激光切割工艺的控制方法及执行该方法的激光切割系统的制作方法
【专利摘要】根据本发明，通过将由存在于被激光头（12）聚焦的激光束的辐照的体积中的气体（无论是辅助气体还是杂质气体）或者更一般地发射要素发射的辐射所特有的一个或者多个发射谱线用作参考信号以及通过基于该参考信号来调节以下工艺控制参数中的至少一个来控制激光切割工艺：激光器的功率、激光脉冲的频率和占空比、由形成激光头（12）的一部分的喷嘴（16）发射的辅助气体的压力、激光头（12）相对于工件（P）的相对速度、激光头（12）与工件（P）的表面（S）之间的距离、以及激光束的焦点（F）与工件（P）的表面（S）之间的距离。
【专利说明】激光切割工艺的控制方法及执行该方法的激光切割系统
[0001]本发明大体涉及激光切割工艺领域，并且更准确地涉及用于控制激光切割工艺的方法及执行该方法的激光切割系统。
[0002]表述“激光切割工艺”对于本发明目的而言旨在是指这样的工艺，其中，聚焦在工件表面上或者在该表面附近的激光束使得被该激光束撞击的工件的材料的产生转变，以首先获得通孔然后获得从这个通孔开始的切割线。激光束相对于工件的相对运动决定该工艺涉及的材料的总面积、或体积。典型地，由于该工艺导致的材料的转变为机械型转变(变形)或者物理型转变(由于熔化、蒸发或者升华而导致的相变)并且由于以下两个主要因素而以可变的比例组合:
[0003]a)由聚焦的激光束供应的热；以及
[0004]b)由所谓的辅助气体导致的化学反应供应的热，假定这种反应是放热反应(典型地是燃烧反应，或者更一般地是涉及辅助气体与工件材料的化合的反应)。
[0005]对于不允许提供在上文中以b)表示的热供应的情况，辅助气体是惰性气体(诸如例如N2、Ar或者He)并且具有屏蔽或者机械推进(即，它用来将由于激光束供应的热的原因而已经发生熔化、蒸发或者升华的材料吹走)的作用。
[0006]相反,对于在上文中以b)表示的热供应必须等于或者大于总能量供应的40%的情况，辅助气体是反应性气体并且充当能量产出手段或者作为助燃物。在该情况下，辅助气体在激光加工工艺中的作用因此是借助于放热反应而对工艺产出能量，其中对工艺具有两个同时的效果:1)使所涉及的材料体积的温度的增大，这导致由于热效应而产生的状态的物理变化(增塑、熔化、蒸发或者升华)；以及2)反应的自我维持，因为所涉及的材料体积的温度和可获得的热能保证了导致和维持放热反应所需的条件。反应型辅助气体的一个实例是氧气(02)，其用于在碳钢合金上执行的激光加工操作中，因为它能够维持包含在钢中的铁的氧化反应。
[0007]作为切割的初步阶段的激光穿孔(piercing)通常不存在激光束相对于工件的相对运动的方式来执行并且就随后的切割工艺而言旨在使材料的壁破坏。激光穿孔通过光学结构以及通过必须同样与在材料的壁已被破坏之后立即进行的切割工艺相容的相对于材料的焦点位置来执行。激光穿孔在直到工艺结束都保持闭合的体积中进行。如在附图的图1中示意性图示的，激光穿孔工艺首先涉及工件P的表面S，然后发展成形成圆柱体，该圆柱体包括从激光束的光轴A开始的一空间，该空间收集在一气氛下蒸发的/升华的、熔化的和加热的材料，该气氛包括辅助气体、来源于工件材料与共存的气体之间的化学反应的可能副产物、以及包含在处理中的工件被放置于其中的空气中的可能的其他气体(这些气体作为杂质(contaminant)而存在)。
[0008]与穿孔不同，激光切割工艺提供聚焦的激光束相对于工件的相对运动。此外，如在附图的图2中示意性示出的，激光切割在一开放体积中进行，该开放体积由由三个表面限定，即，由平行于聚焦激光束相对于工件的相对运动的方向延伸的一对平坦表面S1、S2以及由连接之前两个表面并且呈现有切口前缘的第三表面S3限定。如在附图的图3 (其为正在通过激光而被切割的材料的壁的剖视图，该视图通过穿过平行于切割的方向的剖面获得)中示意性示出的，切口前缘由在一气氛中加热、熔化和蒸发/升华的材料的不同的层形成，该气氛包括辅助气体、来源于工件材料与共存的气体之间的化学反应的可能副产物、以及包含在工件被放置于其中的空气中的可能的其他气体(这些气体作为杂质而存在)。
[0009]文献US5，373，135披露了一种用于基于设定两个温度阈值以及通过测量光强度而测量温度来控制激光切割工艺的方法，所述两个温度阈值即为分别对应于处理中的材料的熔化温度以及包含在处理中的材料的熔化温度与蒸发温度之间的温度的最小温度阈值和最大温度阈值。当所测温度高于预定最大阈值时，则关闭激光，而当所测温度低于预定最小阈值时，则打开激光。该已知的方法的控制参数因此为温度。
[0010]承上所述，本发明的一个目的是提供一种用于控制上述类型的激光切割工艺的方法，而无论该工艺是使用反应性气体还是使用惰性气体、使用CO2激光器还是使用固态激光器(Nd: YAG、光纤(fiber)激光器、圆盘激光器、二极管激光器)执行,该方法允许在将反应性气体用作辅助气体的工艺的情况下工艺失去控制并且进入突发状况的风险最小，允许切口闭合的风险以及因此工艺中断的风险最小，并且还允许相对于已用于激光切割工艺的控制的控制方法而言可获得的结果而改善工艺的最终结果的品质。
[0011]根据本发明，该目的借助于包括在所附的独立权利要求1中阐述的步骤的用于控制激光切割工艺的方法来充分实现。
[0012]根据本发明的另一方面，该目的借助于具有在所附的独立权利要求10中阐述的特征的激光切割系统来充分实现。
[0013]根据本发明的控制方法的实现的有利模式以及根据本发明的激光切割系统的有利实施例为从属权利要求的主题，从属权利要求的内容将被认为是下文中的描述的一体的或综合的部分。
[0014]简而言之，本发明基于控制激光切割工艺(包括初始穿孔阶段)的理念，所述激光切割工艺通过将由存在于被聚焦的激光束的辐照涉及的体积中的气体(无论是辅助气体还是杂质气体)发射的或者更一般地由发射要素(element)发射的辐射特有的一个或者多个发射谱线用作参考信号以及通过基于该参考信号调节以下工艺控制参数中的至少一个来控制:激光器的功率、激光脉冲的频率和占空比、辅助气体的压力、激光器相对于工件的相对速度、激光头与工件表面之间的距离、以及激光束的焦点与工件表面之间的距离。
[0015]根据本发明的控制方法因此提供用于实现包括以下步骤的控制循环:
[0016]-来自于被激光工艺涉及的体积的辐射由传感器装置检测，该传感器装置以预先选定为最适合用于控制该工艺的波长为中心的带来操作；
[0017]-这样被检测到的信号被适当地滤波和处理，并且然后作为输入而发送至电子控制单元；以及
[0018]-电子控制单元解释作为输入而接收的信号并且如果必要的话改变上述的工艺控制参数中的一个。
[0019]优选地，出于工艺控制的目的而被监测的辐射(下文中称为控制辐射)特有的发射谱线包含在从180nm至2000nm的范围内并且以不宽于IOOnm的带宽监测。
[0020]优选地，将氧气或者氮气用作发射气体。一般而言，可将这样的气体用作发射气体:当该气体存在于由激光加工工艺涉及的体积中时，由于与激光器直接作用、或者由于该工艺因为气体与处理中的材料的结合而产生的可能化合物的向离子态转变或在旋转震动模式(roto-vibrational mode)之间转变而导致的温度的原因，该气体能以包括在180nm与2000nm之间的带发射。用作发射气体的气体可一般地为辅助气体或杂质气体。在该第二种情况下，该气体可一般地为通常存在于处理中的工件周围气氛中的气体或者是出于该目的而特别弓I入被激光工艺涉及的体积中的气体。
[0021]在将气体用作发射待检测的辐射的要素的情况下，该控制方法基于以下论述。
[0022]如果该气体具有主要为反应性的特性，则其发射可被解释为反应工艺发生的强度等级的指示:过低的等级意味着反应工艺并未以可能的的速率发生，而过高的等级意味着反应工艺正在以过高的速率发生因此有不受控制或者爆炸(explosive)的工艺的情形的风险。对于脉冲激光器的情况，信号的导数或者在随后的脉冲之前关闭的激光器达到的最小等级可给出这样的指示，即，工艺将趋于减小或者增大其强度，因此一方面变得效率低且另一方面变得不受控或者爆炸性。对于连续激光器的情况，通过引入对激光器功率的过调制并且通过比较气体在欠调制步骤过程中与在过调制步骤过程中发射的信号的时间导数也可获得相同的信息。另一种类型的控制可通过比较两个或更多不同的波长的辐射的发射的等级来获得，其指出被激光加工工艺涉及的体积内至少两个特定化学物种或化合物的存在或者转化。
[0023]如果气体具有杂质的特性(无论它是一般存在于处理中的工件周围的气氛中还是出于该目的而特别引入工艺中)，则其发射可被解释为控制信号，即使在将惰性气体用作辅助气体的激光切割工艺的情况下也是如此。对于在切割准备中执行激光穿孔的情况，由杂质气体发射的信号给出穿孔柱体仍是闭合的并且因此工艺尚未完成的信息。一旦已在材料中形成开孔，则控制信号显著地减小并且因此表明工艺已结束。对于激光切割的情况，由杂质气体发射的信号的增大给出这样的信息，即，切口前缘正趋于变得平行于处理中的工件的表面，由此排出更少的材料、更少的副产物及更少的杂质气体，并且因此切口的前进速度过高；而由杂质气体发射的信号的减小给出切口的前边缘正在趋于变得垂直于处理中的工件的表面、并且因此切口的前进速度过低的信息。
[0024]优选地，根据本发明的控制方法提供用于监测777nm的发射谱线。该波长包括来自于离子化氧的强发射(这样的强发射即使在氧仅仅作为杂质存在于工艺中也可容易地检测到)，并且更具体地给出对于控制切割准备中的激光穿孔及激光切割两者所需要的信息。对于氧化条件下的激光穿孔工艺(其中将氧气用作辅助气体)的情况，该波长给出存在于处理体积中的离子化氧的量的上升斜坡的非常灵敏的预期，该斜坡预示着爆炸。对于熔融激光穿孔工艺(其中将氮气用作辅助气体)的情况，该波长给出了与在开孔之前熔化中的仍然闭合的体积的存在的非常灵敏的信息。对于激光切割工艺的情况(无论该工艺是在氧化条件下执行还是该工艺为熔融激光切割工艺)，该波长代表丰富的信息源，因为其提供氧化工艺中的爆炸或者横向扩散(导致切口的最终品质的降低)两者的风险的预期，还提供切口闭合以及相关的切口损失(独立于已导致闭合的以上原因)的现象的预期。
[0025]除了由气体(无论它们是辅助气体还是杂质气体)发射的信号之外，根据本发明，还可使用由包含在处理中的材料中的金属要素(无论它们是该材料的特征要素还是仅仅作为杂质而存在的要素)发射的信号。例如，可将铁、镍、铬、铝或者铜用作发射要素。
[0026]由存在于被激光加工工艺涉及的材料体积中的气体或者其他发射要素发射的信号的监测因此允许获得关于工艺的状态的信息并且因此允许通过调节上述工艺控制参数来控制该工艺。
[0027]就实现根据本发明的控制方法的激光切割系统而言，该激光切割系统基本上包括:
[0028]-激光源，该激光源可一般地为CO2类型或者固态类型(Nd:YAG、光纤激光器、圆盘激光器、二极管激光器);
[0029]-激光头，包括用于聚焦由激光源产生的激光束的聚焦装置及用于供应辅助气体的喷嘴；
[0030]-光路(opticalpath)，布置成将由激光源产生的激光束传送至激光头的聚焦装置；
[0031]-驱动装置，布置成使激光头与工件以可调节的速度相对于彼此移动，并且布置成控制辅助气体的压力、调节喷嘴相距工件表面的距离以及调节激光束的焦点相对于工件表面的位置；以及
[0032]-工艺控制装置，包括:传感器装置，用于检测由存在于聚焦激光束的辐照涉及的材料体积中的给定气体或给定材料发射的辐射的至少一个预定波长带；信号处理装置，用于处理被传感器装置检测到的信号；以及控制装置，用于基于由信号处理装置接收的信号控制激光源和/或驱动装置来调节以下工艺控制参数中的至少一个:激光器的功率、激光脉冲的频率和占空比、辅助气体的压力、激光头相对于工件的相对速度、激光头的喷嘴与工件表面之间的距离、以及激光束的焦点与工件表面之间的距离。
[0033]根据实施例，传感器装置包括用于检测预定波长带或多个预定波长带的光电二极管(photodiode)、布置成将由激光加工工艺发射的辐射引导到光电二极管上的反射器/偏转器装置以及安置在光电二极管与反射器/偏转器装置之间以选择该预定波长带或多个预定波长带的光学过滤器装置。
[0034]根据实施例，传感器装置包括用于检测预定波长带或多个预定波长带的多个光电二极管、每个均布置成将由激光加工工艺发射的辐射引导到相应的光电二极管上的对应的多个反射器/偏转器装置以及每个均安置在相应的光电二极管与相应的反射器/偏转器装置之间以选择该预定波长带或多个预定波长带的对应的多个光学过滤器装置。
[0035]无论用作传感器装置的光电二极管、反射器/偏转器装置及光学过滤器装置的数量如何，该(或者每个)光学过滤器装置可以透射的方式或以反射的方式工作。在该第二种情况下，该(或者每个)光学过滤器装置可与布置成将由激光加工工艺发射的辐射引导到光电二极管上的反射器/偏转器相同。传感器装置可一般地布置在激光头的聚焦装置的上方或下方。
[0036]在固态类型(Nd:YAG、光纤激光器、圆盘激光器、二极管激光器)激光源的情况下，光路包括传送光纤并且激光头还包括准直装置，该准直装置连接至传送光纤的终端并且包括一个或多个准直透镜。
[0037]在这种情况下，反射器/偏转器装置可包括位于准直装置与聚焦装置之间的90度偏转器，该90度偏转器布置成反射激光辐射的至少99.9%以及用以相反地传输预定波长带的辐射。在这种情况下，优选地，传感器装置还包括聚焦透镜，该聚焦透镜布置在偏转器与光电二极管之间以将检测到的信号聚焦到光电二极管上。此外，光学过滤器装置优选地布置在偏转器与聚焦透镜之间并且包括布置成削减激光辐射的第一光学过滤器及布置成选择该预定波长带的第二光学过滤器。这完全适用于其中设置有多个光电二极管、反射器/偏转器装置及光学过滤器装置的情况，在该情况下，每个反射器/偏转器装置将包括各自的偏转器并且相应的聚焦透镜将布置在每个偏转器与相应的光电二极管之间。
[0038]可提供分支装置来作为90度偏转器的替换，该分支装置沿着光路布置并且构造成允许由激光源产生的激光束通过传送光纤完全地传送至激光头以及允许由激光加工工艺发射并通过传送光纤传送的辐射引导到光电二极管上。
[0039]根据实施例，分支装置一体形成于光耦合装置中(由激光源产生的激光通过该光耦合装置而投射在传送光纤中)，并且特别地包括光束分离器，该光束分离器布置在光耦合装置的准直透镜和聚焦与投射透镜之间以便允许由激光源产生的激光束完全地穿过该聚焦与投射透镜以及允许由激光加工工艺发射的并通过传送光纤传送的辐射引导到光电二极管上。
[0040]根据实施例,分支装置包括焊接至传送光纤上的次级光纤(secondary fiber)。在提供光耦合装置(由激光源产生的激光通过该光耦合装置而投射在传送光纤中)的情况下，次级光纤在传送光纤的定位在光耦合装置的下游的位置处焊接至该传送光纤上。可替换地，可省去光耦合装置并且次级光纤可在与传送光纤焊接至激光源的位置相同的位置处焊接。在这种情况下，如果次级光纤焊接至这样的光组合器是特别有利的，多个光纤焊接之该光组合器，所述光纤每个均连接至形成激光源的一部分并且能够独立于其他的激光模块来发射激光束的相应的激光模块。
[0041]通过以下参照附图以非限制性实例的方式给出的详细描述，本发明的其他特征和优点将变得更为明显，附图中:
[0042]图1示意性示出了激光穿孔工艺涉及的材料体积；
[0043]图2和图3示意性示出了激光切割工艺涉及的材料体积；
[0044]图4示意性示出了根据本发明的用于激光切割系统的工艺控制装置；
[0045]图5A和图5B分别是形成工艺控制装置(诸如图4中的)的传感器装置的一部分的偏转器与光电二极管的组件的从上方看去的视图及截面图；以及
[0046]图6至图11示意性示出了可用于根据本发明的激光切割系统的工艺控制装置中的传感器装置的实施例，其中每幅图分别为实施例的一个变型。
[0047]首先参照图4的示意图，根据本发明的激光切割系统基本上包括:
[0048]-激光源10,其可一般地为CO2型或者固态型(Nd:YAG、光纤激光器、圆盘激光器、二极管激光器)的；
[0049]-激光头，该激光头大体由12表示并且包括用于使由激光源10产生的激光束聚焦的聚焦装置14及用于供应辅助气体(其可一般地为诸如例如氮气的惰性气体或者诸如例如氧气的反应性气体)的喷嘴16，喷嘴16具有优选地带有圆形横截面的出口孔；
[0050]-光路(未示出，但为本身已知的类型)，布置成将由激光源10产生的激光束传送至激光头12的聚焦装置14，其中该光路可由镜组件形成或者由传送光纤形成；
[0051 ]-驱动装置(未示出，但为本身已知的类型)，布置成使激光头12和工件相对于彼此以可调节的相对速度移动，以及控制辅助气体的压力以调节喷嘴16相距工件表面的距离并且调节激光束的焦点F相对于处理中的工件的表面的位置，该驱动装置由数字控制器18控制；以及[0052]-工艺控制装置，布置成控制激光源10和/或驱动装置(通过数字控制器18)以便调节下列工艺控制参数中的至少一个:激光器的功率、激光脉冲的频率和占空比、辅助气体的压力、激光头12相对于工件的相对速度、喷嘴16与工件表面之间的距离、以及激光束的焦点F与处理中的工件的表面之间的距离。
[0053]更具体地，工艺控制装置包括:传感器装置，用于检测由存在于被聚焦激光束的辐照的材料体积(出于简便性的目的而在下文中称为工艺体积)中的给定气体或者给定材料发射的辐射的至少一个预定波长带；信号处理装置，用于处理被传感器装置检测到的信号；以及控制装置，用于基于被信号处理装置接收的信号来控制激光源和/或驱动装置，以调节上述工艺控制参数中的至少一个。
[0054]传感器装置包括用于优选地以至少十倍程(decade)的动态范围来检测预定波长带的光电二极管20、布置成将由工艺体积发射的辐射引导到光电二极管20上的反射器/偏转器装置22以及安置在光电二极管20与反射器/偏转器装置22之间用以选择预定波长带的光学过滤器装置24。光学过滤器装置24可以透射的方式或者以反射的方式工作。在该第二种情况下，光学过滤器装置24可与反射器/偏转器装置22相同。由处理体积发射的辐射因此被反射器/偏转器装置22引导穿过光学过滤器装置24到检测预定波长带的光电二极管20上。如在图5A和图5B中示出的，传感器装置可包括多个光电二极管20(在所示实例中为四个光电二极管)以及对应的多个反射器/偏转器装置22和光学过滤器装置24，其布置成使得每个反射器/偏转器装置22在给定的角度范围中将由处理体积发射的辐射穿过相应的光学过滤器装置24引导到相应的光电二极管20上。传感器装置可一般地定位在激光头12的聚焦装置14的上方或下方。
[0055]信号处理装置包括信号放大与过滤电路板26 (其例如直接地连接至光电二极管20)和信号获取电路板28，信号获取电路板连接至信号放大与过滤电路板26以获取来自后者的信号。
[0056]控制装置包括电子控制单元30 (例如工业PC)，在该电子控制单元上安装有执行在下文中详细描述的控制算法的控制软件。电子控制单元30 —方面连接至信号获取电路板28并且另一方面通过具有输入接口和输出接口的通信线路同时连接至激光源10并连接至数字控制器18，以便能够直接控制激光源10以调节激光器的功率、频率和占空比以及能够通过数字控制器18间接地控制驱动装置以调节其余的上述工艺控制参数，即相对速度、辅助气体的压力、喷嘴相距材料的距离以及焦点相对于材料的位置。
[0057]前述的工艺控制参数基于与由传感器装置检测到的预定波长带或多个预定波长带有关的信号来调节。根据本发明，将选择成包括存在于处理体积中的发射要素(其可为气体或者金属)的至少一个发射谱线(emission line)的波长带用作预定波长带。优选地，出于工艺控制的目的而监测的发射谱线包括在从ISOnm到2000nm的范围中并且以不宽于IOOnm的带宽来检测。优选地，在将气体用作发射要素的情况下，该气体为氧气或氮气。
[0058]由氧气发射的福射具有的发射谱线的波长如下(以nm为单位):948、845、795和777。优选地，根据本发明的控制方法提供用于上述最后一种发射谱线的监测，并且因此用于获取750nm的信号，其中通带等于±50nm。如已在说明书的前言部分中陈述的，该波长包括离子化氧的强发射，该强发射甚至能在氧气仅仅作为杂质而存在于工艺中时被容易地检测到，并且特别地给出对于控制激光切割和在切割准备中控制穿孔操作所需的信息。根据本发明，该波长一方面用作关于处理体积中离子化氧的量增加的趋势(该趋势通常预期穿孔或者切割的扩张)的信息，且另一方面用作收集的杂质的量的指标并且因此作为尚未完成的穿孔的指标或者切口(kerf)闭合的趋势的指标。
[0059]就氮气而言，由该气体的发射的辐射具有的发射谱线的波长如下(以nm为单位):1358、1246、939、870、745和576。在这种情况下，应当监测以下波长(以nm为单位)，其中通带等于 ±50nm:1350、1250、950、850、750 和 550。
[0060]除了由气体(无论是辅助气体还是杂质气体)发射的信号之外，还可使用由包含在处理体积中的金属要素发射的信号，与它们是否是作为杂质而存在的材料或者要素的特征要素无关。
[0061]在这一点上，根据本发明的控制方法优选地提供用于监测由铁发射的辐射。对于由碳钢制成的工件，由包含在工件材料中的铁发射的辐射具有处于517-521nm的第一带中的及处于550-600nm的第二带中的发射谱线。在这种情况下，监测550nm的波长将是足够的，其中通带等于±50nm。对于由不锈钢制成的工件，由包含在工件材料中的铁发射的辐射具有包含在除了上述两个带之外的480-500nm的第三带中的发射谱线。
[0062]监测550nm的波长(其中通带等于±50nm)还可在处理中的材料是招或者招合金时使用，因为由铝发射的辐射具有包含在518-548nm的带中的发射谱线。
[0063]还可使用镍作为发射要素，其发射的辐射具有发射谱线的波长如下(以nm为单位):361、352、349和341。在这种情况下，监测350nm的波长将是足够的，其中通带等于±50nmo
[0064]此外，可使用铬作为发射要素，其发射辐射具有的发射谱线波长如下(以nm为单位):427和359。在这种情况下，监测450nm和350nm的波长将是足够的，其中通带等于±50nmo
[0065]对于选择铜作为发射要素的情况，铜发射的辐射具有325nm的发射谱线，监测350nm的波长将是足够的,其中通带等于±50nm。
[0066]为了在切割准备中执行激光穿孔，可由激光加工系统的控制装置使用以调节工艺控制参数的控制算法的实例提供以下描述的步骤。
[0067]a)首先，检查待在其中形成孔的材料的存在。为此目的，通过激光头将第一激光脉冲组发送到材料上并且通过传感器装置检测与预定波长带有关的信号。如果检测到的信号相对于预定阈值而言过低，则该信息被控制装置解释为指示材料不存在或者指示之前已形成孔。
[0068]b) 一旦已确认材料的存在，使用上述工艺控制参数的合适值来开始激光加工工艺。特别地，激光源在某一预定时间间隔内打开，在该预定时间间隔终止时关闭激光源。特别地，如果该工艺在氧气(被用作辅助气体)富足的环境中进行，则其中激光源打开的时间间隔在从0.5到5毫秒(优选地为I毫秒)的范围内变化。相反，如果氧气仅仅作为杂质气体存在，则其中激光源打开的时间间隔在从0.5到100毫秒(优选地为50毫秒)的范围内变化。
[0069]c)在激光源关闭某一时间(弛豫时间)之后，以预定波长带发射的辐射由传感器装置检测并且其路径被监测。如果检测到的信号下降至给定的再点火阈值之下，则重复步骤
b)，即，在此打开激光源。在控制信号的监测过程中，控制装置还可测量该信号的时间导数并且将该导数用作调节过程的鲁棒性的指示。
[0070]当检测到的信号下降至给定的工艺结束阈值之下时，工艺结束。优选地，工艺结束控制(end-of-process control)在其中激光源打开的时间间隔内执行。
[0071]再点火和工艺结束阈值的值取决于材料并且取决于工件的厚度。优选地，这些值不是固定的，而是在这些后者基于所测的控制信号的时间导数确定工艺不是非常鲁棒的情况下通过控制装置而动态地改变。
[0072]为了执行激光切割操作，可由激光加工系统的控制装置用来调节工艺控制参数的控制算法的实例提供了以下描述的步骤。
[0073]a’)首先，工艺控制参数设定成通常基于所使用的激光源以及基于工件的厚度和材料来选择的值。
[0074]b’ )传感器装置检测与由处理体积发射的辐射的预定波长带对应的信号。在至少一个被监测的信号超过给定阈值的情况下，控制装置将发射的该超出解释为切口的部分闭合(对于使用惰性气体切割的情况)或者反应工艺的初期失去控制(对于使用反应性气体切割的情况)，并且在任一情况下它们适当地改变上文中指出的至少一个工艺控制参数，如果可能的话不改变激光器的功率和相对速度。在至少一个被监测的信号下降至给定阈值之下的情况下，控制装置将这个发射下降解释为过慢的工艺并且适当地改变上文中指出的至少一个工艺控制参数，如果可能的话不改变激光器的功率和相对速度。
[0075]此外，如果加工系统的传感器装置包括多个光电二极管，所述光电二极管布置成保持与处理体积中产生由每个光电二极管检测的辐射的部分保持空间相关，则控制装置优选地使检测到的信号与切割方向关联，从而使得可获得与所有允许的切割方向上的行为的各向异性有关的信息。这样的信息给出了激光束相对于激光头的喷嘴的中心(即相对于辅助气体的流出方向)的偏移的度量，并且因此允许适当地移动聚焦透镜或者喷嘴的质心。
[0076]自然地，在遵从基于与由处理体积以至少一个预定波长带发射的辐射有关的信号来调节至少一个上述工艺控制参数的原理的情况下可在本发明范围内实现与上文中描述的控制算法不同的控制算法，这样的预定波长带包括在激光加工的期间存在于处理体积中的气体或者另一种发射要素的至少一个发射谱线。
[0077]参照图6至图11 (其中与图4和图5的部件相同或者对应的部件已被给出相同的标号)，现在将描述可用在根据本发明的激光切割系统的工艺控制装置中的传感器装置的一些可能的实施例。
[0078]在图6的实施例中，激光切割系统包括固态类型(Nd:YAG、光纤激光器、圆盘激光器、二极管激光器)的激光源(未示出)，在这种情况下光路包括传送光纤32并且激光头12还包括准直装置(collimation device) 34，该准直装置连接至传送光纤32的末端并且包括一个或多个准直透镜。同样在这种情况下，传感器装置(光电二极管20、反射器/偏转器装置22和光学过滤器装置24)可放置在聚焦装置14的上方或下方。在第一种情况下，传感器装置将被放置在聚焦装置14与准直装置34之间，如在图6中示出的。
[0079]根据图7的同样涉及其中激光切割系统使用固态类型激光源的情况的实施例，反射器/偏转器装置22由90度偏转器形成，其放置在准直装置34与聚焦装置14之间并且构造成反射激光辐射的至少99.9%以及相反传输预定波长带或多个预定波长带的辐射。在给出的实例中，传感器装置还包括聚焦透镜36，该聚焦透镜布置在偏转器22与光电二极管20之间以将检测到的信号聚焦到后者上。而且，在给出的实例中，光学过滤器装置24布置在在偏转器22与聚焦透镜36之间并且包括(按照从偏转器22到聚焦透镜36的顺序)布置成削减激光辐射的第一光学过滤器38和布置成选择预定波长带或多个预定波长带的第二光学过滤器40。可使用多个光电二极管、多个反射器/偏转器装置及多个光学过滤器装置来获得传感器装置的相同构造，在该情况下每个反射器/偏转器装置将包括各自的偏转器并且相应的聚焦透镜将布置在每个偏转器与相应的光电二极管之间。
[0080]根据图8至图11的同样涉及其中激光切割系统使用固态类型激光源的情况的实施例，设置了分支装置而不是90度偏转器，该分支装置沿着光路设置并且构造成允许由激光源产生的激光束通过传送光纤完全地传送至激光头以及允许由处理体积发射的并且通过传送光纤传送的辐射被引导到光电二极管上。
[0081]更具体地，根据图8的实施例，沿着光路设置有光耦合装置42，由激光源产生的激光通过该光耦合装置而投射(launch)在传送光纤32中，光耦合装置42包括准直透镜44和聚焦与投射透镜46。在这种情况下，分支装置一体形成在光耦合装置42中并且包括光束分离器48，该光束分离器布置在准直透镜44和聚焦与投射透镜46之间，以便允许由激光源产生的激光束完全地穿过聚焦与投射透镜46以及允许由处理体积发射并且通过传送光纤32传送的辐射被引导到光电二极管20上。如在图7的实施例中，传感器装置还包括聚焦透镜36，该聚焦透镜布置在光束分离器48与光电二极管20之间以将检测到的信号聚焦到后者上。此外，同样在这种情况下，光学过滤器装置24布置在光束分离器48与聚焦透镜36之间并且包括布置成削减激光辐射的第一光学过滤器38以及布置成选择预定波长带的第二光学过滤器40。
[0082]在图9至图11的实施例中，相反，分支装置包括焊接至传送光纤32的次级光纤50。
[0083]更具体地，根据图9其中光路包括光耦合装置(未示出)(由激光源产生的激光通过该光耦合装置而投射在传送光线中``)的实施例，次级光纤50在传送光纤的定位在光耦合装置下游的位置处焊接至传送光纤32。同样在这种情况下，传感器装置依序包括除了次级光纤50之外的准直透镜52、光学过滤器装置24、聚焦透镜36以及光电二极管20,光学过滤器装置24又包括布置成削减激光辐射的第一光学过滤器38以及布置成选择预定波长带的第二光学过滤器40。
[0084]根据图10的实施例，省去了沿着光路的光耦合装置并且次级光纤50在与传送光纤焊接至激光源的输出光纤54的位置相同的位置处焊接至传送光纤32。就传感器装置而言，上文中已参照图9所述的仍然适用。
[0085]最后，根据图11的实施例，激光源10包括能够彼此独立地发射激光束的多个激光模块10.1、10.2、……、10.N以及每一个均从相应的激光模块延伸的对应的多个输出光纤
54.1、54.2、......、54.N。输出光纤在输入侧上连接至光组合器56,传送光纤32在输出侧上
连接至该光组合器。在这种情况中，次级光纤50焊接至光组合器56。就传感器装置而言，已参照图9所述的仍然适用。
[0086]自然地，在本发明的原理保持不变的情况下，用于执行该控制方法的模式以及激光切割系统的实施例可由仅仅以非限制性实例的方式描述和示出的模式及实施例做出广泛的变化。
【权利要求】
1.用于激光切割工艺的控制方法，所述工艺通过由激光源(10)产生并且由激光头(12)聚焦的激光束来提供工件(P)的辐照，并且所述工艺通过所述激光头(12)的喷嘴(16)来提供辅助气体的流的供应， 所述控制方法包括以下步骤: a)检测由存在于被聚焦的激光束辐照的材料体积中的发射要素发射的辐射的波长信号，以及 b)基于检测到的信号来调节以下工艺控制参数中的至少一个:所述激光器的功率、激光脉冲的频率和占空比、所述辅助气体的压力、所述激光头(12)相对于所述工件(P)的相对速度、所述激光头(12)的所述喷嘴相距所述工件(P)的表面(S)的距离、以及所述激光束的焦点(F)相距所述工件(P)的所述表面(S)的距离。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过检测以至少一个预定波长带发射的辐射来执行步骤a)，所述至少一个预定波长带介于从ISOnm到200nm的范围内并且具有不宽于IOOnm的带宽。
3.根据权利要求1或者权利要求2所述的方法，其中，将所述辅助气体用作发射要素。
4.根据权利要求1或者权利要求2所述的方法，其中，将存在于被所述聚焦的激光束辐照的所述材料体积中的杂质气体用作发射要素。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将包含在所述工件(P)的材料中的金属要素或者在被所述聚焦的激光束辐照的所述材料体积中作为杂质而存在的金属要素用作发射要素。
6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述至少一个预定波长带包括777nm的波长。
7.根据权利要求2或者权利要求6所述的方法，其中，所述至少一个预定波长带包括介于从500nm到600nm范围内的波长带。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，为了在切割的准备中执行穿孔操作，所述步骤b)包括以下子步骤: bl)在第一预定时间间隔内打开所述激光源(10)，所述第一预定时间间隔在将氧气用作辅助气体的情况下介于从0.5毫秒到5毫秒的范围内，并且所述第一预定时间间隔在将除氧气之外的气体用作辅助气体的情况下介于从0.5毫秒到100毫秒的范围内； b2)在所述第一预定时间间隔终止时关闭所述激光源(10);以及 b3)等待直到检测到的波长信号已变成低于给定阈值，并且仅在这时重复子步骤bl)和b2)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述步骤b)以以下方式执行:如果在步骤a)中检测到的所述波长信号超过给定阈值，则这在使用惰性气体切割的情况下被解释为切口的局部闭合或者在使用反应性气体切割的情况下被解释为反应工艺的失去控制的开始，并且相应地改变至少一个前述的工艺控制参数；而如果在步骤a)中检测到的所述波长信号变得低于给定阈值，则这被解释为意味着所述工艺过慢，并且相应地改变至少一个前述的工艺控制参数。
10.激光切割设备，包括: -激光源(10)； -激光头(12)，包括用于将由所述激光源(10)产生的激光束聚焦到工件(P)上的聚焦装置(14)及用于供应辅助气体的喷嘴(16); -光路，用于将由所述激光源(10)产生的所述激光束传送至所述激光头(12)的所述聚焦装置(14)； -驱动装置，用于使所述激光头(12)和所述工件(P)以能调节的速度相对于彼此移动，并且用于控制所述辅助气体的压力、用于调节所述喷嘴(16)相距所述工件(P)的表面(S)的距离以及用于调节所述激光束的焦点(F)相对于所述工件(P)的所述表面(S)的位置；以及 -工艺控制装置，包括:传感器装置，用于检测由存在于被所述聚焦的激光束辐照的材料体积中的给定气体或给定材料发射的辐射的至少一个预定波长带；信号处理装置，用于处理由所述传感器装置检测到的信号；以及控制装置，用于基于由所述信号处理装置接收的所述信号来控制所述激光源(10)和/或所述驱动装置以调节以下工艺控制参数中的至少一个:所述激光器的功率、所述激光脉冲的频率和占空比、所述辅助气体的压力、所述激光头(12)相对于所述工件(P)的相对速度、所述激光头(12)的所述喷嘴相距所述工件(P)的所述表面(S)的距离、以及所述激光束的所述焦点(F)相距所述工件(P)的所述表面(S)的距离。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述传感器装置包括用于检测所述至少一个预定波长带的光电二极管(20)、布置成将由被所述聚焦的激光束辐照的所述材料体积发射的辐射引导到所述光电二极管(20)上的反射器/偏转器装置(22)、以及安置在所述光电二极管(20)与所述反射器/偏转器装置(22)之间以选择所述至少一个预定波长带的光学过滤器装置(24)。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述激光源(10)为固态激光源，其中所述光路包括传送光纤(32)，其中所述激光头(12)包括连接至所述传送光纤(32)的末端的准直装置(34)，并且其中所述反射器/偏转器装置(22)为90度偏转器，所述90度偏转器布置成反射激光辐射的至少99.9%并且布`置成传输以所述至少一个预定波长带发射的辐射。
13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述传感器装置还包括聚焦透镜(36)，所述聚焦透镜布置在所述反射器/偏转器装置(22)与所述光电二极管(20)之间以将以所述至少一个预定波长带发射的辐射聚焦到所述光电二极管上，并且其中所述光学过滤器装置(24)布置在所述反射器/偏转器装置(22 )与所述聚焦透镜(36 )之间，且所述光学过滤器装置包括布置成削减所述激光辐射的第一光学过滤器(38)以及布置成选择所述至少一个预定波长带的第二光学过滤器(40)。
14.根据权利要求10所述的设备，其中，所述激光源(10)为固态激光源，其中所述光路包括传送光纤(32)，并且其中所述传感器装置包括:光电二极管(20)，用于检测所述至少一个预定波长带；分支装置(48、45)，沿着所述光路(32)布置并且构造成允许由所述激光源(10)产生的激光束通过所述传送光纤(32)全部传送至所述激光头(12)并允许由所述激光切割工艺发射且通过所述传送光纤(32)传送的辐射被引导到所述光电二极管(20)上；以及光学过滤器装置(24 )，安置在所述光电二极管(20 )与所述分支装置(48、50 )之间以选择所述至少一个预定波长带。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述光路包括光耦合装置(42)，所述光耦合装置包括准直透镜(44)和聚焦与投射透镜(46)，并且其中所述分支装置(48、50)包括光束分离器(48)，所述光束分离器布置在所述准直透镜(44)与所述聚焦与投射透镜(46)之间以允许由所述激光源(10)产生的所述激光束全部穿过所述聚焦与投射透镜(46)并且允许由所述激光切割工艺发射且通过所述传送光纤(32)传送的辐射被引导到所述光电二极管(20)上。
16.根据权利要求14所述的设备，其中，所述光路包括光耦合装置，并且其中所述分支装置(48、50)包括次级光纤(50)，所述次级光纤在所述传送光纤的定位于所述光耦合装置下游的一位置处焊接至所述传送光纤(32)。
17.根据权利要求14所述的设备，其中，所述传送光纤(32)焊接至所述激光源(10)的输出光纤(54),并且其中所述分支装置(48、50)包括次级光纤(50),所述次级光纤在与其中所述传送光纤焊接至所述输出光纤(54)的位置相同的位置处焊接至所述传送光纤(32)。
18.根据权利要求14所述的设备，其中，所述激光源(10)包括能够彼此独立地发射激光束的多个激光模块(10.1、10.2、……、10.N)以及对应的多个输出光纤(54.1,54.2、……、54.N),每个所述输出光纤均与相应的激光模块(10.1、10.2、......、10.N)相关联,其中所述光路包括光组合器(56),所述输出光纤(54.1>54.2、......、54.N)在输入侧上连接至所述光组合器并且所述传送光纤(32)在输出侧上连接至所述光组合器，并且其中所述分支装置(48,50)包括焊接至所述光 组合器(56)的次级光纤(50)。
【文档编号】B23K26/03GK103501956SQ201280019578
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2012年4月20日 优先权日:2011年4月21日
【发明者】毛里齐奥·斯贝蒂, 斯特凡诺·贝托尔迪, 达尼埃莱·科隆博, 芭芭拉·普雷维塔利, 乔瓦尼·里瓦, 马特奥·达内西, 洛伦佐·莫利纳里·托萨蒂, 迭戈·帕拉佐利 申请人:艾迪奇股份公司