相互作用区間の部分像を写す。

同一の又は異なるスペクトル感度を有する一つ以上のフォトダイオード、カメラ、又は一次元又は二次元ＣＣＤ画像センサが、センサとして用いられ得る。位置感知検出器、又はＣＭＯＳ技術に基づいた感光性受信器をセンサとして用いることも可能である。

センサは、品質保証に適した、及びレーザ加工処理を制御又は規制する制御−規制装置への供給に適した状態信号を形成するように、出力信号が処理されるところの評価ユニットへ出力信号を供給する。

要約すると、特許文献１に係るレーザ加工ヘッドの一体化センサ装置は、いかなる場合にもレーザビームの焦点を合わせるための集束レンズと、集束ビームスプリッタ及びセンサと、評価ユニット及び必要に応じて制御及び規制ユニットによって形成される。

処理パラメータの変動、及び処理品質結果におけるその影響は、本質的にはレーザのパラメータに依存する。特に、多キロワットファイバーレーザのような、高い出力及びビーム品質を有する固体レーザが用いられる場合、レーザ加工ヘッドの光学要素上の熱応力は、公知のように増加する。光学的に透過性の又は反射する構成要素が、加工レーザ放射の波長に対して９９％以上の透過性又は反射率を有しているにもかかわらず、残りの、吸収される強度は構成要素を過熱するのに十分なのである。このことは、結果として焦点距離に影響をもつ表面形状の変形に導き得るのである。

レーザビームが光学要素の全表面を完全に照らさず、且つ強度分布がビームの断面に渡って不均一であるので、実際の加熱に加えて、温度勾配の形成が生じる。光学材料の屈折率が温度依存性であるので、透過性の構成要素には、焦点距離が半径方向において様々に変化するという付加的な影響が存在する。

たった一つの光学要素ではなく、照射源の発光面（第２照射源を構成するファイバーの端部）から加工部品上又は加工部品内の所望の入射点までの全光学システムを考えた場合、個々の光学要素、特にコリメータレンズと集束レンズの焦点距離内における変化のために、照射源の結像内でシフトが生じる。コリメータレンズの焦点が照射源の面内に、又はそれと共役する面内に実際にある場合にのみ、照射源は集束レンズ焦点内に結像される。

焦点位置シフトという用語は、したがって完成したシステムに対して全く正しいわけではなく、代わりに結像面のシフトをより正しく言うべきである。しかしながら、このシフトが個々の構成要素の、焦点距離内の変化によって生み出されるので、結像が最終結像要素の焦点内で理論的に生じるところのシステム内であっても、焦点位置シフトという語を用いるのである。このことは、その厚みに相応する結像をシフトする保護ガラスが、最終結像要素の下流に存在していたとしても、あてはまる。

レーザ照射が光ファイバーを介してレーザ加工ヘッド内に導き入れられる場合には、照射の方向においてレーザビームを並行にするコリメータレンズと、レーザ加工ヘッドの外側の加工焦点内にレーザビームの焦点を合わせるための集束レンズとが、レーザ加工ヘッド内に配置される。

上記の光学要素に加え、保護ガラスが、典型的なレーザ加工ヘッド内の集束レンズの下流に設置される。レーザビームの複数部分から導き出すために、又は特許文献１に記載のようにビーム出口側のレーザビームのビーム路内に入射する相互作用区間内で励起された放射をセンサに向けるために、レーザビームのビーム路内にビームスプリッタを有するレーザ加工ヘッドも公知である。

レーザ光は、光ファイバーケーブルを介するのではなく、関節を成すミラーアームを介してレーザ加工ヘッド内に導き入れられることも可能である。原則として、コリメータレンズは関節を成すミラーアーム自身内に配置され、それによってレーザビームは既に並行な形でレーザ加工ヘッドに入り、集束レンズだけがレーザ加工ヘッド内のビーム成形光学要素として存在する必要がある。

加工部品に対する加工焦点の位置は、放射強度の空間分布を決定する。所望の処理結果に応じて、加工部品とレーザ加工ヘッドとは、従って加工焦点が加工部品の上方、加工部品上、又は加工部品内にあるように、互いに配置される。レーザ切断のためには、例えば加工深さを増しながら既定の方法で加工焦点をたどることが有利になり得る。

両方の場合において、焦点位置の制御不能な変更は望ましくない。それは、処理結果の品質を著しく下降させ得る。例えば、溶接深さが変化し得ると、穴断面が増加、又は穴深さが減少し得る。極端な場合、加工処理がもはや可能ではなくなる。

焦点位置の補正によって処理結果に影響を与えることが慣例であって、特許文献１に記載のように制御信号は処理モニタリングから得られる。詳細に述べると、これら制御信号は、多くの処理パラメータによって影響を受け、したがってあまり適切ではない。

焦点位置の制御不能な変更を補正する代わりに、それを減少する試みがある。

この目的で、典型的に用いられている石英ガラスの代わりに、硫化亜鉛をレーザ光学素子に用いるような、現在のアプローチがある。先ず、この材料は石英ガラスのものよりも２０倍大きな熱伝導率を有しており、それによってレンズ内のより均一な熱伝導と、材料の外での改善した熱伝達とが達成され得る。結局、より長い熱時定数が達成される。

加えて硫化亜鉛は、石英ガラスとは対照的にダイアモンド加工に適切な材料である。それによって非球面を作り出すことが可能となり、並行にするための、続いて焦点を合わせるための、二つのレンズの配列を単一のレンズによって置き換えることができ、こうしてビーム路内の光学要素の数を最小にすることが可能であるという利点をもたらす。

DE 10 2004 020 704 A1

本発明の課題は、この特定の許容限度の超過を規制手法で補正するために、一体化センサ装置を備えたレーザ加工ヘッドを見つけ出すことであって、それによって焦点位置の制御不能な変化を正確に検出することができる。

レーザ加工ヘッドは、有利には、処理監視のために従来技術から公知のセンサ装置も有するべきである。

この課題は、請求項１の特徴構成に係る一体化センサ装置を備えたレーザ加工ヘッドが解決する。本発明の有利な改良は従属請求項中に記載している。

並行にされたレーザビームが、測定ビームと加工ビームとに更に分割されること、及び、測定ビームが、放射検知センサが配置されているところの像点内への加工ビームに対して所定の角度をもって、集束レンズによって結像されることが本発明の本質である。

有利には、平面ミラーが測定ビームを集束レンズ上に偏向するために用いられるのではなく、その代わりに集束鏡が用いられ、それによって、加工ビームの外側の像点だけでなく、集束レンズ近傍の像点と、レーザ加工ヘッドのハウジングとが縁を成すようにのみ拡張される必要があるという結果をもたらす。

有利には、処理モニタリング用センサ装置もレーザ加工ヘッド内に一体化され、処理モニタリング用センサ装置と焦点位置モニタリング用センサ装置とが、有利には共通のビームスプリッタを用いるのである。

測定ビーム内専用に配置された光学要素、つまり、少なくとも一つの反射鏡が、加工ビーム内に設置された光学要素への放射エネルギーの小部分のみを受けるということから、その熱応力は、焦点位置の変化が検出可能となる程の影響をもたない。

それどころか、ビームスプリッタを除き、加工ビームが衝突する全ての光学要素も測定ビーム路内に存在し、そのために、測定ビームも加工ビームと同じように影響を受け、それによって測定信号は全システムの焦点位置にシフトを引き起こす。ビームスプリッタは、焦点位置のシフトに無視できる程度の影響をもつか、又は、例えばアパーチャミラーとしての実施形態において全く影響をもたないかのいずれかである、というのは、加工ビームはアパーチャを通ってガイドされるからである。

図面に基づき、以下の実施例を用いて当該装置を説明する。

本発明に係るレーザ加工ヘッドの有利な実施形態の原理の図である。

図１中に示すレーザ加工ヘッド１の有利な実施形態は、コリメータレンズ２、ビームスプリッタ３、集束レンズ４、下流に保護ガラス５、及びミラー６を、その光学要素として有している。

レーザビーム８は、コリメータレンズ２の光軸方向に、光ファイバー７の脱出面が在り且つコリメータレンズ２の焦点面内に存在するビーム入口を介してレーザ加工ヘッド１に導き入れられる。コリメータレンズ２によって並行にされたレーザビーム８は、レーザビーム８を加工ビーム９と測定ビーム１０に分割するビームスプリッタ３に衝突する。ビームスプリッタ３は、幾何学的に、並びに物理的に分流するビームスプリッタ３であり得る。測定ビーム１０は、レーザビーム８のほんの小部分、好ましくは５％未満の小部分であって、有用な測定信号を生み出すのに十分である。アパーチャミラー又は特に反射平面が、幾何学的な形状ビームスプリッタ３として特に適している。測定ビーム１０に所定の強度分布を得るように、部分的ミラーコーティングが、有利には環状外周表面又は中央円形表面に施されてもよい。次に加工ビーム９が、集束レンズ４と下流の保護ガラス５とに衝突し、更に、加工部品１２が配置される、結果的に焦点１１となるところに集束される。上記測定ビーム路は、通常のレーザ加工ヘッド内側にある通常のビーム路である。測定ビーム１０に連結することも慣例である。

本発明にとって新規且つ本質的なものは、測定ビーム１０が、ビームスプリッタ３以外の加工ビーム路内に存在する全ての光学要素を透過することであり、焦点１１と共役された像点１７内に結像される。これを成すためにミラー６は、反射方向においてビームスプリッタ３の下流に配置される。ミラー６は平面ミラーであってもよい。次に、測定ビーム１０を単に反射して、加工ビーム９とちょうど同様に、しかし角度αで、集束レンズ４に衝突する。しかしながら、測定ビーム１０を次に同様に集束レンズ４の結果として焦点面となるところ、及び保護ガラス５に結像することは不利であり、像面内のセンサ１３の配置に対して問題なるであろう。したがってミラー６は、集束レンズ４の焦点距離に調和した焦点距離を有する集束鏡６として有利には実施され、その結果センサ１３は、加工ビーム路の外側に保護ガラス５と出来るだけ近接して、像点１７内に配置されてもよい。ミラー６もできるだけビームスプリッタ３と近接するがレーザビーム路の外側に配置され、それによって、センサ１３を含む上記光学要素を有するハウジングは、焦点位置を監視する（モニタする）ための一体化センサ装置の無いレーザ加工ヘッド１用ハウジングよりも、顕著に大きくはない。

センサ１３は、変位装置１６に接続された制御及び規制装置１５へ処理測定信号を伝達する評価ユニット１４に接続される。原則的に、コリメータレンズ２は、焦点位置規制を再調整するためにその光学軸に沿って変位装置１５によって変位されるが、集束レンズ４も変位され得る。かかる変位装置は先行技術から公知であって、本発明のサブジェクトマターではない。

次の種類のセンサが特にセンサ１３として適している。つまり、波面検出器、位置感知検出器、ＣＣＤエリアセンサ、ＣＣＤラインセンサである。

焦点位置のシフトの場合、センサ１３に衝突する放射強度はその最大強度を変化し、その強度分布は、焦点位置の偏差としてのますます大きくなる錯乱円にわたって増大する。焦点位置の変化は強度分布から直接推定され得、一方で最大強度の減少もレーザ出力変動によって生じ得る。したがって出力変動と焦点位置のシフトの両方が、得られた測定信号から適切な評価アルゴリズムによって導かれ得る。

つまり、焦点位置を再調整するための規制パラメータとして用いられ得る測定値だけでなく、レーザ出力も再調整し得る値も得ることが可能である。

第２の実施形態では、図示してはいないがレーザ加工ヘッド１は、例えば特許文献１から知られているような、処理制御用一体化センサ装置を付加的に有している。

次にビームスプリッタ３は、測定ビーム１０と連結するだけでなく、加工部品１２から出る放射を、集束レンズ４を介してレーザ加工ヘッド１内の追加のセンサ上に入射するように導くように設計される。

ビームスプリッタ３は、有利には両側をミラーコートした平行平面板であって、追加のセンサの上流に第２集束レンズを備えた平行平面板であることができる。放射方向に最初に来る側の光学活性面は、既に説明したように、加工ビーム９と測定ビーム１０へのレーザビーム８の幾何学的細区分を実行する。このために、前側面には部分的ミラーコーティングが施されているが、円形状をした平面板の中央を覆う、又は環形状の外周（円周）を覆うことが有利である。それによって、同心状に分布した放射強度を有する測定ビーム１０は導き出されるが、これは測定信号の形成にとって有利である。放射方向とは逆側の光学活性面は、ダイクロイックコーティングによって完全に覆われる。このコーティングは、加工ビーム９は妨害無く透過し、且つ加工ビーム９とは異なる波長を有する加工部品１２から出る放射は反射されるという効果を有している。

ビームスプリッタ３はアパーチャミラーであってもよく、その裏側は、反射された放射を第２センサ上へ集束するために有利には凹形状を有している。次にビームスプリッタ３は、両側をミラーコートした、平凹環状レンズを表す。平環状表面は、レーザビームから測定ビームを導き出し、且つ凹環状表面は加工部品１２から出る放射を反射して、処理監視するための下流にある追加のセンサの受け面に向ける。レーザビームは、ビームスプリッタによって完全に影響されないままである。

１ レーザ加工ヘッド
２ コリメータレンズ
３ ビームスプリッタ
４ 集束レンズ
５ 保護ガラス
６ ミラー
７ 光ファイバー
８ レーザビーム
９ 加工ビーム
１０ 測定ビーム
１１ 第１結合焦点
１２ 加工部品
１３ センサ
１４ 評価ユニット
１５ 制御及び規制装置
１６ 変位装置
１７ 像点

Claims (5)

1. 焦点位置を監視するための一体化センサ装置を備えたレーザ加工ヘッド（１）であって、
   このレーザ加工ヘッド（１）は、評価ユニット（１４）に接続されたセンサ（１３）と、集束レンズ（４）と、下流の保護ガラス（５）とを有しており、
   平行ビームとして前記集束レンズ（４）に衝突する加工ビーム（９）を、前記下流の保護ガラス（５）を備えた前記集束レンズ（４）の結合焦点（１１）に集束し、
   前記結合焦点には加工部品（１２）が配置され、並行するビーム路内の前記集束レンズ（４）の上流にはビームスプリッタ（３）が配置されている、レーザ加工ヘッドにおいて、
   前記ビームスプリッタ（３）は、前記レーザ加工ヘッド（１）内に導き入れられたレーザビーム（８）の第１部分、即ち加工ビーム（９）を透過し、レーザビーム（８）の第２部分、即ち測定ビーム（１０）を反射し、且つ、
   前記ビームスプリッタ（３）の下流にミラー（６）が配置され、前記集束レンズ（４）の光学軸に対して角度αで前記測定ビーム（１０）を前記集束レンズ（４）に反射し、前記センサ（１３）の受け入れ表面上の、前記結合焦点（１１）と共役する像点（１７）に前記測定ビームを結像することを特徴とする、レーザ加工ヘッド。
2. 前記ミラー（６）が集束鏡であって、その焦点距離は、前記センサ（１３）が前記下流の保護ガラス（５）とできるだけ近接した状態で前記加工ビーム（９）の外側に配置されるように、前記下流の保護ガラス（５）を備えた前記集束レンズ（４）の結合焦点距離と調和することを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工ヘッド（１）。
3. 前記ビームスプリッタ（３）がアパーチャミラーであることを特徴とする、請求項１又は２に記載のレーザ加工ヘッド（１）。
4. 前記ビームスプリッタ（３）が、その両側をミラーコートした平行平面板であって、一方では、前記測定ビーム（１０）と前記加工ビーム（９）へのレーザビーム（８）の幾何学的ビーム分流をもたらし、他方では、加工レーザ照射とは異なる波長を有する、前記加工部品（１２）から出る放射を反射し、追加の集束レンズを介して下流にある処理監視用の追加のセンサ上にそれを向けることを特徴とする、請求項１又は２に記載のレーザ加工ヘッド（１）。
5. 前記ビームスプリッタ（３）が、その両側をミラーコートした平凹環状レンズであって、平面の環状表面は、前記測定ビーム（１０）をレーザビーム（８）から導き出し、且つ凹面の環状表面は、加工部品（１２）から出る放射を反射して、下流にある処理監視用の追加のセンサ上にそれを向けることを特徴とする、請求項３に記載のレーザ加工ヘッド（１）。

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