射束整形器及其用途、用于工件的激光束处理的装置及其用途、用于工件的激光束处理的方法制造方法及图纸

提供了一种用于对激光束进行整形的射束整形器(1)，该射束整形器包括设计成用于对激光束的中央部分进行整形的第一射束整形部段(2)和设计成用于对激光束的外围部分进行整形的第二射束整形部段(3)。此外，还提供了一种用于对工件进行激光束处理的装置和一种用于对工件进行激光束处理的方法。

Beam shaper and its application, laser beam processing device for workpiece and its application, laser beam processing method for workpiece

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】射束整形器及其用途、用于工件的激光束处理的装置及其用途、用于工件的激光束处理的方法
本专利技术涉及一种射束整形器及其用途，一种用于工件的激光束处理的装置及其用途以及一种用于工件的激光束处理的方法。
技术介绍
对使用激光辐射对金属板进行诸如切割之类的处理的主要需求是提高所处理的工件的质量。对于激光束切割，通常使用辅助气体，该辅助气体可以是活性的或惰性的。当例如用作为活性气体的氧气进行切割时，金属在被激光束加热到点火温度之后燃烧和汽化。氧气与金属之间的反应实际上产生了呈热的形式的额外的能量，该能量支持了切割过程。具有极低粘度的熔融液态金属通过氧气射流的剪切力被从切口中去除。当用诸如氮气之类的惰性气体切割时，材料仅通过激光功率熔化，并通过气体射流的动能被从切缝中被吹出。通常，特别是在激光切割相对较厚的工件的情况下，所处理的工件的质量取决于系统参数。有几个因素可能会对所处理的工件的质量产生负面影响，例如：初始工件表面的质量低；在点火区域周围的工件表面发生不希望的强烈加热，这可能会引起热点；向熔融物中输入大量热量，这可能会导致热点；熔融材料流内的湍流；以及反应前沿和熔融前沿的不受控制的增长。这些因素中的每一个因素都可能导致已处理或已切割表面的不希望有的明显表面波纹。在对厚工件进行激光切割时，这些因素中的每一个因素都可能导致甚至在切割表面的更深层次处形成热点。热点的形成是不希望的，因为热点会促进熔融材料内的湍流，从而增大表面波纹的幅度。对于激光切割例如软钢之类的板材，已经建立了使用氧气的切割工艺。但是，即使在通过气体切割进行了激光处理的情况下，厚度为15mm以上的软钢工件的切割表面也会显示出波纹。另外，随着工件厚度的增大，切割质量越来越取决于处理参数。根据DE4215561中示出的使用激光束的气体切割方法，在预热工件之后进行受控燃烧。需要对具有例如大于15mm的高厚度的金属板进行激光束处理，由此可以减小切割表面的波纹幅度。通常，会出现两种不同类型的切割表面波纹。如图1所示的在切割表面的顶部区域(图示的软钢的切割表面的右上区域)中的波纹是由于通过激光辐射和气体射流使金属周期性熔化而产生的。关于图1和图2必须注意的是，在切割处理期间，激光束已经从图示的切割表面的顶角指向左角，并且激光束已经从图的右下角移到了左上角。当被激光束照射时，工件表面的一部分被加热直到达到点火温度并且金属和氧气的反应开始。反应前沿径向变宽并且工件材料熔化，直到温度降至点火温度以下，因温度降至点火温度以下而使反应停止。由于激光束的运动，激光束跟随反应前沿并且工件的固体表面被再次加热直到达到点火温度，然后重复该过程。因该循环过程，导致切割表面的波纹的周期性，这代表了切割表面的第一类型的波纹。从切割表面的几毫米的切割深度开始，通常产生覆盖周期性波纹的熔融膜。固化后，熔融膜可能会留下具有宽的波纹(通常厚度大于0.5mm)和小的波幅的光滑的氧气层。使用次临界气流的激光切割允许熔融材料的层流。由此，入射在熔融表面上的激光束可以仅加热熔融材料，使得一方面，反应前沿位于熔融材料内，并且与移动的激光束一样快地前进，而另一方面，熔融材料维持足以保持流动性的热度直到离开加工区。由此，形成了切割表面的第二类型的波纹。此外，为了实现不同的处理程序，期望尽可能快且灵活地调节激光束。这通常是通过改变射束质量或通过射束整形来实现的。US8781269B2公开了一种用于产生具有不同射束轮廓特征的激光束的方法。激光束耦合到多包层光纤的一个光纤末端。为了产生输出激光束的不同射束轮廓特性，将输入激光束可选地耦合到多包层光纤的内部光纤纤芯或一个外圈纤芯中。US9250390B2涉及一种材料激光束处理系统。通过改变发射到波导中的激光束的输入会聚角度和/或发射角度，可以连续改变输出光斑尺寸。US9346126B2图示了使用凹透镜的射束整形。根据EP2730363A1，在激光处理设备中，光学系统设置有准直透镜、轴锥透镜和聚焦透镜，从而在聚焦区域产生环形强度分布。EP2762263A1公开了一种利用环形射束的激光切割，该环形射束具有在通过聚光透镜的聚焦位置后趋于扩大的内径和外径。根据DE2821883B1，激光束被引导到轴锥体，该轴锥体将激光束的高斯能量分布转换成环形能量分布。DE102015116033A1描述了使用相对于射束方向位于聚焦透镜前方的轴锥体进行的射束整形。EP2778746B1描述了一种用于射束形成的光学装置，其具有厚度分布彼此相反的两个板状光学元件。DE102015101263A1图示了具有包括交替的倾斜小面的圆形表面形式的两个板状光学元件。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种射束整形器，以及一种用于对工件进行激光束处理，特别是进行激光束切割的装置和方法，由此可以实现高质量的被处理工件。该目的通过根据权利要求1的射束整形器、根据权利要求14的用于对工件进行激光束处理的装置、根据权利要求19的用途、根据权利要求20的用途以及根据权利要求21的用于对工件进行激光束处理的方法来实现。在第一实施方式中，提供了一种用于对激光束进行整形的射束整形器，该激光束用于激光束处理的装置、特别是激光束切割的装置，该射束整形器包括一射束整形部段和第二射束整形部段，第一射束整形部段设计成用于对激光束的中央部分进行整形，使得激光束包括至少部分地为球面形的第一波前，第二射束整形部段设计成用于对激光束的外围部分进行整形，使得激光束包括至少部分地平行并且至少部分地非相干地叠加于第一波前的第二波前。由于第一波前和第二波前的至少部分地非相干的叠加，通过射束整形器可以提供激光束的垂直于其射束方向的大致均匀的分布的强度分布。进一步地，在利用具有射束整形器的激光切割装置进行金属切割的应用中，有利地使切割过程稳定。根据实施方式，第一射束整形部段可以形成射束整形器的中央部分，并且第二射束整形部段可以形成射束整形器的外围部分。这允许射束整形器的简单设计。此外，射束整形器的实施方式可以包括至少一个光学元件。根据另外的实施方式，第一射束整形部段和第二射束整形部段中的至少一者可以包括聚焦光学部分或者可以是聚焦光学部分。附加地或替代性地，第一射束整形部段和第二射束整形部段中的至少一者可以包括像差光学部分或者可以是像差光学部分。由此，例如根据特定激光处理的需要，可以有利地整形、调整和改变将产生的激光束。在一些实施方式中，第一射束整形部段和第二射束整形部段中的至少一者被设计成使得经整形的激光束的相应部分具有5°或更小、优选地3°或更小、更优选地1°或更小的发散度变化。这允许有利的射束整形促进激光束的垂直于其射束方向的大致均匀分布的强度分布。根据另外的实施方式中，第一射束整形部段可以包括至少一个大致球面或大致非球面形表面，并且/或第二射束整形部段可以包括至少一个大致轴锥形表面。由此，可以通过简单的光学元件或结构来实现第一射束整形部段和第二射束整形部段。根据其它实施方式，至少一个大致球面形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于对激光束进行整形的射束整形器，所述激光束用于激光束处理，特别是激光束切割的装置，所述射束整形器包括：/n第一射束整形部段(2)，所述第一射束整形部段(2)设计成用于对所述激光束的中央部分进行整形，使得所述激光束包括至少部分地为球面形的第一波前，以及/n第二射束整形部段(3)，所述第二射束整形部段(3)设计成用于对所述激光束的外围部分进行整形，使得所述激光束包括至少部分地平行的并且至少部分地非相干地叠加于所述第一波前的第二波前。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170609 EP 17175354.41.一种用于对激光束进行整形的射束整形器，所述激光束用于激光束处理，特别是激光束切割的装置，所述射束整形器包括：
第一射束整形部段(2)，所述第一射束整形部段(2)设计成用于对所述激光束的中央部分进行整形，使得所述激光束包括至少部分地为球面形的第一波前，以及
第二射束整形部段(3)，所述第二射束整形部段(3)设计成用于对所述激光束的外围部分进行整形，使得所述激光束包括至少部分地平行的并且至少部分地非相干地叠加于所述第一波前的第二波前。


2.根据权利要求1所述的射束整形器，
其中，所述第一射束整形部段(2)形成所述射束整形器的中央部分，并且所述第二射束整形部段(3)形成所述射束整形器的外围部分。


3.根据权利要求1或2所述的射束整形器，
其中，所述射束整形器(1；10；20；30；40；50；60；70)包括至少一个光学元件(4、5)。


4.根据前述权利要求中的任一项所述的射束整形器，其中，所述第一射束整形部段(2)和所述第二射束整形部段(3)中的至少一者包括聚焦光学部分或者是聚焦光学部分。


5.根据前述权利要求中的任一项所述的射束整形器，其中，所述第一射束整形部段(2)和所述第二射束整形部段(3)中的至少一者包括像差光学部分或者是像差光学部分。


6.根据前述权利要求中的任一项所述的射束整形器，其中，所述第一射束整形部段(2)和所述第二射束整形部段(3)中的至少一者被设计成使得经整形的所述激光束的相应部分具有5°或更小、优选地3°或更小、更优选地1°或更小的发散度变化。


7.根据前述权利要求中的任一项所述的射束整形器，其中，所述第一射束整形部段(2)包括至少一个球面形或非球面形表面(12；42)；
并且/或者
其中，所述第二射束整形部段(3)包括至少一个轴向锥形表面(13)。


8.根据权利要求7所述的射束整形器，其中，所述球面形或非球面形表面(12；42)是凹形的或凸形的。


9.根据权利要求7或8所述的射束整形器，
其中，所述第一射束整形部段(2)包括至少一个球面形或非球面形表面(12；42)，并且所述第二射束整形部段(3)包括至少一个轴向锥形表面(13)，所述球面形或非球面形表面与所述轴向锥形表面相邻，其中，从所述轴向锥形表面到所述球面形或非球面形表面的过渡是连续的。


10.根据前述权利要求中的任一项所述的射束整形器，
其中，所述射束整形器至少部分地由轴锥体形成或至少部分地包括轴锥体，所述轴锥体具有至少部分地为球面形或至少部分地为非球面形的梢端、所述轴锥体特别地是扁圆形梢端的轴锥体。


11.根据前述权利要求中的任一项所述的射束整形器，
其中，选自所述第一射束整形部段(2)、所述第二射束整形部段(3)和所述射束整形器中的至少一个元件是旋转对称的。


12.根据前述权利要求中的任一项所述的射束整形器，
其中，所述射束整形器被设计为使得所述第一射束整形部段的自由数值孔径(14a)为所述射束整形器的自由数值孔径(14b)的50％或更小。

【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯·劳陶伊，斯特凡·维特韦尔，西蒙·沙伊迪格，
申请(专利权)人：百超激光有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH