CN113015594B - 用于对工件进行激光加工的加工设备以及用于对工件进行激光加工的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对工件进行激光加工的加工设备，特别是用于激光切割的加工设备，该加工设备包括：加工激光源，用于生成加工激光束；照明激光源，具有用于生成具有光谱范围的照明激光束的功率；出口开口，用于加工激光束和照明激光束；以及激光束引导装置，被设计成使得加工激光束和照明激光束同轴地射出通过出口开口；其中，选择根据照明激光源的功率和照明激光束的光谱范围而选择的至少一个元件，使得在激光加工期间由照明激光束产生的照明比加工区域中工件的自发光更亮。还提供了一种用于对工件进行激光加工的方法。

Description

用于对工件进行激光加工的加工设备以及用于对工件进行激 光加工的方法
技术领域
本发明涉及用于对工件进行激光加工的加工设备、用于对工件进行激光加工的加工设备的用途以及用于对工件进行激光加工的方法。
背景技术
平板切割***通常使用具有功率大于1kW的光纤激光器作为加工激光器来操作。诸如平板切割设备的激光加工***通常包括辅助激光器，该辅助激光器例如向设备的操作者指示加工激光器的位置或光束轴，如例如在US2018104769A或US2018104838A中所描述的。例如，如根据JP11344417A和JP2000135583A已知的，辅助激光器可以与加工激光器同轴地被引导。这些辅助激光器通常具有小于5mW的低功率。
平板切割***通常没有或者仅具有简单的过程监视。在平板切割***仅具有简单的过程监视的情况下，通常使用光电二极管，该光电二极管检测在工件的热加工期间产生的过程发光，该过程发光也被称为过程光。有时使用多个二极管。然而，对于光电二极管，不显示过程光的局部分辨率。
在激光焊接中，基于摄像装置的过程监视已经建立了一段时间。另外，利用摄像装置进行的主动过程监视此处也得到了证明。不仅被动地观察过程发光，而且通过人工照明来照明处理区域，其中，(通常同轴的)摄像装置主要旨在观察反射在工件上的该照明的光。
利用照明(相对于无照明)进行摄像装置观察的益处主要在于：可以抑制过程自身的热照明，使得可以更好地观察处理区域(切口几何形状等)。
为了能够抑制此处被称为自发光或热自发光的热过程发光，需要在加工激光器的光谱之外的窄带照明和对应的窄带检测。商业上可获得的且具有成本效益的摄像装置在可见至近红外电磁光谱区域中，这意味着还必须在该区域选择照明。然而，热自发光——特别是激光加工的金属——通常在可见至近红外光谱区域中。换句话说，特别是在金属的激光加工中，照明、检测和热自发光基本上在相同的光谱范围内发生，使得出于过程观察的目的的热自照明的抑制是困难的。
可用于窄带照明的照明源包括例如LED或二极管激光器。例如，为了能够将已知的可用照明源附接至激光加工***的加工头，照明源通常是为此目的而特别设计的。此处的缺点是：加工头上通常存在很少的可用空间，并且加工头应当具有尽可能低的重量。另外，通常难以在加工头上找到用于照明源的特定照明理想位置，使得可以很好地照明处理区域。
US 2017/0043431 A1公开了一种具有摄像装置监视器的激光加工头设备，该激光加工头设备包括用于照明的光源。
光学滤光器阻挡加工点发射光和加工点反射激光束的透射，并且透射用于成像的照明光。DE 10 2012 001 609 B3涉及一种用于借助于工作激光束对工件进行加工的激光加工头，该激光加工头具有用于对从光纤的光纤端射出的工作激光束进行准直的光束成形光学器件、用于将加工激光束聚焦到工件上的聚焦光学器件，以及具有可调节的成像光学器件的摄像装置。 US 2016/0193692 A1涉及用于监视工件上的切割过程的装置和方法。聚焦元件将高能光束聚焦到工件上。图像捕获设备捕获要监视的工件处的区域。评估设备确定切割过程的至少一个特征变量。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于利用照明对工件进行激光加工的加工设备以及一种用于利用照明对工件进行激光加工的方法。
该目的通过根据权利要求1所述的用于对工件进行激光加工的加工设备、根据权利要求8所述的加工设备的用途以及根据权利要求9所述的用于对工件进行激光加工的方法来实现。
在本发明的一个实施方式中，提供了一种用于对工件进行激光加工的加工设备，特别是用于激光切割的加工设备，该加工设备包括：加工激光源，被配置成生成加工激光束；照明激光源，具有被配置成生成具有光谱范围的照明激光束的功率；出口开口，用于加工激光束和照明激光束；以及激光束引导装置，被配置成同轴地引导加工激光束和照明激光束通过出口开口；其中，选择照明激光源的功率和照明激光束的光谱范围，以在激光加工期间由照明激光束产生照明，所述照明比加工区域中工件的自发光更亮；其中，照明激光源的功率为至少50mW，照明激光束的光谱范围的中心波长在300nm至1000nm的范围内，并且照明激光束的光谱范围为具有小于20nm的宽度的波长带；其中，从激光束引导装置、光学单元、加工激光源以及照明激光源中选择的至少一个元件被配置成：生成在轴向上彼此分开的照明激光束的焦点和加工激光束的焦点；其中，加工激光源和照明激光源被配置成产生由加工激光源和照明激光源生成的激光束的光谱范围不同；以及其中，光学单元是色散的；其中，加工激光束的光谱范围包括第一波长，并且照明激光束的光谱范围包括小于第一波长的第二波长；其中，激光束引导装置包括至少一个传输光纤，所述至少一个传输光纤被配置成同轴地引导加工激光束和照明激光束；其中，传输光纤具有内部光纤芯；以及其中，加工激光源和照明激光源耦接至传输光纤，以引导加工激光束通过内部光纤芯；其中，传输光纤具有：包围内部光纤芯的外部光纤芯；以及/或者包围内部光纤芯或外部光纤芯的光纤包层；以及其中，加工激光源和照明激光源耦接至传输光纤，以引导照明激光束至少部分地通过外部光纤芯和/或通过光纤包层。
该实施方式的优点在于：由于同轴的加工激光束和照明激光束，因此照明位置理想地与加工位置一致。另外，由于由照明激光束产生的照明比工件的自发光更亮，因此加工区域与加工激光束同轴地被照明，使得抑制或减少了在激光加工期间工件产生的自发光。换句话说，在照明激光源的选定功率和/或照明激光束的选定光谱范围下，照明比自发光更强。以这种方式，可以很好地观察加工区域，该加工区域也被称为处理区域。特别地，在激光加工时，由工件反射的照明激光束的光谱辐照度比工件在加工区域中的自发光的光谱辐照度大。
另外，照明的功率和/或光谱范围可以被调节或者选择成使得单独地或组合地满足不同的有利要求。如上所述，工件的照明、检测和热自发光可以基本上发生在可见至近红外电磁光谱区域中。例如，激光加工的金属的最大自发光通常在近红外区域(约760nm至2500nm)中，并且在可见区域(约300nm至780nm)中朝向较小的波长减小。如果照明激光束的光谱范围处于较小的波长，例如在蓝色光谱范围中，则与所选择或所调节的自发光的光谱范围相比，照明可以以比照明激光束的较长波长的光谱范围中的照明强度低的照明强度发生。还可以根据要求或任务来调节照明功率，例如根据工件的表面结构、材料和/或形状，和/或根据照明的目的来调节照明功率。此外，可以根据加工设备的出口开口来调节照明激光源的功率，例如可选地根据加工头的辐照喷嘴来调节照明激光源的功率。此外，调节照明激光器的功率可以提高针对加工设备的操作者的安全性。
在特定实施方式中，照明激光源的功率可以为100mW至3000mW，优选地为130mW至1000mW，进一步优选地为150mW至300mW。照明激光源的这样的功率允许加工过程的自发光的抑制或减少。此外，照明激光束的光谱范围的中心波长可以在300nm至1000nm的范围内，优选地在300nm至820nm的范围内，更优选地在300nm至550nm的范围内，进一步优选地在300nm至490nm的范围内。当使用典型的加工激光器时，照明激光束的这样的光谱范围可以意味着与较高的波长相比，需要不太亮或不太强的照明。照明激光束的光谱范围可以进一步被选择为具有小于 10nm、更优选地小于5nm的宽度的波长带。照明激光束的这种窄带——即光谱波长带的这种窄宽度——有助于抑制或减少加工过程期间工件的自发光。
此外，从激光束引导装置、加工激光源以及照明激光源中选择的至少一个元件可以被配置成生成工件的被照明的区域，所述工件的被照明的区域比工件的加工区域大，特别地工件的被照明的区域为加工区域的至少 1.5倍大，优选地工件的被照明的区域为加工区域的两倍大。这允许对加工区域进行广泛的照明。
在加工设备的另一实施方式中，激光束引导装置可以包括选自包括下述的组中的至少一个元件：至少一个光学单元，用于使加工激光束和/或照明激光束聚焦；以及至少一个单元，用于使照明激光束和/或加工激光束至少部分地偏转，该至少一个单元特别地为二向色镜。如果加工激光束和照明激光束借助于传输光纤同轴地被引导，则不需要难以安装在加工设备上特别是难以安装在加工设备的加工头上的成本密集设计的照明激光源。另外，加工设备或加工头不会因为附加地安装在其上的照明激光源而变得更复杂或更重。
如以上所提到的，从激光束引导装置、光学单元、加工激光源和照明激光源中选择的至少一个元件被配置成生成在轴向上彼此分开的照明激光束的焦点和加工激光束的焦点。该措施促进了加工区域周围的被照明的足够大的区域，特别是照明区域可以比加工区域大。另外，加工激光源和照明激光源可以被配置成产生由加工激光源和照明激光源产生的激光束的光谱范围不同；并且光学单元是色散的。如以上所提到的，加工激光束的光谱范围包括第一波长，并且照明激光束的光谱范围包括小于第一波长的第二波长。在这种情况下，第一波长可以是加工激光束的光谱范围的中心波长，并且第二波长可以是照明激光束的光谱范围的中心波长。借助于这些措施，单独地或组合地，可以实现照明激光的焦点与加工激光的焦点不一致。因此，照明区域可以比加工区域大，特别是如果加工激光的焦点停留在加工位置处。
如以上所提到的，传输光纤可以包括内部光纤芯。加工激光源和照明激光源耦接至传输光纤，以引导加工激光束通过内部光纤芯。这特别地适用于其中加工激光束和照明激光束借助于传输光纤同轴地被引导的实施方式。传输光纤可以包括：包围内部光纤芯的外部光纤芯；以及/或者包围内部光纤芯或外部光纤芯的光纤包层。加工激光源和照明激光源耦接至传输光纤，以引导照明激光束至少部分地通过外部光纤芯和/或通过光纤包层。单独或组合的利用这些措施，也可以使照明区域比加工区域大。另外，在该实施方式中，照明区域的实现的尺寸有利地独立于加工激光源和照明激光源的焦点的相对位置。此外，在其中照明激光束通过传输光纤被引导的所有实施方式中，很好地保护了照明激光源免受加工激光器中的污染。
在以上实施方式的修改中，外部光纤芯可以具有第一直径和/或光纤包层可以具有第二直径，以生成工件的被照明的区域，所述工件的被照明的区域比工件的加工区域大，特别地工件的被照明的区域为加工区域的至少1.5倍大，优选地工件的被照明的区域为加工区域的两倍大。
根据加工设备的另一实施方式，激光束引导装置可以具有用于对照明激光束进行选择性波束形成的单元，特别地具有用于进行选择性波束形成的至少一个衍射光学元件，其被配置成生成工件的被照明的区域，所述工件的被照明的区域比工件的加工区域大，特别地工件的被照明的区域为加工区域的至少1.5倍大，优选地工件的被照明的区域为加工区域的两倍大。术语“用于进行选择性波束形成的单元”具体指的是仅作用于加工激光波长或者仅作用于照明激光波长的一个或更多个衍射光学元件。
实施方式的加工设备还可以包括检测器装置，该检测器装置用于检测从工件反射的照明激光束，其中，检测器装置的光谱范围被选择或者可以被调节成使得检测器装置的光谱范围与照明激光束的光谱范围至少部分地一致，特别地检测器装置的光谱范围与所反射的照明激光束的光谱范围至少部分地一致。
本发明的另一实施方式涉及根据前述实施方式中任一实施方式所述的加工设备的用途，所述加工设备用于对工件进行激光加工，特别地所述加工设备用于激光切割。因此，在激光加工期间，特别是在对工件进行激光切割期间，实现了针对加工设备提到的优点和功能。
本发明的一个实施方式公开了一种用于对工件进行激光加工的方法，特别是用于激光切割的方法，特别得使用根据前述实施方式中任一实施方式的加工设备进行所述方法。该方法包括以下步骤：借助于来自加工激光源的加工激光束和来自照明激光源的照明激光束同轴地对工件进行辐照；其中，选择照明激光源的功率和照明激光束的光谱范围，使得在激光加工期间由照明激光束产生的照明比加工区域中工件的自发光更亮；其中，照明激光源的功率被选择或者调节成为至少50mW，照明激光束的光谱范围被选择或者调节成使得光谱范围的中心波长在300nm至1000nm的范围内，以及照明激光束的光谱范围被选择为具有小于20nm的宽度的波长带；其中，加工激光束和/或照明激光束被聚焦，使得照明激光束的焦点和加工激光束的焦点在轴向上彼此分开；其中，加工激光源和照明激光源被选择或者调节成使得由加工激光源和照明激光源生成的激光束的光谱范围不同；其中，加工激光束和照明激光束被引导通过色散光学单元；其中，加工激光束的光谱范围包括第一波长，并且照明激光束的光谱范围包括小于第一波长的第二波长；其中，将加工激光束和照明激光束同轴地引导通过至少一个传输光纤；其中，传输光纤包括内部光纤芯；其中，加工激光束被引导通过内部光纤芯；其中，传输光纤具有：包围内部光纤芯的外部光纤芯；以及/或者包围内部光纤芯或外部光纤芯的光纤包层；以及其中，照明激光束被至少部分地引导通过外部光纤芯和/或通过光纤包层。
在该方法中，照明激光源的功率可以被选择或者调节成为100mW至 3000mW，优选地为130mW至1000mW，进一步优选地为150mW至 300mW。此外，照明激光束的光谱范围可以被选择或者调节成使得光谱范围的中心波长在300nm至820nm的范围内，优选地在300nm至550nm 的范围内，进一步优选地在300nm至490nm的范围内。照明激光束的光谱范围可以被进一步选择为具有小于10nm、更优选地小于5nm的宽度的波长带。
在实施方式的方法中，加工激光束和照明激光束可以被引导，以及/ 或者从加工激光源和照明激光源中选择的至少一个元件被选择或者被调节成：使得工件的被照明的区域比工件的加工区域大，特别地工件的被照明的区域为加工区域的至少1.5倍大，优选地工件的被照明的区域为加工区域的两倍大。
该方法可以包括下述步骤中的至少一个：使根据加工激光束和照明激光束选择的至少一个元件聚焦；以及使照明激光束和/或加工激光束至少部分地偏转，特别地借助于二向色镜使照明激光束和/或加工激光束至少部分地偏转。
如以上所提到的，加工激光束的光谱范围包括第一波长，并且照明激光束的光谱范围包括小于第一波长的第二波长。在这种情况下，第一波长可以是加工激光束的光谱范围的中心波长，并且第二波长可以是照明激光束的光谱范围的中心波长。
针对外部光纤芯可以选择第一直径，以及/或者针对光纤包层可以选择第二直径，使得工件的被照明的区域比工件的加工区域大，特别地工件的被照明的区域为加工区域的至少1.5倍大，优选地工件的被照明的区域为加工区域的两倍大。
在实施方式的方法中，可以进一步选择性地形成照明激光束，特别地由至少一个衍射光学元件来引导照明激光束，使得工件的被照明的区域比工件的加工区域大，特别地工件的被照明的区域为加工区域的至少1.5倍大，优选地工件的被照明的区域为加工区域的两倍大。
实施方式的方法可以包括以下步骤：检测从工件反射的照明激光束，使得检测到下述光谱范围，该光谱范围与照明激光束的光谱范围至少部分地一致，特别地该光谱范围与所反射的照明激光束的光谱范围至少部分地一致。
利用以上实施方式的用于对工件进行激光加工的方法，可以实现与其中用于对工件进行激光加工的加工设备的实施方式相同的优点和功能，特别是具有相同的和/或相似的特征。
根据以下对实施方式、附图和从属权利要求的描述，其他特征和优点变得明显。
此处描述的实施方式的所有非互斥特征可以彼此组合。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在其他实施方式中使用，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，而不旨在由此进行任何限制。
附图说明
在附图中：
图1示意性地示出了根据本发明的实施方式的用于对工件进行激光加工的加工设备的第一示例。
图2示出了普朗克辐射光谱。
图3a至图3c示出了第一示例的修改中的传输光纤的示意性截面图和折射率分布。
图4示意性地示出了根据本发明的实施方式的用于对工件进行激光加工的加工设备的第二示例。
图5和图6示出了来自使用根据本发明的实施方式的加工设备加工的工件的未照明和照明的加工区域的视频摄像装置的记录。
具体实施方式
示例
下面尤其通过具有加工头的示例来描述根据本发明的实施方式的加工设备，但本发明不限制于此。根据本发明的实施方式的加工设备和方法也可以在没有加工头的情况下实现。
在实施方式中，术语“照明激光束的焦点和加工激光束的焦点在轴向上彼此分开”意指两个焦点沿朝向工件的辐照的方向在轴向上彼此分开，即沿与加工激光束和照明激光束同轴地延伸的光轴在轴向上彼此分开。
此外，在此处描述值范围的情况下，具有较窄替选或优选范围的宽范围的说明书也被认为公开了可以由指定的下限范围和指定的上限范围的任意组合形成的范围。
图1示意性地表示了根据本发明的实施方式的用于对工件进行激光加工的加工设备10的第一示例。
加工设备10具有用于产生加工激光束14的加工激光源10a。此外，提供了用于产生照明激光束16的照明激光源10b。另外，在加工设备10 中，存在用于加工激光束14和照明激光束16的出口开口10c。此外，提供了激光束引导装置。激光束引导装置被设计成使得加工激光束14和照明激光束16同轴地传导通过出口开口10c。在本示例中，激光束引导装置包括传输光纤17，加工激光源10a和照明激光源10b耦接至该传输光纤 17。加工激光源10a具有约6kW的功率，并且加工激光源10a在包括1070 nm的波长的光谱范围内生成加工激光束。照明激光源10b具有约300mW 的功率，并且生成具有在973nm至979nm的光谱范围内的中心波长、具有6nm的波长带的照明激光束16。
为了加工由不锈钢制成的工件11，加工激光源10a和照明激光源10b 以上述功率和光谱范围投入操作。由加工激光源10a和照明激光源10b的生成的加工激光束14和照明激光束16穿过激光束引导装置17，并且最终同轴地通过出口开口10c，从而被同轴地朝向工件11引导。以这种方式，通过加工激光束14在加工区域11a中对工件进行加工，使得生成工件的自发光。另外，加工区域11a由照明激光束16照明，使得可以观察工件 11的激光加工。
激光加工中的自发光是热的，即工件的自发光与图2中所示的普朗克辐射光谱成比例。不锈钢的激光加工的处理温度在其熔化温度的范围内。不锈钢以及使用激光加工的其他金属——例如在平板切割***上——通常具有低于3000K的熔化温度。这意味着包括不锈钢的这些金属在近红外区域中的最大热发射为760nm至2500nm。
在上述范围内选择照明激光源10b的功率和照明激光束16的光谱范围，使得在激光加工期间，由照明激光束16产生的照明比加工区域11a 中工件的自发光更亮。
与不锈钢在近红外区域中的最大自发光的波长即大于1000nm的波长相比，可以在较小的波长下对其进行照明和观察。因此，与在最大不锈钢自发光的波长范围内的照明相比，针对照明激光束16的所选择的光谱范围需要较低的照明强度。以这种方式，与在所观察的光谱范围内的照明相比，工件11的自发光不太亮，因此可以以较低的工件的自发光来观察加工区域11a。
作为照明激光束16的光谱范围的替选或补充，根据要求或任务来调节照明功率，例如根据工件的表面结构、材料和/或形状如厚度，和/或根据要求的照明来调节照明功率。此外，可以根据加工设备的出口开口来调节照明激光源的功率，例如可选地根据加工头的辐照喷嘴来调节照明激光源的功率。此外，调节照明激光源的功率可以提高针对加工设备的操作者的安全性，特别是眼睛安全性。这特别是在维修开放式加工设备或开放式加工头时可以是有利的。例如，在这样的情况下或在类似的情况下，例如，具有至少50mW的功率的照明激光源可以减小至小于1mW功率，使得照明激光源对于眼睛基本上是安全的。
如果使用具有至少50mW的功率的照明激光源，除了功率的调节之外，还可以采取与使用加工激光器类似的安全预防措施以保护操作者的眼睛。一种可能性是将照明激光器集成在加工激光器的安全电路中。安全电路允许照明激光源仅在确认激光释放和/或机器外壳关闭时开启。替选地，特别是在(开放式)激光头/机器内部的维修期间，要注意在没有眼睛安全预防措施例如安全性眼镜的情况下不要打开照明激光器。
在第一示例的修改中，照明激光源10a的功率为约50mW，并且所生成的照明激光束16具有在约486nm至490nm的范围内的中心波长。即使具有照明激光源的该功率和/或具有照明激光束的该光谱范围，不锈钢工件在所述光谱范围内的自发光与照明相比也不太亮，因此可以观察到加工区域11a具有减少或抑制的自发光。照明激光束的光谱范围被选择为4nm的波长带。该窄带有助于抑制或减少在加工过程期间的工件的自发光。此外，因为与照明的第一示例相比选择了较短的波长，所以需要较少的功率。
第一示例的另一修改涉及传输光纤17。此处，传输光纤17被设计成具有内部光纤芯17a、包围内部光纤芯17a的外部光纤芯17b以及包围外部光纤芯17b的光纤包层17c。传输光纤17在图3a中以沿传输光纤17 的截面图示出，并且在图3b中以横向于传输光纤17的截面图示出。图 3c示出了与图3b的截面对应的传输光纤的折射率分布。加工激光源10a 和照明激光源10b耦接至传输光纤17，使得加工激光束14由内部光纤芯 17a引导，并且照明激光束16也由外部光纤芯17b部分地引导。这种配置使得工件的被照明的区域比工件的加工区域11a基本上大至少1.5倍。此外，照明激光束16可以附加地被引导通过光纤包层17c，其中同样地工件的被照明的区域大于加工区域。在所有这些情况下，借助于传输光纤17 同轴地引导加工激光束14和照明激光束16。
应当注意的是，一些光纤被配置成没有外部芯，并且(内部)芯由包层直接围绕。在这种情况下，照明激光束也可以被引导通过光纤包层。在这样的示例中，光纤芯可以具有100μm的直径，并且围绕芯的光纤包层可以具有150μm或360μm的直径。
如在图3a至图3c的示例中，如果照明激光束16经由外部光纤芯17b 或者附加地经由传输光纤17的光纤包层17c传导，则照明激光束16比加工激光束14宽。加工激光束14仅由内部明显较小的光纤芯17a引导；参见图3a和图3b。由于工件11的加工区域11a在加工激光束16的延伸的区域内，因此加工区域11a小于照明区域。原则上可以在光纤设计期间选择外部芯17b的直径或光纤包层17c的直径。根据照明区域的期望延伸，可以选择相应大的光纤包层或外部芯直径。该措施确保加工区域11a周围的被照明的区域足够大，该措施与加工激光束14和照明激光束16的焦点位置无关。加工区域11a与照明区域的尺寸比特别地取决于外部芯17b的直径。光纤的设计是不同的，并且可以根据光纤17的制造商来选择；例如，内部光纤芯的直径可以为100μm，并且外部光纤芯的直径可以为150 μm或360μm(距光纤的中心)。
在第一示例的进一步修改中，激光束引导装置包括传输光纤17或者不包括传输光纤17，并且包括选自以下组中的至少一个元件(图1中未示出)：用于使加工激光束和/或照明激光束聚焦的至少一个光学单元，例如聚焦透镜；以及用于使照明激光束和/或加工激光束至少部分地偏转的至少一个单元，特别是二向色镜。在每种情况下，激光束引导装置使加工激光束和照明激光束同轴地被引导。
如果在本示例及其修改中，加工激光束和照明激光束借助于传输光纤 17同轴地被引导，则不需要难以安装在加工设备上特别是难以安装在加工设备的加工头上的成本密集设计的照明激光源。另外，加工设备或加工头不会因为附加地安装在其上的照明激光源而变得更复杂或更重。
第一示例的另一修改包括视频摄像装置，作为用于检测从工件反射的照明激光束的检测器装置(图1中未示出)，其中，检测器装置的光谱范围被选择或者是可调节的，使得检测器装置的光谱范围至少部分地与照明激光束特别是反射的照明激光束的光谱范围一致。在这种情况下，可以选择根据照明激光源的功率和照明激光束的光谱范围选择的元件，使得在所检测到的光谱范围中所检测到的自发光小于由工件反射和所检测到的照明激光束的功率。可以将检测器装置的所检测到的光谱范围选择为具有小于20nm、优选地小于10nm、更优选地小于5nm的宽度的波长带。此外，所检测到的光谱范围可以在照明激光束的光谱范围内，或者所检测到的光谱范围基本上检测到照明激光束的光谱范围或者所检测到的光谱范围基本上与照明激光束的光谱范围一致。例如，视频摄像装置可以用作同轴地记录观察区域的检测器装置。以这种方式，通过视频摄像装置监视加工区域。也可以使用一维的检测器阵列来代替二维的、空间分辨的检测单元，例如摄像装置，该一维的检测器阵列的定向被设置成横向于切割方向。使用切割方向，可以沿垂直于阵列的方向找到空间分辨率。
图5和图6示出了利用根据第一示例的以上修改的加工设备在不锈钢工件的激光切割过程中来自同轴视频摄像装置的记录。经加工的工件在激光切割过程期间热发射，即具有在大光谱范围内的宽带。如果仅在窄光谱带中检测，则工件的自发光的检测到的功率相应地低得多。激光是固有的窄带。激光的所有能量将仅存在于窄光谱带中。如果优选地仅在其中发射激光的光谱带中检测到窄带，则为了提供与自发光的亮度相比更亮的照明，需要显著较小的照明功率。在当前情况下，视觉印象特别重要。
图5示出了在没有照明的情况下的激光切割过程的摄像装置记录。本质上，可以看到处理的自发光。在图6中，在切割过程中附加地开启照明激光器。对于来自图6的记录，与没有照明的情况相比，需要显著短的摄像装置曝光时间。自发光被强烈抑制(在切口间隙的中间人们仍然可以微弱地看到自发光)；然而，切割间隙的环境清晰可见。
在进一步的修改中，激光束引导装置或者激光束引导装置的单个或多个元件至少部分地具有用于减少照明激光束的反射的外部涂层。涂层与所选择的照明和观察光谱相匹配。这使得反射的照明激光束16的最大可能部分被观察，并且发生尽可能少的光学单元的刺激性反射。特别地，以这种方式避免来自平面光学单元的反射是有利的。在该修改中，在照明激光束16的波长处，二向色镜具有例如约50％的反射与透射比。所有其他光学元件在照明波长处基本上是100％透射的。
图4示意性地示出了根据本发明的实施方式的用于对工件进行激光加工的加工设备100的第二示例。
在图4的示例中，传输光纤17横向地耦接至加工设备100的加工头 12。此外，提供了二向色镜13，该二向色镜13对加工激光束14和照明激光束16进行反射，并且对于在照明的波长范围内由工件11反射的辐射为至少部分透明的。二向色镜13被定向在加工头12内，使得加工激光束 14和照明激光束16朝向出口开口10c偏转。另外，在二向色镜13与出口开口10c之间是光学单元，该光学单元在本示例中被设计为聚焦透镜18。此外，提供了以视频摄像装置15的形式的检测器装置。二向色镜13设置在聚焦透镜18与视频摄像装置15之间。这使得对于由工件反射的照明光束14可以至少部分地通过聚焦透镜18和二向色镜13入射在视频摄像装置15上。
在操作期间，加工激光束16和照明激光束14经由传输光纤17被横向引导至加工头12中，在二向色镜13处朝向工件11偏转并且通过聚焦透镜18聚焦到工件11上。照明激光束14通过出口开口10c至少部分地反射回至加工头12中，照明激光束14透射通过聚焦透镜18和二向色镜 13并且入射在视频摄像装置15上。以这种方式，用照明激光束16来照明由加工激光14加工的工件11的加工区域11a，并且借助于至少部分地反射在视频摄像装置15上的照明激光束来观察该加工区域11a。
在第二示例的变型中，从聚焦透镜18、加工激光源10a和照明激光源 10b中选择的至少一个元件被设计成或者可以被调节成：使得照明激光束 16的焦点和加工激光束14的焦点在轴向上彼此分开，特别是在光轴上彼此分开。这种设计促进了对加工区域11a周围足够大的区域的照明。特别地，照明区域可以较大，例如照明区域为加工区域11a的至少1.5倍大，优选地照明区域为加工区域11a的两倍大，加工区域11a也被称为处理相互作用区。
根据特定的修改，加工激光源10a和照明激光源10b被设计成或者可以被调节成使得由加工激光源10a和照明激光源10b生成的激光束的光谱范围不同，并且聚焦透镜18被设计成为色散的。
在第二示例的以上修改中，照明激光束16的焦点和加工激光束14的焦点不一致，而是照明激光束16的焦点和加工激光束14的焦点在光轴上轴向地彼此分开。这是通过以下事实来实现的：加工激光束14和照明激光束16的波长是发散的，并且光学单元——在本修改中为聚焦透镜18——被设计成为色散的，即光学单元具有取决于波长的折射率。光学单元具有取决于波长的折射率是基本上所有已知光学材料的情况。
利用已知的透镜焦距公式，在加工激光束14和照明激光束16的两个波长的焦距中存在差Δf＝f2－f1。
Figure GDA0003037733990000131
其中，两个波长的折射率由n1和n2表示，并且使用Δn＝n2－n1。当使用成像光学单元此处为聚焦透镜18的大半径r1和r2并且Δn大时，Δf有利地大。由于在本示例中也具有1070nm的波长的加工激光束14，因此优选地是照明激光束16具有小于1070nm的波长、特别是具有蓝色光谱范围的波长。
根据第二示例的另一修改，借助于波束形成实现了照明中的进一步改善。在这种情况下，激光束引导装置包括用于对照明激光束进行选择性波束形成的单元，例如修改的聚焦透镜18，其被设计成使得工件11的被照明的区域大于工件11的加工区域，特别地工件11的被照明的区域为加工区域11a的至少1.5倍大，优选地为加工区域11a的两倍大。这种波束形成仅作用在照明激光束16上，而不作用在加工激光束14上。
所述选择性波束形成的示例可以是下述衍射光学元件，该衍射光学元件仅影响具有在照明激光波长的范围内的波长的辐射并且使加工激光束 14保持不变。作为衍射光学元件，也可以在(已经存在的)光学元件上使用衍射光栅。
另一示例可以是用于最佳照明的波束形成元件，该波束形成元件被实施和/或设计成使得仅在传输光纤17的外部芯上引导的照明激光束16受到影响，并且加工激光束14保持不变。
最后，应当注意，本发明的描述和示例性实施方式不应被理解为对在本发明的特定物理实现方面的限制。可以在根据本发明的主题中以不同的组合提供结合本发明的各个实施方式说明和示出的所有特征，以同时实现所有特征的有利效果。
本发明的保护范围由权利要求书给出，并且不受说明书中示出或附图中示出的特征的限制。
对于本领域技术人员而言特别明显的是，本发明不仅可以用于激光加工***，而且可以用于包括激光器的其他装置。此外，用于对工件进行激光加工的加工设备的部件可以被制造成分布在若干个物理产品上。
附图标记列表
10 加工设备
10a 加工激光源
10b 照明激光源
10c 出口开口
11 工件
11a 加工区域
12 加工头
13 二向色镜
14 加工激光束
15 检测器装置，例如视频摄像装置
16 照明激光束
17 激光束引导装置，例如传输光纤
17a 内部光纤芯
17b 外部光纤芯
17c 光纤包层
18 光学单元，例如聚焦透镜
100 加工设备

Claims (48)

1.一种用于对工件进行激光加工的加工设备，所述加工设备具有：
加工激光源(10a)，被配置成生成加工激光束(14)；
照明激光源(10b)，具有被配置成生成具有光谱范围的照明激光束(16)的功率；
出口开口(10c)，用于所述加工激光束(14)和所述照明激光束(16)；以及
激光束引导装置，被配置成同轴地引导所述加工激光束(14)和所述照明激光束(16)通过所述出口开口；
其中，所述激光束引导装置包括至少一个传输光纤(17)和至少一个光学单元(18)，所述至少一个光学单元(18)用于使从所述加工激光束(14)和所述照明激光束(16)选择的至少一个元素聚焦；
其中，所述光学单元(18)是色散的；
其中，选择所述照明激光源(10b)的功率和所述照明激光束(16)的所述光谱范围，以在激光加工期间由所述照明激光束(16)产生照明，所述照明比加工区域(11a)中所述工件的自发光更亮；
其特征在于：
所述照明激光源(10b)的功率为至少50mW，所述照明激光束(16)的光谱范围的中心波长在300nm至1000nm的范围内，并且所述照明激光束(16)的光谱范围为具有小于20nm的宽度的波长带；
从所述激光束引导装置、所述光学单元(18)、所述加工激光源(10a)以及所述照明激光源(10b)中选择的至少一个元件被配置成：生成在轴向上彼此分开的所述照明激光束(16)的焦点和所述加工激光束(14)的焦点；
所述加工激光源(10a)和所述照明激光源(10b)被配置成产生由所述加工激光源(10a)和所述照明激光源(10b)生成的所述激光束(14，16)的不同光谱范围；
所述加工激光束(14)的光谱范围包括第一波长，并且所述照明激光束(16)的光谱范围包括小于所述第一波长的第二波长；
所述至少一个传输光纤(17)被配置成同轴地引导所述加工激光束(14)和所述照明激光束(16)；
所述传输光纤(17)具有内部光纤芯(17a)；
所述加工激光源(10a)和所述照明激光源(10b)耦接至所述传输光纤，以引导所述加工激光束(14)通过所述内部光纤芯；
所述传输光纤(17)具有：包围所述内部光纤芯(17a)的外部光纤芯(17b)；以及/或者包围所述内部光纤芯或所述外部光纤芯的光纤包层(17c)；以及
所述加工激光源(10a)和所述照明激光源(10b)耦接至所述传输光纤，以引导所述照明激光束(16)至少部分地通过从所述外部光纤芯(17b)和所述光纤包层(17c)选择的至少一个元件。
2.根据权利要求1所述的加工设备，其中，所述加工设备用于激光切割。
3.根据权利要求1所述的加工设备，其中，所述照明激光源(10b)的功率为100mW至3000mW。
4.根据权利要求1所述的加工设备，其中，所述照明激光源(10b)的功率为130mW至1000mW。
5.根据权利要求1所述的加工设备，其中，所述照明激光源(10b)的功率为150mW至300mW。
6.根据权利要求1所述的加工设备，其中，所述照明激光束(16)的所述光谱范围的中心波长在300nm至820nm的范围内。
7.根据权利要求1所述的加工设备，其中，所述照明激光束(16)的所述光谱范围的中心波长在300nm至550nm的范围内。
8.根据权利要求1所述的加工设备，其中，所述照明激光束(16)的所述光谱范围的中心波长在300nm至490nm的范围内。
9.根据权利要求1所述的加工设备，其中，所述照明激光束(16)的所述光谱范围为具有小于10nm的宽度的波长带。
10.根据权利要求1所述的加工设备，其中，所述照明激光束(16)的所述光谱范围为具有小于5nm的宽度的波长带。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的加工设备，
其中，从所述激光束引导装置、所述加工激光源(10a)以及所述照明激光源(10b)中选择的至少一个元件被配置成生成所述工件(11)的被照明的区域，所述工件(11)的被照明的区域比所述工件的所述加工区域大。
12.根据权利要求11所述的加工设备，其中，所述工件(11)的被照明的区域为所述加工区域的至少1.5倍大。
13.根据权利要求11所述的加工设备，其中，所述工件(11)的被照明的区域为所述加工区域的两倍大。
14.根据权利要求1至10中任一项所述的加工设备，
其中，所述激光束引导装置包括至少一个单元(13)，用于使所述照明激光束(16)和/或所述加工激光束(14)至少部分地偏转。
15.根据权利要求14所述的加工设备，其中，所述至少一个单元(13)为二向色镜。
16.根据权利要求1至10中任一项所述的加工设备，
其中，所述外部光纤芯(17b)具有第一直径以及/或者所述光纤包层(17c)具有第二直径，以生成所述工件的被照明的区域，所述工件的被照明的区域比所述工件的所述加工区域大。
17.根据权利要求16所述的加工设备，其中，所述工件的被照明的区域为所述加工区域的至少1.5倍大。
18.根据权利要求16所述的加工设备，其中，所述工件的被照明的区域为所述加工区域的两倍大。
19.根据权利要求1至10中任一项所述的加工设备，
其中，所述激光束引导装置具有用于对所述照明激光束(16)进行选择性波束形成的单元(18)，其被配置成生成所述工件的被照明的区域，所述工件的被照明的区域比所述工件的所述加工区域大。
20.根据权利要求19所述的加工设备，其中，所述激光束引导装置具有用于进行选择性波束形成的至少一个衍射光学元件。
21.根据权利要求19所述的加工设备，其中，所述工件的被照明的区域为所述加工区域的至少1.5倍大。
22.根据权利要求19所述的加工设备，其中，所述工件的被照明的区域为所述加工区域的两倍大。
23.根据权利要求1至10中任一项所述的加工设备，所述加工设备具有：
检测器装置(15)，所述检测器装置(15)用于检测从所述工件反射的所述照明激光束(16)，其中，所述检测器装置的光谱范围被选择或者是能够调节的，使得所述检测器装置的所述光谱范围与所述照明激光束(16)的光谱范围至少部分地一致。
24.根据权利要求23所述的加工设备，其中，所述检测器装置的所述光谱范围与所反射的照明激光束的光谱范围至少部分地一致。
25.一种用于对工件进行激光加工的方法，所述方法使用根据权利要求1至24中任一项所述的加工设备，所述方法包括以下步骤：
利用来自加工激光源(10a)的加工激光束(14)和来自照明激光源(10b)的照明激光束(16)同轴地对工件进行辐照；
其中，所述加工激光束(14)和所述照明激光束(16)被引导通过色散光学单元；
其中，选择所述照明激光源(10b)的功率和所述照明激光束(16)的光谱范围，使得在激光加工期间由所述照明激光束(16)产生的照明比加工区域中所述工件的自发光更亮；
其特征在于：
所述照明激光源(10b)的功率被选择或者调节成为至少50mW，所述照明激光束(16)的光谱范围被选择或者调节成使得所述光谱范围的中心波长在300nm至1000nm的范围内，以及所述照明激光束(16)的光谱范围被选择为具有小于20nm的宽度的波长带；
从所述加工激光束(14)和所述照明激光束(16)选择的至少一个元素被聚焦，使得所述照明激光束(16)的焦点和所述加工激光束(14)的焦点在轴向上彼此分开；
所述加工激光源(10a)和所述照明激光源(10b)被选择或者调节成使得由所述加工激光源(10a)和所述照明激光源(10b)生成的所述激光束(14，16)的光谱范围不同；
所述加工激光束(14)的光谱范围包括第一波长，并且所述照明激光束(16)的光谱范围包括小于所述第一波长的第二波长；
将所述加工激光束(14)和所述照明激光束(16)同轴地引导通过至少一个传输光纤(17)；
所述传输光纤(17)包括内部光纤芯(17a)；
所述加工激光束被引导通过所述内部光纤芯；
所述传输光纤(17)具有：包围所述内部光纤芯(17a)的外部光纤芯(17b)；以及/或者包围所述内部光纤芯或所述外部光纤芯的光纤包层(17c)；以及
所述照明激光束(16)被至少部分地引导通过从所述外部光纤芯(17b)和所述光纤包层(17c)选择的至少一个元件。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述方法用于激光切割。
27.根据权利要求25所述的方法，
其中，所述照明激光源(10b)的功率被选择或者调节成为至少100mW至3000mW。
28.根据权利要求25所述的方法，其中，所述照明激光源(10b)的功率被选择或者调节成为130mW至1000mW。
29.根据权利要求25所述的方法，其中，所述照明激光源(10b)的功率被选择或者调节成为150mW至300mW。
30.根据权利要求25所述的方法，其中，所述照明激光束(16)的所述光谱范围被选择或者调节成使得所述光谱范围的中心波长在300nm至820nm的范围内。
31.根据权利要求25所述的方法，其中，所述照明激光束(16)的所述光谱范围被选择或者调节成使得所述光谱范围的中心波长在300nm至550nm的范围内。
32.根据权利要求25所述的方法，其中，所述照明激光束(16)的所述光谱范围被选择或者调节成使得所述光谱范围的中心波长在300nm至490nm的范围内。
33.根据权利要求25所述的方法，其中，所述照明激光束(16)的所述光谱范围被选择为具有小于10nm的宽度的波长带。
34.根据权利要求25所述的方法，其中，所述照明激光束(16)的所述光谱范围被选择为具有小于5nm的宽度的波长带。
35.根据权利要求25至34中任一项所述的方法，
其中，所述加工激光束(14)和所述照明激光束(16)被引导，以及/或者
从所述加工激光源(10a)和所述照明激光源(10b)中选择的至少一个元件被选择或者被调节成：使得所述工件的被照明的区域比所述工件的所述加工区域大。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，所述工件的被照明的区域为所述加工区域的至少1.5倍大。
37.根据权利要求35所述的方法，其中，所述工件的被照明的区域为所述加工区域的两倍大。
38.根据权利要求25至34中任一项所述的方法，
包括下述步骤中的至少一个：
使从所述加工激光束(14)和所述照明激光束(16)选择的至少一个元素聚焦；以及
使所述照明激光束和/或所述加工激光束(14)至少部分地偏转。
39.根据权利要求38所述的方法，其中，借助于二向色镜使所述照明激光束和/或所述加工激光束(14)至少部分地偏转。
40.根据权利要求25至34中任一项所述的方法，
其中，针对所述外部光纤芯(17b)选择第一直径，以及/或者针对所述光纤包层(17c)选择第二直径，使得所述工件的被照明的区域比所述工件的所述加工区域大。
41.根据权利要求40所述的方法，其中，所述工件的被照明的区域为所述加工区域的至少1.5倍大。
42.根据权利要求40所述的方法，其中，所述工件的被照明的区域为所述加工区域的两倍大。
43.根据权利要求25至34中任一项所述的方法，
其中，选择性地形成所述照明激光束(16)，使得所述工件的被照明的区域比所述工件的所述加工区域大。
44.根据权利要求43所述的方法，其中，由至少一个衍射光学元件来引导所述照明激光束，使得所述工件的被照明的区域比所述工件的所述加工区域大。
45.根据权利要求43所述的方法，其中，所述工件的被照明的区域为所述加工区域的至少1.5倍大。
46.根据权利要求43所述的方法，其中，所述工件的被照明的区域为所述加工区域的两倍大。
47.根据权利要求25至34中任一项所述的方法，还包括下述步骤：
检测从所述工件反射的所述照明激光束(16)，使得检测到下述光谱范围，该光谱范围与所述照明激光束(16)的光谱范围至少部分地一致。
48.根据权利要求47所述的方法，其中，检测到的所述光谱范围与所反射的照明激光束的光谱范围至少部分地一致。
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