[发明专利]集成有用于聚焦位置监控的传感器装置的激光加工头

说明书

技术领域

本发明涉及一种例如由DE102004020704A1公开的激光加工头。

背景技术

在材料加工过程中，过程结果的质量决定性地取决于过程参数的 稳定性，因此在加工过程中可能不可控地改变的过程参数要受到监控 以及重新调节。

在激光材料加工中，已知要监控激光功率的波动，其中激光射线 束的固定部分被耦合输出并被引导至对射线敏感的传感器。然后接收 器信号可以被用于调节激光功率。

还已知通过检测来自激光射线束和工件之间的相互作用区域的 射线来监控激光加工过程。为此，在用于将激光射线束聚焦到工件上 的激光加工头中例如插入二向色镜，该二向色镜可以无阻碍地让激光 射线束通过，而将来自相互作用区域的射线反射到传感器上。

由传感器检测到的射线的特征可能在强度、强度分布以及波长方 面依据相互作用区域中的状态而不同。由于多个过程参数的波动而导 致射线特征变化并且由此导致所获得的接收器信号变化。这种波动可 能尤其是激光功率、进给量、聚焦位置、工件的局部不同发热、棱边 偏移、保护气体填充以及在激光焊接过程中的缝隙宽度方面的波动。

也就是说，接收器信号不表示各个过程参数-如聚焦位置-的 波动，而是只能推导出整个过程结果的质量，例如焊缝、断面或钻孔 的质量。

因此，这种过程监控主要用于监控过程的成功。

DE102004020704A1公开了一种集成有用于这种过程监控的传 感器装置的激光加工头，尤其是在激光束焊接中的过程监控。

在此为了处理信号，例如可以导出显示焊接成功的状态信号。也 可以根据接收器装置(传感器)的各个接收器的信号显示温度曲线， 该温度曲线将会与额定温度曲线相比较。最后应该可能例如为了焊缝 追踪、缝隙宽度测量和／或焊缝体积计算而将该信号用于焊接位置的几 何评价。

信号采集应该或者只用于记录所述质量特征，或者用于调节加工 过程。

由传感器检测到的射线是在激光射线和工件之间的相互作用区 域中引起的射线，因此所检测的射线的如上所述的特征将受到过程参 数和工件参数的总波动的影响。

根据DE102004020704A1的激光加工头包括具有射线入射开口 和射线出射开口的外壳，还包括聚焦透镜，该聚焦透镜将平行入射的 激光射线束聚焦到外壳之外的焦点(工作焦点)。

在向着射线入射开口的方向上，在聚焦透镜前方设置分束器。该 分束器可以让激光射线束通过并且反射来自激光射线束与工件的相 互作用区域的射线。

工件在射线方向上向着激光头地定位在或相对引导至与射线出 射开口相距一预定距离处，并且因此，相互作用区域在射线方向上向 着激光头地定位在或相对引导至与射线出射开口相距一预定距离处， 使得工作焦点位于工件上。

分束器例如可以是进行聚焦的环形镜，具有足够大的开口用于射 入穿透的激光射线束，该环形镜将入射的射线反射到传感器上，并且 因此对相互作用区域的一部分成像(abbilden)。

可以使用一个或多个具有相同或不同谱灵敏度的光电二极管、照 相机或者一维或二维CCD图像传感器作为传感器。此外，也可以使 用对位置敏感的检测器或基于CMOS技术的光电灵敏的接收器作为 传感器。

传感器将输出信号提供到分析单元，在分析单元处处理该输出信 号以便形成合适的状态信号用于质量保证，并且为了控制或调节激光 加工过程将该状态信号提供到控制调节装置。

总之，根据DE102004020704A1的激光加工头的集成传感器装置 通过总归会在激光加工头中存在的、用于聚焦激光射线束的聚焦透 镜、进行聚焦的分束器、传感器以及分析单元和可能存在的控制和调 节单元构成。

过程参数的波动及其对过程结果质量的影响主要取决于激光的 参数。尤其是在使用高功率和射线质量的固体激光器的情况下，如几 千瓦的纤维激光器(Multi-Kilowatt-Faserlasern)的情况下，激光加 工头的光学部件的热负荷以目前还不知道的方式增大。虽然所采用的 光学透射或反射元件就加工激光射线的波长来说通常具有超过99％ 的透射度或反射度，但是剩余的、被吸收的强度也足以加热这些元件。 这可能会改变这些元件的表面形状，而这种改变又会影响这些元件的 焦距。