CN113924184B - 用于激光加工工件的加工设备和激光加工工件的方法 - Google Patents

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Abstract

根据本申请，提供了一种用于在加工区(13)中激光加工工件(12)的加工设备(10)，该加工设备(10)具有：用于激光加工源的第一接口(14)，激光加工源用于产生加工激光束(15)；用于检测器装置的第二接口(16)，检测器装置用于检测由加工区(13)发出的辐射(17)；用于加工激光束(14)的出口开口(18)；以及第一激光束导引装置(20)和第二激光束导引装置(22)，其中，第一激光束导引装置(20，20a，20b)布置并设计成使得该第一激光束导引装置将加工激光束(14)导引至第二激光束导引装置(22)并且动态地移动加工激光束(14)，以及第二激光束导引装置(22)布置并设计成使得该第二激光束导引装置将动态移动的加工激光束(14)导引穿过出口开口(18)并且将由加工区(13)发出的穿过出口开口的辐射(17)至少部分地导引至第二接口(16)。还提供了用于激光加工工件(12)的方法。

Description

用于激光加工工件的加工设备和激光加工工件的方法
技术领域
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。
背景技术
激光加工设备在激光加工工件中使用，特别是在用于借助于激光辐射进行材料热分离的方法、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金属片材上。
根据工件类型、例如根据金属片材厚度和工件的材料和/或根据加工工艺，可能需要采用不同的激光束。一些可商购的激光加工头为来自激光源的激光束提供不可变的光学成像比。然而，在实践中，这种类型的成像可能被视为折衷，因为固定成像与切割质量中的损失、特别是与粗糙度和毛刺粘附相关联以及与较低的进给速度、尤其是与用于中型到大型金属片材厚度的进给速度相关联。近年来，已经开发了用于激光加工头的变焦光学器件，以使聚焦激光束的光斑尺寸适于相应的应用(例如，在激光切割的情况下适于金属片材厚度和材料)。
还存在使激光束适于加工工艺的方法，其中，激光束的强度分布和/或质量、特别是光束参数乘积(BPP)可以适于以下应用：
US8781269 B2描述了一种用于改变激光束的光束轮廓特性的方法。
US9250390 B2涉及一种用于激光加工***的波导***，利用该波导***，可以动态地调节激光束的发散度并且同时调节光斑尺寸。
US9346126 B2公开了一种激光加工头，该激光加工头利用球面透镜对由激光振荡器发出的激光束进行会聚。
EP2730363 A1描述了一种用于激光加工设备的光学***，利用该光学***，可以借助于透镜和轴锥体改变激光束的强度分布。
EP2762263 A1涉及一种激光切割设备，其中，借助于聚光透镜产生具有扩大的内径和外径的环形激光束。
根据DE2821883 Bl，可以借助于轴锥体和下游透镜产生环形或杯形的温度分布，从而引起工件中的温度的均匀化。
DE102015116033 A1描述了一种具有光学传输元件的激光加工设备，该光学传输元件具有光束直径扩大部分。
EP2778746 Bl公开了一种装置，利用该装置可以使得焦平面中的光束斑点的尺寸参数不同。
DE102015101263 A1涉及一种用于借助于激光辐射进行材料加工的设备，该设备具有用于设置具有至少两个板形的光学构件的强度分布的设置光学器件和聚焦光学器件。
DE102008053397 B4公开了一种用于使用激光辐射来熔断切割工件的方法，其中，通过叠加在进给运动上的激光束的焦点的运动使切割前沿的倾斜角永久地改变，以这种方式使得激光束的入射角保持在布鲁斯特角(Brewster angle)周围的间隔内。
DE102017210098 A1公开了一种用于反射或透射扫描仪的光束的扫描头装置。
DE102009047105 A1描述了包括由单个反射聚焦镜元件形成的反射聚焦光学器件的成像光学器件。
高频光束振荡是动态光束成形的技术之一，并且具有可以产生不同强度分布的巨大优势，并且在使激光束适于相应的金属片材厚度/质量方面具有高度灵活性。以这种方式，激光加工也可以实现更好的结果(见Goppold等人：Chancen und Herausforderungender dynamischen Strahlformung，Deutscher Schneidkongress，2018；Goppold等人：Dynamic Beam Shaping Improves Laser Cutting of Thick Steel Plates，IndustrialPhotonics，2017；Goppold等人：Laserschmelzschneiden mit dynamischerStrahlformung，Fraunhofer IWS Jahresbericht，2015；Mahrle等人：Theoreticalaspects of fibre laser cutting，Journal ofPhysics D Applied Physics，2009)
与激光束工具同样重要的是，激光加工设备尽可能自主地且自给自足地工作，从而可以在没有任何操作人员或操作人员尽可能少的情况下用于生产中。在这种情况下，通常采用具有调节的过程监测，从而自动地检测并且可以理想地校正激光加工中的不被期望的过程行为。与加工激光束同轴的工件的加工区的相机观察、例如利用同轴照明，构成了过程观察的示例。
发明内容
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，其允许动态光束成形与过程观察同时进行。
该目的通过根据具体实施方式所述的用于对工件进行激光加工的加工设备、加工设备的用途以及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，提供了一种加工设备，该加工设备用于在加工区中对工件进行激光加工、特别地用于对工件进行激光切割，该加工设备特别地为激光加工头，该加工设备具有：第一接口，该第一接口用于加工激光源，该加工激光源用于产生加工激光束；第二接口，该第二接口用于检测器装置，该检测器装置用于检测由加工区发出的辐射；出口开口，该出口开口用于加工激光束；以及第一激光束导引装置和第二激光束导引装置，其中，该第一激光束导引装置布置并设计成使得第一激光束导引装置将加工激光束导引至该第二激光束导引装置并且动态地移动加工激光束、特别地动态地成形加工激光束，以及第二激光束导引装置布置并设计成使得第二激光束导引装置将动态地移动的加工激光束导引穿过出口开口并且将由加工区发出的穿过出口开口的辐射至少部分地导引至第二接口；其中，第一激光束导引装置设计成使得加工激光束以小于或大于90°的角度偏转至少一次，并且以小于90°的角度偏转至少一次；其中，第一激光束导引装置具有至少一个用于加工激光束的偏转装置，该偏转装置可以借助于至少一个运动单元至少部分地动态移动。
因此，加工激光束可以借助于第一激光束导引装置动态地移动并且借助于第二激光束导引装置被导引穿过出口开口。同时，由经加工的工件发出的、穿过出口开口的辐射可以从第二激光束导引装置被导引至第二接口，例如为了过程观察的目的。这允许由加工区发出的、穿过出口开口的并且导引至第二接口的辐射的光束路径被布置成与加工激光的光束路径的部分分离并且不受其影响，其中，产生了加工激光束的动态运动、特别是加工激光束的光束成形运动。在出口开口与第二激光束导引装置之间的区域中，由加工区发出的并被导引至第二接口的辐射的光束路径可以与加工激光束的光束路径同轴地延伸。另外，实现了加工激光束的光束路径的节省空间的布置结构以及实现了由加工区发出的、穿过出口开口并被导引至第二接口的辐射的光束路径的节省空间的布置结构。此外，加工设备即使被设计为加工头也可以用于功率大于4kW的加工激光，因为加工激光的光束路径的部分是分开布置的，在加工激光的光束路径的部分中产生的加工激光束的动态运动和/或光束改变运动。特别地，加工激光束可以至少垂直于其传播方向动态地移动。以这种方式，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，同时由加工区发出的、穿过出口开口并被导引至第二接口的辐射保持不受影响。
第二接口可以连接至检测器装置或设置有检测器装置，检测器装置用于检测由加工区发出的、穿过出口开口的至少部分辐射。这允许加工区的基于检测器的过程观察的光束路径布置成与加工激光束的光束路径分开，使得过程观察不受加工激光束的动态运动的光束改变效应的影响。
第二激光束导引装置可以设计成使得加工激光束被偏转。因此，加工激光束可以在加工设备内偏转至少一次。当发生偏转时，可以执行光束成形。当发生加工激光束的另一偏转时，该偏转可以与过程观察相结合。以这种方式，可以为由加工区发出的、穿过出口开口的辐射创造单独的非光束改变区域，并且加工激光束可以在光束改变区域中被改变、例如成形，而不影响用于过程观察检测器、例如相机的加工区的成像。另外，这些实施方式促进了加工设备的节省空间的设计。
如上所述，第一激光束导引装置具有至少一个用于加工激光束的偏转装置，该偏转装置借助于至少一个运动单元能够至少部分地动态移动。为了该目的，偏转装置可以具有至少部分地反射加工激光束的能够动态地移动的表面。这些实施方式提供了加工设备的特别节省空间的构型。
偏转装置还可以具有至少一个可动态定向的镜。加工激光束因此可以成形成能够高度可变。
在其他实施方式中，第一激光束导引装置可以具有至少一个检流计扫描器。偏转装置可以设计为检流计扫描器。这允许不同的光束供应到加工设备。另外，检流计扫描器能够作为成品单元获得并且可以容易地在加工设备中采用。另外，检流计扫描器允许加工激光束的高度灵活的动态光束成形、特别是垂直于其传播方向的光束成形，并且因此提供激光束斑点的几乎任何强度分布和光束参数乘积。
在一个实施方式中偏转装置可以具有至少一个分段镜，该分段镜具有多个镜区段，镜区段中的每个镜区段都能够动态地定向。根据替代性实施方式，偏转装置可以具有至少一个可动态变形的镜。在这两种设计中，偏转装置可以提供至少部分地反射加工激光束的总表面，总表面的表面几何形状、特别是总表面的曲率能够高度动态地调节。因此，通过这些实施方式，不仅能够垂直于加工激光束的传播方向实现加工激光束的高度灵活的动态光束成形。还能够平行于激光束传播方向实现调节激光束的焦点的位置，特别是实现加工设备的光学***的焦距的改型、例如变焦功能。
在上述实施方式中，偏转装置可以具有选自下述项中的至少一个元件：使用至少一个压电致动器的可变形镜、可变形双压电晶片镜、基于MEMS或MOEMS的可变形镜和基于振荡线圈的可变形镜。
根据其他实施方式，偏转装置可以具有至少一个镜，该镜能够绕与镜的反射平面形成角度的轴线旋转，并且该镜能够定向成使得该角度大于或小于90°。这允许设置镜的倾斜角度，并且倾斜的镜能够绕其轴线快速旋转，例如以100Hz至10kHz的频率旋转。如果角度设置为不等于90°，则激光束描述了圆形运动。以这种方式，加工激光束可以以具有可调节的半径的圆形路径以高速被导引到工件上。因此，对于热惰性切割过程，高度动态移动的加工激光束在平均时间内可以像所谓的环形光束一样工作。
在另一实施方式中，提供了一种加工设备，该加工设备用于在加工区中对工件进行激光加工，特别地用于对工件进行激光切割，该加工设备特别地为激光加工头，该加工设备具有：第一接口，该第一接口用于加工激光源，该加工激光源用于产生加工激光束；第二接口，该第二接口用于检测器装置，该检测器装置用于检测由加工区发出的辐射；出口开口，该出口开口用于加工激光束；以及第一激光束导引装置和第二激光束导引装置，其中，第一激光束导引装置布置并设计成使得该第一激光束导引装置将加工激光束导引至第二激光束导引装置并且动态地移动加工激光束、特别地动态地成形加工激光束，以及第二激光束导引装置布置并设计成使得该第二激光束导引装置将动态地移动的加工激光束导引穿过出口开口并且将由加工区发出的穿过出口开口的辐射至少部分地导引至第二接口；其中，所述第一激光束导引装置设计成使得加工激光束以小于或大于90°的角度偏转至少一次并且以小于90°的角度偏转至少一次；其中，第一激光束导引装置具有至少一个光学单元，抛物面该光学单元借助于至少一个运动单元至少部分地动态移动，并且该第一激光束导引装置具有至少一个用于加工激光束的、不能动态移动的第一偏置装置。因此，可以在将加工激光束联接或供应到加工设备中的区域内实现加工激光束的动态移动，然后可以将该光束导引到第二激光束导引装置，而无需另外的能够动态地移动的导引元件。特别地，加工激光束的振荡摆动光束运动可以借助于能够动态地移动的光学单元来实现。
至少一个光学单元可以是折射光学单元和/或离轴抛物面镜、特别是能够动态地移动的激光纤维末端单元。在上述另一实施方式中，第二接口可以连接至或设置有检测器装置，该检测器装置用于检测由加工区发出的、穿过出口的至少部分辐射，以及/或者第二激光束导引装置可以设计成使得加工激光束被偏转。
在前述实施方式中，运动单元可以是选自下述项中的至少一个元件：压电致动器、电动马达、气动马达、凸轮、用于产生振荡电磁场的设备、MEMS振荡器、振荡线圈、静电可移动致动器、其多个和/或其组合。这允许加工激光束的高度可变的动态运动和/或高频动态运动。
在在另外的实施方式中，第一激光束导引装置可以设计成使得加工激光束以小于、等于和/或大于90°的角度偏转并且偏转至少一次。第二激光束导引装置可以设计成使得加工激光束以小于、等于或大于90°的角度偏转。如上所述，第一激光束导引装置设计成使得加工激光束以小于或大于90°的角度偏转至少一次，并且以小于90°的角度偏转至少一次。前述实施方式允许加工激光束的光束供给到加工设备中，其中，加工激光束在第一接口与第一激光束导引装置之间的光束路径平行于或以任何角度、特别是垂直于加工激光束在第二激光束导引装置与出口开口之间的光束路径延伸。加工激光束在第一激光束导引装置与第二激光束导引装置之间的光束路径可以以任何角度延伸、特别是垂直于加工激光束在第二激光束导引装置与出口开口之间的光束路径延伸。
第二激光束导引装置可以具有至少一个用于加工激光束的、不能动态移动的第二偏转装置。这种构型另外促进了由加工区发出的、穿过出口开口并通过第二激光束导引装置导引到第二接口的辐射不受能够动态地移动的元件影响。
在实施方式中，第二激光束导引装置、特别是第二偏转装置可以是由加工区发出的辐射至少部分地可透过的。第二偏转装置可以具有至少一个二向色镜或者可以设计为二向色镜。以这种方式，第二偏转装置可以将由加工区发出的辐射至少部分地导引到第二接口，同时将加工激光束导引到出口开口。此外，第二激光束导引装置、特别是第二偏转装置可以布置和设计成使第二激光束导引装置将动态地移动的加工激光束导引成与由加工区发出的、穿过出口开口的辐射至少部分地同轴。
第一激光束导引装置可以布置在第一接口与第二激光束导引装置之间的区域中。此外，第二激光束导引装置可以布置在第二接口与出口开口之间的区域中。
根据实施方式，至少一个光学构件可以布置在第一接口与出口开口之间的区域中和/或布置在第二接口与出口开口之间的区域中。聚焦光学器件或聚焦光学构件可以布置在第二激光束引导装置与出口开口之间的区域中。
在实施方式中，第一接口可以连接至加工激光源或设置有加工激光源，该加工激光源用于产生加工激光束。此外，加工设备可以具有用于控制加工设备的控制单元，该加工设备特别是第一激光束导引装置，特别是至少一个运动单元。控制单元可以例如以硬连线或无线数据传导的方式连接至检测器装置和第一激光束导引单元，并且因此可以用于具有调节的过程监测，其自主地检测和/或可以校正激光加工的不被期望的过程行为。
此外，实施方式的检测器装置可以具有自适应光学单元。根据聚焦位置、工件厚度和期望的过程观察水平，自适应光学单元、例如自适应光学器件或自适应透镜(聚焦可调透镜)允许检测器装置的锐度水平与加工光束的传播方向平行地变化。
在实施方式的加工设备中，加工激光源可以提供至少1kW、优选地至少4kW、更优选地1kW至30kW之间、最优选地1kW至25kW之间的激光频率。与先前已知的动态光束成形高达最大值4kW激光功率相比，实施方式的加工设备、特别是作为激光加工头时能够采用高达至少10kW及以上的激光功率。根据实施方式，加工激光束的动态运动、例如光束成形中的这种高激光功率，以及与原位观察和调节加工过程的可能性相关的高激光功率，开辟了激光加工、特别是激光切割中的新的应用领域。
在实施方式中，第一激光束导引装置的能够动态地移动的偏转装置或能够动态地移动的光学单元可以能够至少部分地以10Hz与15kHz之间、优选地100Hz与10kHz之间的频率移动。这允许加工激光束的高度动态运动，特别是垂直于加工激光束的传播方向的高度动态运动。第一激光束导引装置还可以设计成使得当加工激光束动态地移动时，第一激光束导引装置产生焦点振荡，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与二维或三维李萨如图形(Lissajous figure)或者二维或三维李萨如图形的组合对应的焦点振荡路径。
本发明的实施方式涉及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，该加工设备用于对工件进行激光加工、特别地用于对工件进行激光切割。
本发明的另一实施方式提供了一种用于特别地使用根据加工设备的前述实施方式中的任一实施方式所述的加工设备对工件进行激光加工、特别地用于对工件进行激光切割的方法。该方法具有以下步骤：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第一接口处；以及使用连接至加工设备的第二接口或设置在加工设备的第二接口上的检测器装置对由加工区发出的、穿过出口开口的至少部分辐射进行检测；其中，加工激光束借助于加工设备的第一激光束导引装置动态地移动、特别地动态地成形，并且被导引至加工设备的第二激光束导引装置；动态移动的加工激光束借助于第二激光束导引装置被导引穿过出口开口；以及由加工区发出的、穿过出口开口的辐射借助于第二激光束导引装置被至少部分地导引至第二接口。
这样做，第二激光束导引装置可以将动态地移动的加工激光束导引成与由加工区发出的、穿过出口开口的辐射至少部分地同轴。
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。
根据实施方式和附图的以下描述，进一步的特征和优点变得明显。
附图说明
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，而不意在由此进行任何限制。在附图中：
图1示意性地图示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10；
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100；
图3a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200；
图3b示意性地图示了作为第三示例的改型的加工设备201；
图4a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300；
图4b示意性地图示了作为第四示例的改型的加工设备301；
图5示意性地图示了作为根据本发明的实施方式的第五示例的用于激光加工工件的加工设备400；以及
图6示意性地图示了作为根据本发明的实施方式的第六示例的用于激光加工工件的加工设备500。
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。
由工件的加工区发出的、穿过出口开口的辐射可以包括由工件的激光加工产生的辐射和/或反射的照明光，并且在下文中也将称为术语“过程光”。
此外，在此处描述值范围的情况下，具有较窄的替代方案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。
术语激光束的“动态运动”或“动态地移动”激光束以及这些术语的改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、可定向、可调节和/或可变形的元件。
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10的第一示例。
加工设备10具有用于加工激光源的第一接口14和用于检测器装置的第二接口16，该加工激光源用于产生加工激光束15，该检测器装置用于检测来自加工区13的过程光17。
加工激光源和检测器装置在图1中未示出。如通过图3b的示例所图示的，加工激光源82可以设置在第一接口14处并且检测器装置24可以设置在第二接口16处。加工激光源82提供了激光功率在例如1kW至30kW范围内的加工激光束15。在本示例中，加工激光源82具有约6kW或更大的、特别是10kW的功率，并且产生包括1070nm波长的光谱范围内的加工激光束。替代性地，可以采用直接二极管激光器(波长通常为940nm至980nm)和其他的固态激光器(波长通常为1030nm至1080nm)，其根据加工设备的期望应用进行选择并且具有相应的适应功率，该功率可以小于或大于6kW。例如，检测器装置24是对过程光17敏感的相机。另一方面，如果加工设备设计为加工头，则第一接口14例如借助于传送纤维可以用于接入并连接至加工激光源82，并且第二接口16可以用于以无线或硬连线的方式接入并连接至检测器设备24。
加工设备10具有用于加工激光束15的出口开口18。
第一激光束导引装置20和第二激光束导引装置22定位在加工设备10内。
第一激光束导引装置20布置在第一接口14与第二激光束导引装置22之间的区域中。在本示例中，第一激光束导引装置20具有偏转装置，该偏转装置具有至少一个对加工激光束15进行反射的表面20a。反射表面20a定向成使得反射表面20a将加工光束15偏转至第二激光束导引装置22，并且能够借助于至少一个运动单元20b至少部分地动态移动。例如，运动单元20b选自压电致动器、电动马达、气动马达、凸轮、用于产生振荡电磁场的设备、MEMS振荡器、振荡线圈、静电可移动致动器、其多个和/或其组合。第一激光束导引装置20因此布置并设计成使得第一激光束导引装置20将加工激光束15偏转至第二激光束导引装置22，并且例如以10Hz与15kHz之间的频率动态地移动加工激光束15。
第二激光束导引装置22布置在第一激光束导引装置20、第二接口16与出口开口18之间的区域中。在本示例中，第二激光束导引装置22具有不可移动的偏转装置23，该偏转装置23设计为二向色镜。在目前所述的示例中，作为示例，该二向色镜是玻璃镜(例如，SiO2、石英玻璃)或可透过可见过程光的另一种镜。该二向色镜至少在一个侧部上、即在面向激光源的侧部上设置有介电涂层。对镜的尺寸进行选择使其对应于加工激光束在镜的位置中的直径。二向色镜至少部分地反射加工激光束15，并且选择性地透过至少部分过程光17。二向色镜定向成使得加工激光束15被偏转至出口开口18。在本示例中，第二激光束导引装置22因此设计成使得第二激光束导引装置22偏转动态移动的加工激光束15并且导引加工激光束15穿过出口开口18到工件12上。同时，第二激光束导引装置22具有以下效果：由加工区13发出的、穿过出口开口18的过程光17至少部分地到达第二接口16。
在加工设备10的操作期间，加工激光束15从接口14被引导到第一激光束导引装置20的反射平面20a上。反射平面20a通过运动单元20b以10Hz与15kHz之间的频率动态地移动。因此，加工激光束15在第二激光束导引装置22的方向上动态地移动和偏转。在第二激光束导引装置22的方向上的加工激光束15撞击偏转装置23的二向色镜并通过二向色镜在出口开口18的方向上偏转。动态地移动和偏转的加工激光束15穿过出口开口18离开并撞击工件12。工件12的加工区13发出过程光17，该过程光17穿过出口开口18部分地进入加工设备10、穿过二向色镜穿透并到达第二接口16。以这种方式，动态移动的加工激光束15与过程光17的部分在第二激光束导引装置22与出口开口18之间被同轴地导引。借助于检测器装置可以在第二接口处检测到过程光17。
这允许被导引到第二接口16的过程光17的光束路径被分开布置并且不受加工激光束15的光束路径的部分影响，加工激光束15的动态运动在加工激光束15的光束路径的部分中产生。因此，两种功能、即动态光束成形功能和过程光检测功能都可以包含在一个加工头中。过程光17的光束路径与加工激光束15的光束路径在出口开口18与第二激光束导引装置22之间的区域中同轴地延伸。因此，实现了加工激光束的光束路径和过程光的光束路径的节省空间的布置结构。特别地，加工激光束至少垂直于其传播方向动态地移动。以这种方式，光束斑点的几乎任何强度分布以及因此适于待加工工件12的加工激光束15的光束参数乘积都是借助于动态光束成形来提供的，而出于过程观察的目的被导引至第二接口16的过程光17基本上与其断开联接并保持不受影响。
加工激光束15在第一接口14与第一激光束导引装置20之间的光束路径基本上布置成平行于第二激光束导引装置22与出口开口18之间的光束路径，这同样允许加工激光束的光束路径和过程光的光束路径的节省空间的布置结构。
图2至图6示出了图1的加工设备的示例性改型。因此，与图1中的示例的差异在附图的相应描述中进行解释。
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12的加工设备100。在本示例中，第一激光束导引装置20的偏转装置包含由SiC(碳化硅)制成的能够动态地定向且平面的镜30。替代性地，可以采用提供有介电层、金属层(例如，铜)或金属氧化物层的玻璃基材(例如，石英玻璃)作为镜30。选择镜的尺寸使其对应于加工激光束在镜30的位置中的直径。提供三个压电致动器32a、也称为压电扫描器作为运动单元，镜30通过压电致动器32a能够动态地移动并且因此是可定向的。压电致动器32a是单独可控的。在本示例中，压电致动器是基于具有120V典型驱动电压的改型的PZT(锆钛酸铅)陶瓷的压电致动器。
当激光加工时，镜30借助于压电致动器32a以使得加工激光束15偏转至第二激光束导引装置22的方式倾斜。同时，镜30通过压电致动器32a动态地移动，从而为偏转提供合适的倾斜角度，使得加工激光束15动态地移动。以这种方式，加工激光束15的光束参数乘积和工件12上的激光束斑点的强度分布可以针对用于激光加工的相应方法进行优化设计，因为加工激光束15的焦点在10Hz与15kHz之间的频率下被动态地移动至至少垂直于其传播的方向，并且因此使激光束斑点成形。例如，当加工激光束15动态地移动时，产生了具有至少一个振荡幅度和至少一个振荡频率的焦点振荡，并且该焦点振荡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。
图3a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12的加工设备200。激光束导引装置20包含作为偏转装置的具有两个镜30的检流计扫描器40，两个镜中的每个镜能够借助于可控的检流计(未示出)单独动态地移动。检流计扫描器设置有两个镜30，该镜30可定向成使得加工激光束以大于90°的角度偏转至少一次，并且以小于90°的角度偏转至少一次。在操作期间，两个镜30相对于彼此定向和移动，使得加工激光束15被偏转两次并同时动态地移动。加工光束15通过镜30在垂直于加工光束15的传播方向的一个轴线上移动，并且通过另一个镜30在垂直于传播方向的另一轴线上移动。例如，这两个轴线布置成互相垂直。因此，光束斑点的任何强度分配和加工激光束15的光束参数乘积借助于动态光束成形提供，特别地使用激光束可以将李萨如图形写入工件上。
图3b示出了根据图3a的第三示例的改型。在加工设备201中，第一激光束导引装置20设计成使得加工激光束15在通过第一激光束导引装置20之前和之后以一定的角度、在本示例中在每种情况下都以直角延伸至第二激光束导引装置22与出口开口18之间的光束路径。这意味着加工激光束15被横向地供应到加工设备201中。光束路径的这种构型类似地对于图1至图5中的所有其他示例是可能的。
如图3b中所图示的，第一接口14与第一激光束导引装置20之间的加工激光束15的光束路径可以以和第二激光束导引装置22与出口开口18之间的光束路径成一定角度延伸。因此，在通过第一激光束导引装置20之前和/或之后，加工激光束15的光束路径可以以任何角度被导引至第二激光束导引装置22与出口开口18之间的光束路径。这允许加工设备的灵活空间构型。光束路径的这种构型类似地对于图1至图5中的所有其他示例是可能的。
详细地，在图3b的改型中，检流计扫描器设置有两个镜30，该镜30可定向成使得加工激光束以小于90°的角度偏转至少一次，并且以小于90°的角度偏转至少第二次。在操作期间，两个镜30朝向彼此定向和移动，使得加工激光束15被偏转两次并同时动态地移动。
图3b示出了加工设备201的元件，在加工设备的所有其他实施方式中、例如本文中描述的加工设备10、100、200、300、301、400和500中，加工设备201的元件也可以单独提供或以彼此独立的组合提供。光学构件80可以布置在第一接口14与第一激光束导引装置20之间的区域中和/或布置在第二激光束导引装置22与出口开口18之间的区域中。在图3b的示例中，准直透镜布置为第一接口14与第一激光束导引装置20之间的光学构件80。聚焦透镜设置为偏转第二激光束导引装置22与出口开口18之间的光学构件80，由此，借助于偏转和聚焦中的相互补偿，热聚焦偏移即使在高达10kW或更高的高激光功率下也可以保持较低。此外，加工激光源82设置在第一接口14处并且检测器装置24设置在第二接口16处。另外，检测器装置24包含自适应光学单元25。在本示例中，检测器装置24是相机并且自适应光学单元25设计为自适应透镜(聚焦可调透镜)。根据聚焦位置、工件厚度和期望的过程观察水平，自适应光学单元25允许检测器装置24的锐度水平与加工光束15的传播方向平行地变化。还提供了用于控制加工设备的控制单元84，通过控制单元84来控制第一激光束导引装置20、特别是至少一个运动单元。
图4a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12的加工设备300。偏转装置具有直径约为50mm的大致圆形的分段镜50，其中41个镜区段彼此间隔开并且彼此相邻布置，从而形成同心图案。每个镜区段具有金涂层，每个镜区段对于加工激光束15是反射的，并且借助于压电致动器32b作为运动单元可以单独且动态地定向。驱动电压为120V的压电致动器32b由锆钛酸铅(PZT)陶瓷制成并根据镜区段的图案布置。因此，偏转装置提供了对加工激光束15进行反射的分段式总表面，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。
图4b示意性地图示了作为第四示例的改型的加工设备301。偏转装置具有可动态变形的镜52(DM，动态镜)。该镜由可变形材料制成的膜形成，该膜借助于均匀分布在膜的下侧部上的单独可控的PZT陶瓷压电致动器(驱动电压：120V)32b而能够动态地变形。在本示例中，膜是具有直径约为45mm的圆形。在本示例中，提供了32个压电致动器，通过该32个压电致动器能够单独调节膜的32个单独的表面区域。膜的顶部设置有高度反射性的光学涂层、即本示例中是铜层。替代性地，涂层可以由介电材料、另一金属或金属氧化物形成或者包含介电材料、另一金属或金属氧化物。因此所提供的可变形的、反射的和连续的表面适用于波长约为1070nm的高达120kW的激光束。
替代性地，可变形双压电晶片镜、能够基于MEMS(微机电***)振荡器或基于MOEMS(微光机电***)振荡器变形的镜或者能够基于振荡线圈变形的镜设置为镜52。例如，可变形双压电晶片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，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。在操作期间，电压施加至控制电极，在压电板中产生侧向力，从而使镜弯曲。例如，在能够基于MEMS或MOEMS变形的镜的情况下，连续的、能够移动的电极借助于平行布置的另一平坦电极的致动器经由静电力移动，该电极在其未变形的状态下是平坦的并且在暴露于加工激光束15的表面上对于加工激光束15是反射的。在能够基于振荡线圈变形的镜的情况下，振荡线圈被用作致动器，该致动器将厚基部平台连接至相对薄的且能够变形的玻璃板的。具有***其中的孔的参照板位于玻璃板与基部平台之间。在参照板处设置有线圈致动器。由流动穿过的电流产生的交变磁场使线圈致动器偏转。线圈致动器使附接至参照板的玻璃板移动。
在图4a和图4b的示例中，偏转装置提供了至少部分地反射加工激光束15的总表面，总表面的表面几何形状、特别是总表面的曲率能够以高度动态的方式进行调节。在示例性操作期间，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。例如，可以产生焦点振荡，该焦点振荡具有至少一个振荡幅度，例如0.6mm和至少一个振荡频率，例如500Hz，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。在示例性操作期间，加工激光束15的焦点位置平行于加工激光束的传播方向进行另外调节，从而设置或改变加工设备的光学***的焦距。
图5示意性地图示了作为根据本发明的实施方式的第五示例的用于激光加工工件12的加工设备400。偏转装置具有镜30，镜30可以绕旋转运动装置32c的轴线旋转。镜布置在轴线上，使得轴线与镜30的反射表面形成角度。反射表面能够定向成使得该角度大于或小于90°。在操作期间，镜的角度设置为不等于90°，并且因此镜绕其轴线以100Hz至10kHz的频率旋转倾斜。激光束因此形成圆形运动。以这种方式，加工激光束以具有可调节且可变的半径的圆形路径以高速被导引到工件12上。因此，对于热惰性切割过程，高度动态移动的加工激光束15在平均时间内可以像所谓的环形光束一样工作。
图6示意性地图示了作为根据本发明的实施方式的第六示例的用于激光加工工件12的加工设备500。第一激光束导引装置20具有传送纤维端部盖形状的、例如由石英玻璃制成的可折射光学单元为能够动态移动的光学单元70。端部盖能够借助于至少一个运动单元71动态地移动并且因此形成能够保持动态移动的激光纤维端部单元。在该示例中，运动单元设计为设置在垂直于加工激光束15的传播方向、例如垂直于加工激光束15的z方向的x/y平面中的两个PZT陶瓷压电致动器(驱动电压：120V)，加工激光束15例如借助于粘合剂操作性地连接至传送纤维端部盖。一个压电致动器用于使端部盖在x方向上偏转，而另一个压电致动器用于使端部盖在y方向上偏转。这允许传送纤维端部盖70的自由端部在垂直于加工激光束15的传播方向(z方向)的平面中进行振荡、重复的运动。以这种方式，通过调节或改变光束参数乘积可以引起加工激光束15的焦点在垂直于其传播方向的平面中的振荡并且由此可以引起光束成形。
在图6的示例中，第一激光束导引装置20还具有用于加工激光束15的不能够动态地移动的偏转装置72。加工激光束15的光束路径基本上平行于第二激光束导引装置22与出口开口18之间的光束路径布置在偏转装置72之前。这允许加工设备的节省空间的构型。替代性地，加工激光束15的光束路径可以在偏转装置72之前和/或之后以不同角度被导引至第二激光束导引装置22与出口开口18之间的光束路径。这允许加工设备的灵活空间构型。在本示例的改型中，不设置偏转装置72。相反，加工激光束15可以从传送纤维端部盖70被直接导引至第二激光束导引装置22。这样做，从端部盖70发出的加工激光束15的光束路径可以基本上以和第二激光束导引装置22与出口开口18之间的光束路径成90°角度被导引到激光束导引装置22上。可以选择允许激光束导引装置22处的偏转的不是90°角度的另一角度。图6的示例和其改型两者都实现了第二激光束导引装置22从第一激光束导引装置20的动态运动充分断开联接并且由此所观察的过程光17的光束路径从第一激光束导引装置20的动态运动充分断开联接。
在加工设备500的操作期间，只要在将加工激光束15联接或供应到加工设备的区域中，就可以产生振荡频率在10Hz与15kHz之间、优选地在100Hz与10kHz之间的、振荡幅度小于或等于+/-5mm或者小于或等于+/-1mm的、以及焦点振荡路径的路径长度大于或等于0.05mm的加工激光束的动态运动。移动的加工光束15被导引至第二激光束导引装置22并且最终穿过出口开口18而无需其他能够动态地移动的导引元件。加工激光束15的振荡摆动光束运动借助于能够动态地移动的光学单元70来实现，工件12通过加工激光束15被加工。同时，过程光17的被导引到第二接口16的光束路径与加工激光束15的部分光束路径分离并且不受其影响，其中，产生了加工激光束15的动态运动。
例如，使用加工激光束15可以在工件12上写入任何李萨如图形。李萨如图形可以存储在控制单元84的数据库中，该控制单元84相应地控制运动单元71的压电致动器。当加工激光束15动态移动时，产生了振荡幅度小于或等于+/-5mm、振荡频率在100Hz与10kHz之间并且焦点振荡路径大于或等于0.05mm的焦点振荡，该焦点振荡对应于一个二维李萨如图形或对应于二维李萨如图形的组合。焦点具有例如大于或等于0.1mm或者大于或等于0.05mm的直径或尺寸。为了生成三维李萨如图形，图6的运动单元71包含其他的压电致动器，该压电致动器也使端部盖在z方向上偏转。
作为能够动态地移动的折射光学单元70，可以提供光学纤维或能够移动的纤维联接的自由端部作为传送纤维端部盖的替代物。进一步替代性地，透镜可以用作能够动态地移动的折射光学单元70、例如聚焦透镜或准直透镜。替代性地，除了折射光学单元，可以使用另一能够动态地移动的光学单元70、例如离轴抛物面镜。这样做，透镜或抛物面镜同样可以以能够动态地移动的方式在加工激光束15的传播方向上设置在第一接口14后、例如在接口14处存在的不能够动态地移动的传送纤维端部盖后，而不是在上述能够动态地移动的传送纤维端部盖后。
能够动态地移动的光学单元70可以设置在第一接口14处或沿加工激光束15的传播方向设置在第一接口14后，或者替代性地，设置在第一接口14与偏转装置72之间的区域中。
此外，可以采用凸轮、用于产生振荡电磁场的装置、MEMS振荡器或者可以采用多个凸轮、多个用于产生振荡电磁场的装置、多个MEMS振荡器作为运动单元71而不是压电致动器。
在所有实施方式中，借助于动态光束成形可以提供光束斑点的有利强度分布和加工激光束15的光束参数乘积，而为了过程观察的目的被导引到第二接口16的过程光17保持不受加工激光束15的动态运动的影响。
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。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，以同时实现它们的有利效果。
本发明的保护范围由权利要求赋予，并且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，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：
10 加工设备
12 工件
13 加工区
14 第一接口
15 加工激光束
16 第二接口
17 由加工区发出的辐射、过程光
18 出口开口
20 第一激光束导引装置
20a 反射表面
20b 运动单元
22 第二激光束导引装置
23 不能动态地移动的第二偏转装置
24 检测器装置
25 检测器装置的自适应光学单元
30 能够动态地移动的镜
32a、32b、32c 运动单元
40 检流计扫描器
50 分段镜
52 可变形镜
70 光学单元
71 运动单元
72 不能动态地移动的第一偏转装置
80 光学构件
82 加工激光源
84 控制装置
100 加工设备
200 加工设备
201 加工设备
300 加工设备
301 加工设备
400 加工设备
500 加工设备

Claims (29)

1.一种加工设备，所述加工设备用于在加工区(13)中对工件(12)进行激光加工，所述加工设备具有：
第一接口(14)，所述第一接口(14)用于设置加工激光源，所述加工激光源用于产生加工激光束(15)，
第二接口(16)，所述第二接口(16)用于设置检测器装置，所述检测器装置用于检测由所述加工区发出的辐射(17)；
出口开口(18)，所述出口开口(18)用于使所述加工激光束穿过；以及
第一激光束导引装置(20)和第二激光束导引装置(22)，其中，所述第一激光束导引装置(20，20a，20b)布置并设计成使得所述第一激光束导引装置(20，20a，20b)将所述加工激光束导引至所述第二激光束导引装置并且动态地移动所述加工激光束，以及
所述第二激光束导引装置(22)布置并设计成使得所述第二激光束导引装置(22)将动态地移动的所述加工激光束导引穿过所述出口开口并且将由所述加工区发出的穿过所述出口开口的所述辐射至少部分地导引至所述第二接口；
其中，所述第一激光束导引装置(20)具有至少一个用于所述加工激光束的偏转装置(20a；30；40；50；52)，所述偏转装置(20a；30；40；50；52)借助于至少一个运动单元能够至少部分地动态移动；
其中，所述运动单元具有选自下述项中的至少一个元件：压电致动器、电动马达、气动马达、凸轮、用于产生振荡电磁场的设备、MEMS振荡器、振荡线圈、静电可移动致动器；并且
其中，所述第二激光束导引装置(22)具有至少一个用于所述加工激光束的、不能动态移动的第二偏转装置(23)。
2.根据权利要求1所述的加工设备，其中，所述加工设备用于在加工区(13)中对工件(12)进行激光切割。
3.根据权利要求1所述的加工设备，其中，所述加工设备为激光加工头。
4.根据权利要求1所述的加工设备，其中，所述第一激光束导引装置(20，20a，20b)布置并设计成使得所述第一激光束导引装置(20，20a，20b)将所述加工激光束导引至所述第二激光束导引装置并且动态地成形所述加工激光束。
5.根据权利要求1所述的加工设备，
其中，所述第二接口连接至检测器装置(24)或设置有检测器装置(24)，所述检测器装置(24)用于检测由所述加工区发出的穿过所述出口开口的至少部分所述辐射；以及/或者
其中，所述第一激光束导引装置和/或所述第二激光束导引装置设计成使得所述加工激光束被偏转。
6.根据权利要求1所述的加工设备，
其中，所述偏转装置具有至少一个可动态定向的镜(30)。
7.根据权利要求1所述的加工设备，
其中，所述第一激光束导引装置具有至少一个检流计扫描器(40)，以及/或者其中，所述偏转装置设计为检流计扫描器(40)。
8.根据权利要求1所述的加工设备，
其中，所述偏转装置具有至少一个分段镜(50)，所述分段镜(50)具有多个镜区段，所述镜区段中的每个镜区段均能够动态地定向。
9.根据权利要求1所述的加工设备，
其中，所述偏转装置具有至少一个可动态变形的镜(52)。
10.根据权利要求1所述的加工设备，
其中，所述偏转装置具有至少一个镜(30)，所述镜(30)能够绕与所述镜的反射平面形成角度的轴线旋转，并且所述镜(30)能够定向成使得所述角度大于或小于90°。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的加工设备，
其中，所述第一激光束导引装置设计成使得所述加工激光束以小于、等于和/或大于90°的角度偏转并且偏转至少一次；以及/或者
其中，所述第二激光束导引装置设计成使得所述加工激光束以小于、等于或大于90°的角度偏转。
12.根据权利要求1至10中的任一项所述的加工设备，
其中，所述第一激光束导引装置设计成使得所述加工激光束以小于或大于90°的角度偏转至少一次，并且以小于90°的角度偏转至少一次。
13.根据权利要求1-10中的任一项所述的加工设备，
其中，所述第二激光束导引装置对由所述加工区发出的所述辐射至少部分地透明；以及/或者
其中，所述第二激光束导引装置布置并设计成使得所述第二激光束导引装置将动态地移动的所述加工激光束导引成与由所述加工区发出的、穿过所述出口开口的所述辐射至少部分地同轴；
以及/或者
其中，所述第二激光束导引装置具有至少一个二向色镜或者设计为二向色镜。
14.根据权利要求1-10中的任一项所述的加工设备，
其中，所述第二偏转装置对由所述加工区发出的所述辐射至少部分地透明；以及/或者
其中，所述第二偏转装置布置并设计成使得所述第二激光束导引装置将动态地移动的所述加工激光束导引成与由所述加工区发出的、穿过所述出口开口的所述辐射至少部分地同轴；
以及/或者
其中，所述第二偏转装置具有至少一个二向色镜或者设计为二向色镜。
15.根据权利要求1至10中的任一项所述的加工设备，
其中，所述第一激光束导引装置布置在所述第一接口与所述第二激光束导引装置之间的区域中；以及/或者
其中，所述第二激光束导引装置布置在所述第二接口与所述出口开口之间的区域中；以及/或者
其中，至少一个光学构件(80)布置在所述第一接口与所述出口开口之间的区域中和/或布置在所述第二接口与所述出口开口之间的区域中；以及/或者
其中，聚焦光学器件或聚焦光学构件(80)布置在所述第二激光束导引装置与所述出口开口之间的区域中。
16.根据权利要求1至10中的任一项所述的加工设备，
其中，所述第一接口(14)连接至加工激光源(82)或者设置有加工激光源(82)，所述加工激光源(82)用于产生所述加工激光束；以及/或者
其中，控制单元(84)设置成用于控制所述加工设备。
17.根据权利要求16所述的加工设备，其中，
所述加工设备是所述第一激光束导引装置。
18.根据权利要求16所述的加工设备，其中，
所述加工设备是所述至少一个运动单元。
19.根据权利要求1至10中的任一项所述的加工设备，
其中，所述检测器装置具有自适应光学单元(25)。
20.根据权利要求1至10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的激光功率；以及/或者
其中，所述第一激光束导引装置的能够动态移动的偏转装置或能够动态移动的光学单元(70)能够至少部分地以10Hz与15kHz之间的频率移动；以及/或者
其中，所述第一激光束导引装置设计成使得当所述加工激光束动态地移动时，所述第一激光束导引装置产生焦点振荡，所述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。
21.根据权利要求20所述的加工设备，
其中，所述加工激光源提供至少4kW的激光功率，以及/或者
其中，所述第一激光束导引装置的能够动态移动的偏转装置或能够动态移动的光学单元(70)能够至少部分地以100Hz与10kHz之间的频率移动。
22.根据权利要求20所述的加工设备，
其中，所述加工激光源提供1kW与30kW之间的激光功率。
23.根据权利要求20所述的加工设备，
其中，所述加工激光源提供1kW与25kW之间的激光功率。
24.一种根据权利要求1至23中的任一项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。
25.根据权利要求24所述的加工设备的用途，其中，所述加工设备用于对工件进行激光切割。
26.一种用于使用根据权利要求1至23中的任一项所述的加工设备(10；100；200；201；300；301；400；500)对工件进行激光加工的方法，所述方法具有下述步骤：
使用来自加工激光源(82)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(82)设置在所述加工设备的第一接口(14)处；以及
使用连接至所述加工设备的第二接口(16)或设置在所述加工设备的第二接口(16)上的检测器装置(24)对由所述加工区发出的、穿过所述出口开口的至少部分所述辐射(17)进行检测；
其中，
所述加工激光束借助于所述加工设备的第一激光束导引装置(20)动态地移动，并且被导引至所述加工设备的所述第二激光束导引装置(22)；动态移动的所述加工激光束借助于所述第二激光束导引装置被导引穿过所述出口开口；以及
由所述加工区发出的、穿过所述出口开口的所述辐射借助于所述第二激光束导引装置被至少部分地导引至所述第二接口。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述加工设备用于对工件进行激光切割。
28.根据权利要求26所述的方法，其中，所述加工激光束借助于所述加工设备的第一激光束导引装置(20)动态地成形。
29.根据权利要求26-28中的任一项所述的方法，其中，所述第二激光束导引装置将动态地移动的所述加工激光束导引成与由所述加工区发出的、穿过所述出口开口的所述辐射至少部分地同轴。
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