[发明专利]激光切割头以及用于借助于激光切割头切割工件的方法

说明书

本发明涉及一种用于借助于工作激光束切割工件的装置或激光切割头，本发明还涉及一种用于借助于激光切割头切割工件的方法。

近些年，激光束切割已经发展成制造工业中的一种标准方法。在激光束切割加工中，在聚焦的激光束击中工件的位置处，工件的材料（一般来说是金属）被剧烈加热使得材料熔化或汽化（schmilzt oderverdampft）。在激光束完全穿透工件后，切割加工就可开始。激光束沿着部件轮廓移动，并持续熔化材料。大部分熔化物被气流从切口向下吹。结果是在次格和剩余格（Teil-und Restgitter）之间形成窄的切割缝。该切割缝几乎不会比聚焦的激光束本身更宽。在激光升华切割的情形中，输入的激光功率大到材料完全汽化，因此不再需要将材料从切割缝处吹走。

两种标准的激光束切割方法——气割（Brennschneiden）和熔化切割——之间形成区别。气割主要用于切割结构钢，氧气在这里被用作切割气体。氧气与加热的金属反应，于是加热的金属经历燃烧和氧化。在这种情况下，化学反应释放的能量是激光能量的五倍，并支持激光束。因此，该方法可被用于切割厚度达到30mm以上的结构钢。然而，由于燃烧过程会产生切割边缘，所述切割边缘一方面会被氧化，另一方面可能具有粗糙表面。

通过对比，在第二标准方法——熔化切割——中，氮气或氩气被用作切割气体。在该方法中，切割气体以通常2到20巴（bar）的压强被驱动穿过切口。氩气是惰性气体。也就是说，氩气不会与切割缝中熔化的金属反应，而是仅被向下吹走。同时，氩气保护切割边缘免受空气影响。对于几乎所有金属，氮气也可被用作切割气体。唯一的例外是钛，钛与氧气和氮气都剧烈反应，因此使用氩气切割钛。熔化切割具有的显著优势在于边缘保持不被氧化，且不再需要被重新加工。然而，仅激光束的能量用于切割，因此仅在切割薄的板时熔化切割的切割速度与气割的切割速度一样高。

在激光束切割过程中通常使用的是CO₂激光器、二极管激光器、Nd:YAG激光器、固态激光器或纤维激光器。纤维激光器是一种特殊形式的固态激光器，玻璃纤维的掺杂芯构成活性介质（aktive Medium）。纤维激光器在其端面上具有镜，该镜构成一个谐振器并因此能够控制激光器运行。这些镜表面包括借助UV光刻在玻璃纤维中的折射率变化，所谓的纤维布拉格光栅（Faser-Bragg-Gittern）。后果是在这些光栅处不产生额外的耦合损耗，且这些光栅选择性地仅反射预期波长。对于激光活性纤维芯，铒是最常用的掺杂元素，接下来是镱和钕。激光的波长彼此几乎没有差别，在1.06μm（钕）处和1.03μm（镱）处。这些纤维激光器的一个显著优势在于发出的光波长仅非常少地被玻璃吸收，因此发出的激光可以借助于玻璃纤维从激光装置中引导至连接的激光切割头。

在已知的激光束切割加工中，当工作激光束击中工件时产生的材料蒸气或等离子体的光学发射被检测，以监控切割过程的质量。因此，例如，发射谱的变化或者等离子体照射的强度是好的或差的激光切割过程的指示。此外，在切割加工期间产生的、待被切割的工件的材料等离子体也可电容性地通过通常与切割喷嘴集成的距离传感器被获取和评估。光电二极管被用在激光切割过程的光学评估中，所述光电二极管在没有空间分辨率的情况下捕获加工照射（Prozessleuchten）并评估该加工照射。

DE 19852302A1描述了一种用于使用高能量辐射来加工工件的方法和装置。在该情形中，工件中形成的焊缝是采用投射在工件上的光线监控的，不同的焊缝的几何形状——例如凹口、焊缝斜坡、焊缝凸出或焊缝孔——形成不同的光外形在这种情况下，该光切割装置将形状为侧向圆锥曲面的光芒投射在工件上，圆形光线被布置为围绕加工束。传输速率从内向外上升的专用滤波器可被用于测量光线。因此，仅少量的光在半径的中点附近穿透，也就是说，来自加工区域的明亮的光辐射被屏蔽，而在大的半径时，存在较高的传输速率，使得相对暗的测量光也可被检测到。此外，可使用滤色器，根据半径，对于不同的光波长，该滤色器的传输速率的大小不同。

DE 102004041935A1描述了一种用于观察激光加工工艺的装置，以及用于调节该激光加工工艺的装置。在激光加工期间，借助于一个交互区中的聚焦镜，工作激光束聚焦在工件上。为了使得工件的表面在交互区的区域中以同轴方式穿过光束路径以好的质量成像，所述装置包括一个辐射灵敏接收器装备和一个观察镜，该观察镜将来自交互区的区域、与工作光束路径退耦的辐射引导至该接收器装备上，所述观察镜基本具有与聚焦镜相同的成像属性。