专利名称：具有用于消除弥散场的光学膜片的激光加工机床的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光加工机床，特别涉及一种激光切削机床或着激光 焊接机床，包括聚焦光学装置，其在光束引导腔内中间地聚焦激光束，并 且包括光学膜片(空间膜片)，该膜片设置在中间焦点区域内以形成激光束。
背景技术：
这样的激光加工机床是已知的，例如像专利文件EP-A-1 180 409中提 到的那样。在用激光对材料进行加工中，如在激光切削或焊接中，加工结果依赖 于激光束的功率密度和光束质量。必须频繁精确调整加工点的激光束直径 以达到期望的加工结果。除了激光模式之外，激光束还包含衍射结构(衍 射部分)，其与激光模式相比具有较大的光束直径和较大的远场扩散。当激光束被聚焦到待加工工件上，这些衍射结构存在于激光模式的光束直径外 部，并且导致不期望的在加工点之外的工件的发热，这种不期望的发热导 致了切削或焊接质量的下降，例如粗糙的切削边缘、腐蚀、起氧化皮和小 工作带宽。此外，在氧气(02)激光切削中，最大可切削材料厚度明显减少。 因此，用于形成光束特别是过滤衍射结构的光学膜片设置在已知的激 光加工机床上。从最初的专利文件EP-A-1 180 409可以得知，借助于位于 中间焦点的光学膜片消除在中间聚焦的激光束中的衍射结构(弥散场)和 高阶激光模式。在这种情况下，膜片孔选择为很小以至于在气体清洗的光 束引导腔内光学膜片前面存在的压力(过压)显著的高于光学膜片后面的 压力。膜片孔因此同时充当节流点，用来使冲洗气体流过光束引导腔，由 此减小流过其中的气体的量。然而，膜片孔越小，激光模式的强度损失就 越高。发明内容鉴于这种情况，本发明的目的在于在最初说明类型的激光加工机床上， 在激光模式不损失强度的情况下，消除衍射结构(弥散场)的干扰。本发明的该目的通过使膜片孔直径为中间地聚焦的激光束的99%光束 直径的约1. 2至约2. 5倍来获得。该99%光束直径定义为比激光光束中心处 的最大强度I(O)下降了 1%的光束直径。在本发明的氧气(02)激光切削机床的试验中，已经导致切削边缘更加 明显的光滑而不起氧化皮。该切削质量的提高归功于这样的事实，即，位 于激光光束中、在加工点处导致加工点外部发热的衍射结构被消除。聚焦光学装置的焦距选择"向上"由激光加工机床的最大几何尺寸限 定，并且"向下"由kW激光范围(kW laser range)中的热或机械稳定性 以及光学膜片的可调整性限定。在多kW范围(multi- kW range)中膜片 直径小于lmm是不实际的。中间焦点优选的位于激光共振器的耦合输出窗 口和光束引导腔的偏转镜，特别是第一偏转镜，之间。该光学膜片不需要精确的位于中间焦点上，也就是位于在中间聚焦的 激光束的光束收敛部分中，但光学膜片可以被设置在离中间焦点最大的瑞 利长度处。在围绕光束收敛部分的区域中，菲涅耳数等于或约等于零，并 因此在激光模式和衍射结构之间的空间间隔最大，这样衍射结构在这里可 以被过滤掉并且激光模式下的损失最低。不会导致焦点漂移的元件被优选地插入到光束路径当中。因此，激光 加工机床的聚焦光学装置和激光加工头为非透射(non-transmitting)光 学装置或者热透镜效应小于ZnSe光学装置的透射(transmitting)光学装 置。透射光学装置(如ZnSe透镜)改变它们的折射率，该折射率作为根据 激光辐射的吸收和温度梯度的形成的透射激光功率的函数，这样形成了所 谓的热透镜。该透镜效应导致焦点沿着在中间焦点区域的传播方向迁移， 并且导致在加工点(切削头，焊接头等)处干扰依赖于功率的焦点移动。 为了达到光学膜片的最理想的功能和在加工点处的较小的焦点漂移，应选 择具有小透镜效应的透射光学装置(如金刚石耦合输出窗口)或非透射光 学装置(如具有镜光学装置的加工头)。在这些位置处使用ZnSe透镜当然 是可能的，但具有前述的那些缺点。例如聚焦光学装置可以是设置在光束引导腔内的外部镜，或者是三角褶合形状，优选地集成在耦合输出窗口中。光束引导腔优选地用气体冲洗，其中光学膜片前面和后面存在的气体 压力有利地相同或几乎相同。本发明的进一步的优点从描述和附图中得到。同样地，以上说明的和 进一步列出的特征可以单独使用或者多个任意组合使用。所示出和描述的 实施例不能理解为最后的列出，而是具有用于描述本发明的示例性的特征。
在图中图l是本发明激光加工机床的激光束的光束路径的示意图；并且图2显示了图1中示出的激光束在中间焦点以光束半径为函数绘制的 强度分布图。
具体实施方式
图1中所示的C(U敫光加工机床1包括具有耦合输出窗口(耦合输出镜) 3的CCV激光发生器2，通过该耦合输出窗口激光束4被耦合输出进入到经 过气体冲洗的光束引导腔5。聚焦光学装置6被集成在耦合输出窗口 3上， 该聚焦光学装置6在光束引导腔5中中间地将激光束4聚焦到中间焦点ZF。 中间焦点ZF的位置是任意的，但其适于选择一个位于两个光学元件之间的 固定距离，在本示例性的实施例中中间焦点位于耦合输出窗口 3和偏转镜7 之间。激光束4在偏转镜7处偏转并且可选的激光束4在其它元件处经由 激光加工头8聚焦在将要被加工的工件(未示出)上。例如，激光加工机 床1可以为激光切削机床或者激光焊接机床。具有圆膜片孔的水冷光学膜片(空间膜片)9位于中间焦点ZF处，用 于形成激光束4。由于在图2中显示的，强度I被描绘成关于光束半径R 的函数，膜片圆孔直径d显著大于激光束4在中间焦点ZF处的99%光束半 径D，。比率d/D^应当在大约1. 2和大约2. 5之间，在本示例性的实施例 中大约为1.4。对于圆形对称的大约如6mm的99。/。光束直径D9^膜片孔直 径d将选为在7.2 ram和15.0腿之间。该光学膜片9不必精确的位于中间 焦点ZF处，也就是位于在中间聚焦的激光束4的光束收敛部分中，但光学膜片9可以被设置在离中间焦点ZF为瑞利长度RL的最大值处。为了便于 维持和调整光学膜片9的位置，中间焦点ZF和由此光学膜片9理想地距离 聚焦光学装置6约1 m至2 m。在按该方法配置的激光切削机床中用氧气(02)作为切削气体进行试验 导致切削边缘更加明显的平滑并且没有生成氧化皮。这种提高了的切削质 量归功于这样的事实，§卩，在加工点处，导致工件在加工点的外部发热的 激光束4中的衍射结构10被光学膜片9消除。为了保证最适宜的光学膜片9的功能和在加工点上的小的焦点漂移， 耦合输出窗口 3连同集成的聚焦光学装置6用金刚石制造并且激光加工头8 为镜切削头。被光学膜片9分成两局部腔5a、 5b的光束引导腔5被冲洗气体进行冲 洗以阻止微粒或气体从外部进入光束引导腔5。冲洗气体在耦合输出窗口 3 附近被填充进入前局部腔5a (沿箭头6a流动)，并且在光学膜片9之前通 过过压阀(未示出)再次被导出(沿箭头6b流动)。同样地，冲洗气体在 激光加工头8附近填充到后部腔5b (沿箭头7a流动)，并且在光学膜片9 之后通过过压阀(未示出)再次被导出(沿箭头7b流动)。该两个过压阀 被设置为同样的开口压力，这样在被气体冲洗的光束引导腔5中，在光学 膜片9前面或后面的气体压力p,、 P2为相同或大致相同，并且光学膜片9 对于光束引导腔5中的冲洗气体来说不存在节流效应。此外，光学膜片9 可以进一步具有通孔，经由该通孔两局部腔5a、 5b之间的压力可以被平衡。
权利要求
1、一种激光加工机床(1)，特别是激光切削机床或激光焊接机床，包括聚焦光学装置(6)，其在光束引导腔(5)内中间地聚焦激光束(4)，并且包括光学膜片(9)，该膜片设置在中间焦点(ZF)区域内用来形成激光束(4)，其特征在于，膜片孔直径(d)为中间地聚焦的激光束(4)的99％光束直径(D99％)的约1.2至约2.5倍。
2、 如权利要求1所述的激光加工机床，其特征在于，中间焦点(ZF) 位于激光共振器(2)的耦合输出窗口 (3)和光束引导腔(5)的偏转镜， 特别是第一偏转镜(7)，之间。
3、 如权利要求1或2所述的激光加工机床，其特征在于，光学膜片 (9)被定位得以最大瑞利长度(RL)离开中间地聚焦的激光束(4)的中间焦点(ZF)。
4、 如前述权利要求中的任何一项所述的激光加工机床，其特征在 于，激光加工机床(1)的聚焦光学装置(6)和/或激光加工头(8)为非 透射光学装置。
5、 如前述权利要求中的任何一项所述的激光加工机床，其特征在 于，激光加工机床(1)的聚焦光学装置(6)和/或激光共振器(2)的耦 合输出窗口 (3)和/或激光加工头(8)为热透镜效应小于ZnSe光学装置 的热透镜效应的透射光学装置。
6、 如前述权利要求中的任何一项所述的激光加工机床，其特征在 于，聚焦光学装置(6)被集成在耦合输出窗口(3)中。
7、 如权利要求1至5中的任何一项所述的激光加工机床，其特征在 于，聚焦光学装置(6)为位于光束引导腔(5)内的外部镜。
8、 如前述权利要求中的任何一项所述的激光加工机床，其特征在于，光束引导腔(5)用气体冲洗。
9、 如权利要求8所述的激光加工机床，其特征在于，气体冲洗的光 束引导腔(5)中的光学膜片(9)前面和后面存在的气体压力(Pl、 p2)相 同或近似相同。
全文摘要
本发明涉及一种激光加工机床(1)，包括聚焦光学装置(6)，其在光束引导腔(5)内中间地聚焦激光束(4)，并且包括设置在中间焦点(ZF)的区域中的用于形成激光束(4)的光学膜片(9)，膜片孔直径为中间地聚焦的激光束(4)的99％光束直径的约1.2至约2.5倍。
文档编号B23K26/06GK101257992SQ200580051469
公开日2008年9月3日 申请日期2005年9月3日 优先权日2005年9月3日
发明者M·格施万纳, N·黑伯伦 申请人:通快机床两合公司