用于自动化地求取激光加工参数对激光加工的影响的方法以及激光加工机和计算机程序产品与流程

本发明涉及一种用于求取激光加工参数对借助激光射束进行的激光加工的影响的方法以及一种适合于执行该方法的激光加工机和一种计算机程序产品。

背景技术：

在借助激光射束进行切割时，可能会发生切割质量下降直到切割中断。在大多数情况下，原因在于激光射束轮廓中的偏差。后果是高的机器停机时间和客户不满意。目前无法通过机械方式调查故障原因，而是必须使激光加工机停下，以便在这方面专业的雇员能够处理该问题。目前，为了设置或检查激光加工机的光学设定状态而使用不同的方法，这些方法受到主观的分析处理。此外，还需要高成本的测量器件、高的时间花费以及专门的专业指示，以便求取例如功率相关的焦点位移、功率损耗、焦点直径变化等。

技术实现要素：

相反地，本发明所基于的任务在于，说明一种简单且成本有利的方法，借助该方法可以尤其自动化地确定激光加工参数对激光加工的影响。尤其是要在最短的时间内找到最优的激光加工参数值和激光加工参数变化的原因。

根据本发明，该任务通过一种用于求取、尤其用于自动化地求取激光加工参数对借助激光射束进行的激光加工的影响的方法解决，该方法具有以下步骤：

(a)在激光加工参数的不同值下执行、尤其完全自动化地执行线状的激光加工，其中，在激光加工时，分别至少如此程度地提高激光射束的进给速度，直到发生加工中断；和

(b)根据激光加工的所测得的加工长度、对应的加工时间或对应的中断速度求取、尤其完全自动化地求取在激光加工的加工长度、对应的加工时间或对应的中断速度和激光加工参数之间的关系。

根据本发明，或者传感装置(例如激光射束产生器中的光电二极管)完全自动化地(无人地)或者操作人员与激光加工参数相关地探测由激光加工过程引起的加工中断。或者通过激光加工机的机器控装置完全自动化地(无人地)或者通过操作人员进行分析评价。激光加工参数优选地是激光射束方面的参数(波长、射束质量、强度分布、激光射束在射束方向上的焦点位置(z焦点位置)、激光射束或激光线路的焦点直径、激光功率，...)和/或是在预确定的气体组成成分的情况下的气体动态参数，所述气体动态参数尤其由喷嘴类型、喷嘴直径、喷嘴与工件的间距确定。

从起始进给出发，以点燃的激光射束以总是相同的方式例如连续地或逐步地加速到终止进给。激光侧的传感装置完全自动化地并且无人地探测在相应的激光加工的激光加工开始与中断之间的激光加工时间。由于加速度总是相同的，所述激光加工时间代表了在激光加工参数的相应值的情况下的相应激光加工长度。替代地，机器控制装置也可以将在中断时间点占主导的进给速度确定为中断速度并且将该进给速度配属于激光加工参数的相应值；在这种情况下，激光加工速度不需要以总是相同的方式被加速，而是可以被任意地加速。在手动的变型方案中，由操作人员测量激光加工长度并且将所述激光加工长度配属于激光加工参数的相应值。

在优选的第一方法变型中，求取、尤其自动化地求取切割参数对借助激光射束进行的工件加工的影响，借助以下步骤进行求取：

(a)在切割参数的不同值下在工件上执行、尤其自动化地执行线状的激光切割，其中，在激光切割时，分别至少如此程度地提高切割速度，直到发生切割中断；和

(b)根据激光切割的所测得的切割长度、对应的切割时间或对应的中断速度求取、尤其自动化地求取在激光切割的切割长度、对应的切割时间或对应的中断速度和切割参数之间的关系。

在优选的第二方法变型中，求取、尤其自动化地求取焊接参数对借助激光射束进行的工件加工的影响，借助以下步骤进行求取：

(a)在焊接参数的不同值下在工件上执行、尤其自动化地执行线状的激光焊透，其中，在激光焊透时，分别至少如此程度地提高焊接速度，直到发生焊透中断，即过渡到焊入；和

(b)根据激光焊透的所测得的焊透长度、对应的焊接时间或对应的中断速度求取、尤其自动化地求取在激光焊透的焊透长度、对应的焊接时间或对应的中断速度和焊接参数之间的关系。

激光射束中的变化(例如由于光学器件的污染)可以通过机器中的传播路段识别出来并且及早地阻止对焊接结果的负面影响。由于焊接光学器件的污染(飞溅)，激光功率的一部分在光学部件上被吸收，因此在过程中在工件处缺失。相应地，会更早地达到焊透阈值(因为能量的一部分缺失)并且焊透路段会相应地缩短。这可以被所提出的方法检测到。为了在激光射束焊接时借助焊接过程诊断激光射束特性，考虑使用所谓的焊透阈值。这是从焊入过程到焊透过程的过渡，或者反之。在焊透阈值的情况下，辐射能量恰好足以将工件在整个板厚度上熔化。在否则恒定的参数化的情况下，速度连续地提高。起初，对板的焊透以功率过量进行。如果速度进一步增大，则达到在此用作分析评价的判据的上述焊透阈值。如果进给进一步增加，则能量不足以焊透，从而在进一步的过程中发生焊入或者说发生焊透的中断。现在，如果在下一步骤中例如焦点位置发生改变，则焊透阈值的进给被改变，并且，如果焊缝较宽则焊透阈值较早地发生，或者如果焊缝宽度较小则焊透阈值较晚地发生。通过焦点位置的改变，可以在板下侧上或者手动地测定或者通过传感装置(例如焊入深度传感器(OCT)或激光设备内部的二极管)自动地探测到最长的路段。以此方式，可以检查激光方面的性能并且在机器的状态监控中再现该性能并且在违背阈值的情况下推荐操作建议。

在优选的第三方法变型中，求取、尤其自动化地求取在借助激光射束对金属粉末进行重熔时重熔参数的影响，借助以下步骤进行求取：

(a)在重熔参数的不同值下产生、尤其自动化地产生线状的熔化迹道，其中，在熔化迹道的情况下，分别至少如此程度地提高激光射束的进给速度，直到发生熔化迹道中断；和

(b)根据熔化迹道的所测得的熔化迹道长度、对应的重熔时间或对应的中断速度求取、尤其自动化地求取在熔化迹道的熔化迹道长度、对应的重熔时间或对应的中断速度和重熔参数之间的关系。

在激光金属沉积(Laser Metal Deposition，LMD)过程中引入过程粉末时光学设置的变化(例如由于光学器件的污染)可以通过机器中的传播路段识别出来并且及早地阻止对重熔结果的负面影响。通过一个调节变量在另一调节变量逐步变化的情况下的线性变化来求取最长的重熔迹道，所述最长的重熔迹道在给定的能量引入下通过与粉末或粉末射束的相互作用产生。机器的激光侧传感器自动化地分析评价最长的熔化迹道。根据激光束腰的位置，激光射束的能量不同效率地实施用于金属粉末的熔化和重熔。可以考虑在激光射束和粉末之间的导致特定重熔速率的相互作用长度作为作用变量。根据本发明，可以使用重熔速率来进行过程诊断，以便在LMD过程的水平的、倾斜的或垂直的布置中进行对机器状态的评估。

如果在给定的相互作用长度的情况下进给速度增加，则达到极限速度，自该极限速度起，由于能量引入过低，重熔不再充分地进行，相互作用长度过短并且液态粉末不附接到工件表面上。因此，在极限速度的情况下出现最大的熔化迹道长度。超过该极限速度时，粉末吸收激光辐射，但是不再附接到载体材料上。例如通过分析评价在过程方面的散射光来确定熔化迹道长度，当熔体附接到载体材料上时，发射会发生变化。从过程起始时间点直到信号改变，可以求取时间，从而计算极限速度或中断速度。也可以借助三角测量方法或基于OCT的方法确定最大的熔化迹道长度。

本发明既适用于连续波运行又适用于脉冲式运行，只要能量足以将材料分割并且熔化或重熔。

优选地，在达到加工中断时关断激光射束，例如由射束源中的激光侧传感装置或由射束源外部的传感装置进行关断。

特别优选地，将在激光加工的加工长度或对应的加工时间或对应的中断速度最大时的那个参数值确定为、尤其自动化地确定为最优参数值。在此，可以通过所测得的加工长度、所测得的加工时间或所确定的中断速度的内插补来确定所述最优参数值。在全自动的情况下，机器救可以将自身调整到该最优参数值上。因此，最优参数值在不同的激光加工机中几乎不会相互偏差，因为省去了主观的分析评价。

如果待求取的最优参数值是激光射束的最优的z焦点位置，则在步骤(a)中在激光射束具有不同的z焦点位置的情况下执行激光加工。如果分别针对不同的激光功率求取激光射束的最优的z焦点位置，则可以由此确定出与功率相关的焦点位移。

如果待求取的最优参数值是激光射束的最优焦点直径，则在步骤(a)中在激光射束具有不同的焦点直径的情况下执行激光加工。

为了能够确定在时间进程中出现的功率损耗或在时间进程中出现的射束扩宽，在标称相同的激光功率和标称相同的焦点直径的情况下，针对激光加工参数“z焦点位置”的不同值在两个不同的时间点执行、尤其自动化地执行步骤(a)和(b)。将在激光加工的加工长度、对应的加工时间或中断速度与激光加工参数“z焦点位置”之间的在此分别求取的两种关系(曲线)相互比较，以便由此确定出功率损耗或射束扩宽。在功率损耗的情况下，在稍晚求取的曲线中，在激光加工参数“z焦点位置”的整个值区域上得出相应的加工长度、加工时间或中断速度的降低(负偏移)。相反地，在射束扩宽的情况下，两个曲线分别在高的和深的焦点位置处相交，并且，稍晚记录的曲线在两个交点之间的区域中具有负偏移而在该区域之外分别具有正偏移。

本发明还涉及一种激光加工机，该激光加工机具有：用于产生激光射束的激光射束产生器；激光加工头，所述激光射束从该激光加工头中射出；工件支承或粉末支承，所述激光加工头和所述工件支承或粉末支承两者相对于彼此是可运动的；机器控制装置，该机器控制装置编程为用于在对工件进行激光加工时将进给速度至少如此程度地提高，直到发生加工中断。

优选地，激光加工机具有用于探测加工中断的中断探测器并且具有数据存储器，加工长度、加工时间或中断速度以及激光加工参数的对应的值彼此对应地存储在该数据存储器中。

特别优选地，机器控制装置编程为用于根据所存储的数据自动化地求取在加工长度、对应的加工时间或对应的中断速度和激光加工参数之间的关系并且对尤其多个所求取的关系自动化地进行相互比较和分析处理。

最后，本发明还涉及一种计算机程序产品，所述计算机程序产品具有代码设施，当程序在激光加工机的机器控制装置上运行时，所述设施手段被匹配以执行以上所描述的方法的所有步骤。

附图说明

从说明书、权利要求和附图中得出本发明的主题的其他优点和有利的构型。同样地，上文所提及的特征和还进一步列举的特征可以各自单独使用或以任何组合以多个形式使用。所示出的和所描述的实施方式不应被理解为穷举，而是更确切地说具有用于本发明的叙述的示例性特性。附图中：

图1示出适合于执行根据本发明的方法的激光加工机；

图2针对切割参数的不同的值示出分别直至切割中断速度为止所执行的激光切割的切割长度；

图3示出在分别直至切割中断速度为止所执行的激光切割的切割长度/切割时间/切割中断速度和切割参数“激光射束的z焦点位置”之间的关系；

图4分别针对焦点位移的情况下两种不同的激光功率示出在分别直至切割中断速度为止所执行的激光切割的切割长度/切割时间/切割中断速度和切割参数“激光射束的z焦点位置”之间的关系；

图5分别针对不同的激光功率示出在分别直至切割中断速度为止所执行的激光切割的切割长度/切割时间/切割中断速度和切割参数“激光射束的z焦点位置”之间的关系；

图6分别针对不同的焦点直径示出在分别直至切割中断速度为止所执行的激光切割的切割长度/切割时间/切割中断速度和切割参数“激光射束的z焦点位置”之间的关系；

图7针对焊接参数的不同值示出分别直至中断速度为止所执行的激光焊透的焊透长度；

图8示出在分别直至中断速度为止所执行的激光焊透的焊透长度/焊接时间/中断速度和焊接参数“激光射束的z焦点位置”之间的关系；

图9针对重熔参数的不同值示出分别直至中断速度为止所产生的熔化迹道的熔化迹道长度；和

图10示出在分别直至中断速度为止所产生的熔化迹道的熔化迹道长度/重熔时间/中断速度和重熔参数“激光射束的z焦点位置”之间的关系。

具体实施方式

在图1中立体地示出的激光加工机1例如具有：作为激光射束产生器2的CO2激光器、二极管激光器或固体激光器；能够在X方向和Y方向上运动的(激光)加工头3；工件支承或粉末支承4，其在此构造为工件支承。在激光射束产生器2中产生激光射束5(连续波运行或脉冲式运行)，借助(未示出的)光导线缆或(未示出的)转向镜将所述激光射束从激光射束产生器2引导至加工头3。在工件支承4上布置有板状工件6。借助布置在加工头3中的聚焦光学器件将激光射束5对准工件6。此外，给激光切割机1供给切割气体7，例如氧气和氮气，并且针对LMD过程供给氦气和氩气。各种切割气体7的使用取决于工件材料和对切割棱边的质量要求。此外，存在抽吸装置8，所述抽吸装置与抽吸通道9连接，所述抽吸通道位于工件支承4下方。切割气体7被输送给加工头3的切割气体喷嘴10，所述切割气体与激光射束5一起从所述切割气体喷嘴中射出。激光加工机1还具有机器控制装置11。

借助激光射束5的能量，可以在工件6中产生特定的熔化体积或特定的熔化速率。如果在激光切割时，例如由于工件6上的较大的焦点直径或射束直径，激光射束5的能量越来越多地横向于激光射束5的进给方向沉积，则可能的最大切割速度会降低。

为了确定在对工件6进行激光切割时切割参数(例如切割参数“激光射束5的z焦点位置F”)的影响，如下进行：

如图2所示的那样，在工件6上，由机器控制装置11完全自动化控制地在起始点x0处沿进给方向13执行多个激光切割12，具体地说针对切割参数的在此五个不同的值W1至W5执行所述多个激光切割。在此，在激光切割12时，分别至少如此程度地提高激光射束5的切割速度v，直到在终止点x1,max至x5,max处分别发生切割中断。中断探测器14(例如激光射束产生器2中的光电二极管)探测到切割中断并且关断激光射束5。

接着，由机器控制装置11完全自动化控制地根据激光切割12的所测得的切割长度L1至L5、对应的切割时间t1至t5或者对应的切割中断速度vA,1至vA,5求取在激光切割12的切割长度L、对应的切割时间t或对应的切割中断速度vA与所述切割参数之间的关系。

由于z焦点位置的改变，不同的能量量横向于进给方向沉积，这导致不同的切割中断速度，即激光切割12或切割时间t不一样长。借助中断探测器14探测在切割开始和切割中断之间的切割时间t。替代地，机器控制装置11将在切割中断时间点占主导的切割速度确定为切割中断速度vA并且将该切割速度配属于切割参数的相应值。

在图3中示出在分别直至切割中断速度为止所执行的激光切割12的切割长度L/切割时间t/切割中断速度vA与切割参数“激光射束5的z焦点位置F”之间的内插关系。即，调节变量是激光射束5的z焦点位置F。该调节变量被改变，并且以连续的加速度执行激光切割12直至切割中断。接着，z焦点位置被改变，机器轴线移动到下一个位置上，并且在工件6上以相同的连续加速度重复激光切割12，直到切割中断。在激光切割12的切割长度L或对应的切割时间或对应的切割中断速度vA最大时激光射束5的那个z焦点位置被机器控制装置11自动化地确定为最优焦点位置Fopt，并且机器控制装置11将激光射束5的焦点位置自主地调整到该最优焦点位置Fopt上。

如果如图4所示的那样分别针对两种不同的激光功率L1和L2(L1>L2)记录在激光切割12的切割长度L/切割时间t/切割中断速度vA与z焦点位置F之间的关系并且求取分别最优的焦点位置Fopt,L1和Fopt,L2，则可以由此确定功率相关的焦点位移ΔF＝Fopt,L1-Fopt,L2。

图5分别针对不同的激光功率L1，L2，L3(L1>L2>L3)示出在激光切割12的切割长度L/切割时间t/切割中断速度vA与激光射束12的z焦点位置F之间相关的关系。与较高功率情况下的切割长度、切割时间或切割中断速度相比，在较低功率的情况下，在z焦点位置F的整个值区域上得出相应的切割长度、切割时间或切割中断速度的降低(负偏移)。

图6分别针对激光射束12的不同的焦点直径d1，d2，d3，d4(d1>d2>d3>d4)示出在激光切割12的切割长度L/切割时间t/切割中断速度vA与激光射束12的z焦点位置F之间相关的关系。各个曲线分别在高的和深的焦点位置处相交。与较大焦点直径的情况相比，在较小焦点直径的情况下的切割长度、切割时间或切割中断速度在两个交点之间的区域内具有负偏移并且在该区域之外具有正偏移。

为了能够确定在时间进程中出现的功率损耗或在时间进程中出现的射束扩宽，在标称上相同的激光功率和标称上相同的焦点直径的情况下，在两个不同的时间点求取在切割长度L/切割时间t/切割中断速度vA与激光射束12的z焦点位置F之间的关系。将所求取的曲线相互比较，以便根据图5和6的不同的曲线走向或者确定出功率损耗或者确定出射束扩宽。

在机器侧的实施可以例如如下地进行：

1.通过与z焦点位置F相关地探测切割长度L/切割时间Δt/切割中断速度vA来求取相应的激光加工机1的实际状态。

2.将所求取的值作为参考存储在机器控制装置11的数据存储器15中。

3.机器控制装置11独立地、无人地并且完全自动化地在由客户自由定义的任意时间点以所存储的值检查当前值。

4.机器控制装置11的算法对结果进行分析评价。

5.视需求和可能性而定地，以提示或操作建议进行有限的再调整(激光功率，焦点位置，…)。

6.在超过所定义的极限之后，渐显出警告指示或者推荐使用服务。

7.以信号灯功能显示机器状态。

结果，所描述的方法使得能够借助切割图样采集数字化数据，激光加工机1由此有可能独立地调整自身。

为了确定在对工件6进行激光焊接时焊接参数(例如焊接参数“激光射束5的z焦点位置F”)的影响，如下进行：

如图7所示的那样，在工件6上，由机器控制装置11完全自动化控制地在起始点x0处沿进给方向23执行多个激光焊接22，具体地说针对焊接参数的在此五个不同的值W1至W5执行所述多个激光焊接。在此，在激光焊接22时，分别至少如此程度地提高激光射束5的焊接速度v，直到在终止点x1,max至x5,max处分别发生焊透中断。中断探测器14探测到焊透中断并且关断激光射束5。

接着，由机器控制装置11完全自动化控制地根据激光焊透22的所测得的焊透长度L1至L5、对应的焊接时间t1至t5或者对应的焊透中断速度vA,1至vA,5求取在激光焊透22的焊透长度L、对应的焊接时间t或对应的焊透中断速度vA与所述焊接参数之间的关系。

在图8中示出在分别直至焊透中断速度为止所执行的激光焊透22的焊透长度L/焊接时间t/焊透中断速度vA与切割参数“激光射束5的z焦点位置F”之间的内插关系。在激光焊透22的焊透长度L或对应的焊接时间t或对应的焊透中断速度vA最大时激光射束5的那个z焦点位置被机器控制装置11自动化地确定为最优焦点位置Fopt，并且机器控制装置11将激光射束5的焦点位置自主地调整到该最优焦点位置Fopt上。对焦点位置的求取可以一次用低激光功率执行、一次用高激光功率执行。两个焦点位置的差相当于功率相关的焦点位移。

为了在LMD过程中确定在借助激光射束5对金属粉末进行重熔时重熔参数(例如重熔参数“激光射束5的z焦点位置F”)的影响，如下进行：

如图9所示的那样，在粉末支承4的粉末床36中(替代地也可以是粉末射束)，由机器控制装置11完全自动化控制地在起始点x0处沿进给方向33执行多个熔化迹道32，具体地说针对重熔参数的在此五个不同的值W1至W5执行所述多个熔化迹道。在此，在熔化迹道32的情况下，分别至少如此程度地提高激光射束5的进给速度v，直到在终止点x1,max至x5,max处分别发生熔化迹道中断。中断探测器14探测到熔化迹道中断并且关断激光射束5。

接着，由机器控制装置11完全自动化控制地根据熔化迹道32的所测得的熔化迹道长度L1至L5、对应的重熔时间t1至t5或者对应的熔化迹道中断速度vA,1至vA,5求取在熔化迹道32的熔化迹道长度L、对应的重熔时间t或对应的熔化迹道中断速度vA与所述重熔参数之间的关系。

在图10中示出在分别直至熔化迹道中断速度为止所执行的熔化迹道32的熔化迹道长度L/重熔时间t/熔化迹道中断速度vA与切割参数“激光射束5的z焦点位置F”之间的内插关系。在熔化迹道32的熔化迹道长度L或对应的重熔时间t或对应的熔化迹道中断速度vA最大时激光射束5的那个z焦点位置被机器控制装置11自动化地确定为最优焦点位置Fopt，并且机器控制装置11将激光射束5的焦点位置自主地调整到该最优焦点位置Fopt上。对焦点位置的求取可以一次用低激光功率执行、一次用高激光功率执行。两个焦点位置的差相当于功率相关的焦点位移。