TWI714794B - 對金屬材料作雷射加工之方法以及用於實施該方法之電腦程式及機器 - Google Patents

對金屬材料作雷射加工之方法以及用於實施該方法之電腦程式及機器 Download PDF

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Abstract

說明一種藉由一聚焦雷射光束來雷射加工一金屬材料之方法，該聚焦雷射光束具有在該材料至少一工作平面上之一既定橫向功率分布，包括下列步驟：提供一雷射光束發射源；將該雷射光束沿一光束傳輸光徑前導至配置於該材料附近之一工作頭；沿入射於該材料上之一光傳播軸來準直雷射光束；聚焦該準直雷射光束於該材料之一工作平面的一區域中；及沿包括一連串工作區域之該金屬材料上一工作路徑引導該聚焦雷射光束，其中該雷射光束整形之達成係藉由：以一可變形受控表面反射元件來反射該準直光束，該反射元件具有複數個各自獨立可運動反射區域，及控制該等反射區域之配置，以在該金屬材料至少一工作平面上建立，以目前工作平面之區域及/或該金屬材料上工作路徑之目前方向為函數的一既定光束橫向功率分布。

Description

對金屬材料作雷射加工之方法以及用於實施該方法之電腦程 式及機器
本發明關於一種金屬材料之雷射加工，更明確地關於一種如申請專利範圍獨立項第1項前言所指定之切割、鑽穿或熔接該材料的雷射加工方法。
依據其他構想，本發明關於一種配置成實施雷射加工方法之金屬材料雷射加工機，及一種包括一個或更多碼模組以當程式藉由電子處理構件執行時實施該方法的電腦程式。
在以下說明及申請專利範圍中，術語「金屬材料」係用於界定任何金屬工件，譬如一薄板、或具有一般性封閉剖面-如中空圓形、矩形、或正方形型式-或開放剖面-例如平坦截面、或呈L、C、U等型式之截面-的細長形輪廓。
在工業金屬加工方法、特別地金屬薄板及型材者中，雷射係用作為一熱工具，根據雷射光束與待加工材料之交互作用參數、明確地根據材料上之每雷射光束入射體積的能量密度、及根據交互作用時距而有多樣化之應用。
例如，藉導引一低能量密度(每平方公釐表面數十瓦特之等級)持續一長時間(秒級)，將達成一硬化程序，而導引一高能量密度(每平方公釐表面數十個百萬瓦特之等級)持續一毫微微秒或微微秒等級之時間，將達成一光剝離程序。在增加能量密度且減少工作時間之中間範圍中，控制此等參數以進行熔接、切割、鑽穿、雕刻、及標記程序。
在包含鑽穿及切割程序之眾多程序中，必須將一輔助氣流提供至雷射光束與材料之間產生交互作用的工作區帶，該輔助氣流具有推進熔化材料之機械功能、及輔助燃燒之化學功能、或甚至保護工作區帶阻隔周圍環境之技術功能。
在金屬材料雷射加工之領域中，雷射切割、鑽穿、及熔接係可藉相同機器進行之加工作業，該機器被調整成適應於產生一高功率聚焦雷射光束且掌控沿材料之入射光束方向及位置，該雷射光束具有在金屬材料至少一工作平面上之一既定橫向功率分布、典型地為功率密度範圍從1到10000千瓦特/平方公釐之雷射光束。可對一材料上實行之不同典型加工之間的差異，大致可歸因於所使用之雷射光束功率、及雷射光束與接受加工之材料之間交互作用的時間。
依據先前技藝之雷射加工機顯示於第1圖及第2圖中。
第1圖概略顯示一工業二氧化碳雷射加工機，其具有一空氣中雷射光束光徑，該雷射加工機包括一發射源10、以及複數個反射鏡12a、12b及12c。該發射源係譬如二氧化碳 雷射產生器裝置，其能夠發射單模或多模雷射光束B。該等反射鏡被調整成適應於，將從該發射源發射之雷射光束沿一光束傳輸光徑導向至，以14集合地指示之一工作頭，該工作頭被配置於一材料WP附近。工作頭14包括一雷射光束之光學聚焦系統16，大體上由一聚焦透鏡組成，被調整成適應於將雷射光束沿一光傳播軸聚焦，入射於金屬材料上。一噴嘴18配置於該聚焦透鏡下游，且與被導向一材料工作平面之一區域的雷射光束相交。該噴嘴調整成適應於，將藉未顯示出之一對應系統所噴射的一輔助氣體導向該材料上之工作區域。該輔助氣體係用於控制一工作程序進行，以及可獲致之加工品質。例如，該輔助氣體可包括氧氣或一惰性氣體。氧氣有助於與金屬之放熱反應而容許切割速度增加。該惰性氣體譬如為氮氣，其不促成材料之熔合，但保護材料免於工作型材邊緣處有害的氧化作用、包括該工作頭免於熔化材料之任何飛濺、且可用於冷卻在材料上產生之溝槽的側邊而局限熱變化區域之擴張。
第2圖概略顯示，雷射光束傳遞通過光纖之一工業加工機。該加工機包括一發射源10及一光纖電纜12d。該發射源譬如為一雷射產生裝置或一直接二極體雷射。該雷射產生裝置能夠將一雷射光束饋入一傳輸光纖、譬如一鐿摻雜雷射光纖中。該直接二極體雷射被調整成適應於發射一單模或多模雷射光束。該光纖電纜被調整成適應於，將從該發射源發射之雷射光束導至，配置於材料M附近之工作頭14。在該工作頭處，以受控之散度發出光纖之雷射光束係藉一準直折光系統20而準直，且在透過大體上由一聚焦透鏡組成之一光學聚焦系統16 聚焦前，藉一反射系統22反射，而沿一光傳播軸通過發射噴嘴18入射於WP材料上。
第3圖係圖示依據先前技藝之一示範工作頭14。在30處表示一管形通道，其具有圓柱形或圓錐形截面，雷射光束係在其內傳送，以B指示。藉發射源10產生、且藉由在空氣中具多重反射或在光纖中之一光徑傳輸至該工作頭的雷射光束B，將在一反射性偏轉器元件32上準直，該反射性偏轉器元件將光傳播軸偏向一入射於待加工材料上之方向。光學聚焦系統16係中介於反射性偏轉器元件32、與配置於下游而調整成適應於保護該聚焦系統阻隔任何熔化金屬飛濺之一保護滑件34之間，及包括一透鏡座架單元36。複數機械調整機構38係連結至該透鏡座架單元，以校準該透鏡橫交於光束傳播方向(X-Y軸)及沿光束傳播方向(Z軸)之定位。
雷射光束在該工作頭中所接受之光學處理係圖解於第4圖及第5圖中。
源自一發射源S之雷射光束B經由自由空間或光纖中之一光學傳輸路徑，而以一既定散度到達該工作頭。在第4圖中藉透鏡C顯示之一光學準直系統，用於準直雷射光束B、將該雷射光束導至一光學聚焦系統，該光學聚焦系統配置於下游、藉透鏡F表現、能夠產生一聚焦雷射光束。在第一逼近處，一光學聚焦系統下游之一理想雷射光束、即理想地準直成平行射線之一雷射光束，依據幾何光學定律而聚集於一焦點上。然而，物理繞射定律指出，即使在最佳準直與聚焦架構下之雷射光束，仍在該光學聚焦系統下游具有在其腰部處之一有限焦 點。這在第4圖中藉指示為W之區帶表現，其與光束B之焦點區域對應。通常，在工業加工使用中，一材料之工作平面與光束腰部處之橫向平面重合。
第5圖顯示正常下準直雷射光束之功率密度分布，其典型地呈高斯型且在一單模光束情況下具有旋轉對稱、即功率環繞光束之縱軸(Z軸)聚集且沿一周邊裙部逐漸減小，或其可被描述為高斯斷面之包線且在一多模光束情況下具有旋轉對稱。
使用可在第一逼近中被描述為高斯型之一單模或多模雷射輻射光束，將滿足高功率雷射應用領域中之技術控制需求。確實，一高斯光束係藉幾個參數輕易地描述，藉此且因其具有本身傳播之特徵不致修改功率分布，而可輕易地控制其沿一光學傳輸路徑從一發射源傳播至一加工機頭，其可經由遠場傳播狀況(在此情況下可使用一幾何光學近似)下之一半徑值及一散度值描述。在沿一工作路徑之近場中聚焦光束傳播條件下，此時幾何光學近似不再成立，光束在任何情況下皆可在其每一剖面中保持高斯功率分布型態。
包括較高階橫向模態之一雷射光束相反地具有一非高斯功率分布。典型地，藉使用折光度系統(透射式光學系統，即透鏡)來獲致此等狀況。該折光度系統係修改起自一高斯分布之光束外型。用於此目的之光學系統的一典型特點係其關於機器光學架構之「靜態本質」或「剛性」。事實上，一特定光學系統係設計成，產生一、且僅一功率分布幾何，譬如一較高斯分布寬以在厚材料上進行切割作業之功率分布(此處之 「厚」意欲指，針對具有一近紅外線波長之一雷射，一大約4公釐到大約20公釐之厚度)、或一相較於高斯分布窄以在薄材料上進行快速切割作業之功率分布(此處之「薄」意欲指一等於或小於4公釐之厚度)，且該特定系統係預先裝設於該機器之工作頭中，因此不更換光學頭系統將無法修改功率分布之幾何。
技藝中已知其他解決方案，其中譬如藉控制從光束源經由傳輸光纖芯或經由一中間包層而至工作頭之光束傳輸以修改進入該工作頭光學準直系統中之光束有效直徑，或藉控制波束參數積(BPP)、即饋入光纖前之光束焦點半徑與半發散角或光束源處散度的乘積以在聚焦下游產生出具有不同直徑及散度之對應光束，而獲致可在二既定狀態之間選擇雷射光束功率分布的外型。在二情況下，可能因該等裝置本身之機構而打破旋轉對稱。
不同於上述解決方案，在距今不遠的過去時間中，Fleming Ove Olsen教授提出一敘述式新月型切割程序，打破旋轉對稱將依此而對該程序帶來優點：在一具有高斯形狀之主要峰值功率分布後方生成一新月型次要功率分布(沿程序之行進方向)，可能照耀切割之行進前端(藉該主要功率分布)、及藉該主要功率分布生成之熔化材料部份二者，該熔化材料部份傾向沿如此產生之切割溝槽邊緣下落且其迅速地冷卻(透過該次要功率分布)。此一模態可依據先前技藝透過一複雜且龐大之設備實現，該設備係藉組合複數個組成雷射光束重組出一具有功率分布之全面雷射光束，其中每一組成雷射光束各與其他 雷射光束獨立地生成及控制。國際專利申請案第WO 2008/052547號係關於此一解決方案。亦在此情況下，推定之解決方案無需對光學組件之結構實施重大變更，而不容許在一工作程序期間輕易地且快速地重新配置一機器。
儘管可能控制一雷射光束之雷射源或光學傳輸系統，以生成較基本模態TEM00(與高斯光束對應)高階之橫向電磁模態，然此等模態具有無法在傳播同時保持相同的缺點，因此儘管大體上可能獲取與高斯外型不同的雷射光束橫向功率分布外型且可能具有與旋轉對稱不同之對稱，然這僅可在光束之一良好定義之傳播位置(焦平面)中獲致。
為此，在雷射加工之領域中，一直有控制雷射光束以使其具有一高斯(或近似高斯)剖面功率分布、及永久建立雷射光束光傳播軸與輔助氣流質心軸之間相對相互位置的需求。
在一純粹單模光束情況下，分別藉雷射光束功率高斯分布、與藉輔助氣流外流噴嘴口圓形截面來支配光束與輔助氣流旋轉對稱的此設計選擇，將確保每一工作程序(切割、熔接等)關於加工可遵循方向之行為等向性。
當一雷射工作程序係藉電子處理構件，依據電腦輔助設計及製造系統中既定之任何路徑與幾何而控制時，關於材料上工作路徑之程序等向性一直被視為有利者。
咸信一物理「不平衡」系統、或雷射光束及輔助空氣在材料上之入射點處無旋轉對稱，將導致控制工作路徑複數且困難，或加工成果之較差品質。
本發明之目的係提供一種雷射加工方法，其具有在程序操作速度、成果品質、及成本效益方面的改良性能。
本發明之另一目的係提供一種雷射加工方法，其可即時控制以在所有操作狀況下皆獲致精密加工成果，且無需增加現有機器之尺寸即可達成。
依據本發明，此等目的係透過一種具有申請專利範圍第1項所提及特點之金屬材料雷射加工方法達成。
特定具體實施例係申請專利範圍附屬項之目的，其內容應被理解為構成本說明整體所必需之部分。
本發明之又一目的係一種如欲申請專利之雷射加工金屬材料的機器及電腦程式。
綜上所述，本發明獲得靈感啟發之來源係考慮到，控制雷射光束之功率分布、及可能地打破光束旋轉對稱，可因容許功率分布在相對於工作路徑所需求處局部化或擴展、及利用一部份之可用雷射功率進行附屬於主要加工之作業、譬如用於在一切割或鑽穿作業中加熱/保持熔化材料，而有助於藉由輔助氣流從待加工材料移除該熔化材料、及容許達到較以相同性能水準下之高斯形狀功率分布為基礎之程序所獲致者高的一純淨斷面及切割表面，而可容許在工作程序之速度、品質及成本效益方面的較優性能。
依據本發明，藉由控制雷射光束之即時整形來實施一有效率的加工雷射光束橫向功率分布控制，可達成將前述考慮應用至先前技藝之系統。可方便控制雷射光束之外型，以 在工作平面上獲致一橫向功率分布，其譬如來自一既定直徑之高斯型分布、一環形(環形管)分布、一既定直徑之平坦斷面分布(平坦頂部或頂部盒)、一高斯分布與一該高斯分布外同心環形分布作同心重疊而獲致之一複雜圓形對稱分布、包括文獻(F.O.Olsen,K.S.Hansen及J.S.Nielsen,Multibeam fiber lase cutting”,J.Laser Appl.,Vol.21,p.133,2009)中所描述之一高斯型主要峰值功率分布及一在該主要功率分布後方之新月型次要功率分布的一複雜非對稱分布、一具有橢圓形截面之散光分布、及其各式組合。
亦可方便控制雷射光束之外型，以在工作平面中決定一與複數個(譬如，一對)空間關聯高斯光束對應之橫向功率分布-該等光束譬如依據一既定時間開展關係而耦合且在一輔助氣流輸送區內鄰接，其在該氣流輸送區域內之相互位置及/或相對於前述分布質心之位置可在一段時間同步或非同步地控制。
本發明所根據之原理係使用本身在科學應用中已知用於處理光學信號(因此處理低功率光輻射)之一具有受控變形的光學系統，在工業應用中整形一高功率雷射光束。
將一受控變形光學系統應用於一雷射光束光學傳輸系統中，容許擴展可依一迅速修改方式獲致之雷射光束外型範圍，且因此改善切削程序中之性能或實現創新之切削程序。
較優地，本發明之方法容許藉環繞原始光軸來整形雷射光束之功率分布，而即時控制一雷射工作程序，如此將無需根據期望之應用而針對各別功率分布幾何採用特定之光 學系統、或在遠離工作頭之光束生成或傳輸階段中控制某些特定光學參數，其中該控制僅可在為一既定程序設定機器時透過操作者介入而達成。
更有利者，本發明之方法容許依據複數個既定形狀，以一快速安定時間來控制雷射光束之橫向功率分布，使得不僅以基於一工作循環之一「預備整備」實施此類控制，且可在一工作程序期間即時實現，以沿材料上之工作路徑控制雷射光束之橫向功率分布。
換言之，本發明之方法容許譬如藉在一材料相對於其自由表面之一既定工作表面處、及在一既定位置處且依據一相對於工作路徑目前方向(程序之行進方向)之某一特定方位，瞬時地控制雷射光束之橫向功率分布，以在一工作程序期間自動地設定、及發展一既定之雷射光束橫向功率分布對策。
本發明之方法亦容許譬如根據材料上沿一既定工作路徑、或此類路徑瞬時方向之加工區域空間位置，而在一工作程序期間自動地安排一雷射光束橫向功率分布之可變修改對策，其皆為譬如待加工材料之厚度的一函數。針對譬如等於或大於4公釐之大厚度，加工之技術需求係建立一寬溝槽以容許輕易移除熔化材料，且使熔化材料本身保持高黏度以確保少量或無任何熔化材料黏附於該溝槽本身之壁上，最終提供一無毛邊切割且具有較可藉高斯光束取得者減低之粗糙度。譬如光束係由一高斯中心組成部份、及行進方向後方之一新月型組成部份所組成的一非對稱光束分布，將滿足改善加工之需求且同時藉其典型地非固定之本質來滿足依照切割路徑瞬時方向而 關於材料表面作旋轉之需求。在使用依據一既定時間開展關係而耦合之二光束時，本發明容許其在材料入射平面上、及材料本身厚度之深度處二者之位置皆受控制，以瞬時地且以高頻率照射一體積量材料且同時沿一既定路徑進行加工(即，同時總光功率分布依循切割之前緣)。亦，在此情況下，獲致從該溝槽排出一減低黏度熔化體積量。
在界定一輔助氣流輸送區之該氣流軸的一既定鄰近區域中，依據本發明在金屬材料上工作平面之一區域中，實現光束橫向功率分布的控制。輔助氣流輸送區-其代表本發明控制方法之作用體積場域-可識別為一工作頭噴嘴之「受影響體積」-一噴嘴典型地具有一口，該口之直徑介於1公釐與3.5公釐之間，且典型地呈一截頭圓錐之尺寸具有一高度、一小底面(噴嘴處)、及一大底面，該高度係6公釐到20公釐、該小底面具有一等於該噴嘴口直徑增加1到3公釐之直徑，該大底面之特徵尺寸係截頭圓錐體積高度及生成線傾角之一函數、該傾角典型地介於15到30度之間。適當地，該噴嘴之體積係儘可能地小，且其具有儘可能最細之外觀，使其亦可在待加工之表面的凹陷內作動。
較優地，可在100赫茲到10千赫茲之間的操作頻率下，即時執行藉本發明之方法實行的自動控制。
調整成適應於執行本發明之方法的一控制系統可被整合入一工作頭中、即其與雷射光束之產生、及與該雷射光束輸運至該工作頭獨立無關，而較優地有別於先前技藝系統。
此外，設定或命令一特定加工機器的已知解決方 案中，雷射光束之橫向功率分布可藉操作者透過手動介入替換特定光學裝置而調整，或雷射光束之橫向分布之修改係在非常有限數量之既定形狀中實施。不同於此，本發明之方法容許，以沿一工作路徑之光束局部化為函數，即時有效地控制雷射光束之橫向功率分布，藉此可能根據在沿工作路徑之既定位置處產生的程式化工作狀況，依一精細方式修改雷射光束之橫向功率分布。此類程式化加工條件包含，非限制性範例之沿一既定工作路徑的目前工作位置(或更一般地，目前工作平面之區域)，及/或材料上之工作路徑目前方向，及/或輔助氣流軸之目前平移方向，以及在某一特定工作位置處預期之加工類型(例如，在一鑽穿、趨近切割、與切割程序之間切換)。
在一材料鑽穿程序中，本發明譬如藉實施一連串加工作業，可即時且更有效地控制程序，以改良該程序，該連串加工作業包括至少一第一階段及一第二階段，該至少一第一階段包含一既定系列之第一窄束脈衝照射工作材料上之一既定固定位置處，該第二階段包含一沿既定工作路徑行進而具有擴大直徑之雷射光束照射以容許釋放熔化材料。
依據鑽穿程序之又一範例，實施一連串加工作業，其包括-在一第一步驟中-一既定第一系列窄束脈衝照射工作材料上之一既定鑽穿坐標，該照射之傳播軸定心於輔助氣流之受影響體積中，及-在一第二步驟中-一雷射光束依據一與該既定鑽穿坐標同心之圓形或螺旋運動照射(連續或脈衝式)，其調整成適應於在鑽穿終了的同時「拋出」熔化材料。
在一材料切割程序中，本發明之方法容許譬如藉 實施一連串加工作業，可即時且更有效地控制程序，以改良該程序，該連串加工作業包括：- 以待切割材料之局部厚度、或所需之特定切割作業(譬如，連續溝槽切割或具有斜緣之斜面)為函數的光束直徑修改；及/或- 依上下文中支持一平坦斷面模態之光束功率分布修改，將較高斯分布降低照耀於切割溝槽中心及其側邊二者處之雷射光束功率比例，如此將不同地無需加熱，而藉側傳導分散能量，導致生成低溫熔化材料，該材料在離開溝槽前再沈積，引發毛邊；及/或- 依上下文中支持一環形樣式模態之光束功率分布修改，其可能藉重疊一軸向局部化高斯分布而結合，調整成適應於增加熔化材料尾部之溫度，以消除毛邊；及/或- 在切割方向上，打破旋轉對稱、及前述每一形狀之分布，且在其他方向上及從溝槽排出材料之方向上，對應截斷；及/或；- 藉瞬時地沿切割方向導引之一橢圓形光束，在加工之行進方向上打破旋轉對稱、且加強功率分布。
較優地，除達成雷射光束之不同橫向功率分布外，本發明亦關於控制二其他程序維度：深度及時間。
事實上，上述之橫向功率分布僅可在一良好定義之焦平面中取得，該焦平面具有沿光束傳播方向之一同調區間(或「厚度」)(環繞較佳聚焦平面之光束焦散曲線)，其根據所使用之光學聚焦系統而定。本發明之技術解決方案容許沿光束 之傳播方向控制焦平面之位置，其中將建立期望之功率分布，使得相對於材料表面之工作平面深度係可線上修改之又一程序參數。此特點容許有在控制一材料之工作加工時的三維彈性，此與已知技藝之系統中者不同而有重大意義，其中該等已知技藝之系統包含具有電流計鏡之掃描系統，典型地具有僅一個焦點位置，除了藉關於該材料移動整個工作頭外，無法另作調整。
此外，藉快速地控制光束分布及其在空間中之定位，即在較程序典型交互作用所對應者高之頻率下(高於100赫茲，但亦高達10千赫茲)，可能僅藉在一縮短時間中控制一序列光束功率分布來界定雷射光束與任一形狀材料之間的一表觀交互作用體積，其中該等序列光束功率分布之包線構成該表觀體積。
10‧‧‧發射源
12a‧‧‧反射鏡
12b‧‧‧反射鏡
12c‧‧‧反射鏡
12d‧‧‧光纖電纜
14‧‧‧工作頭
16‧‧‧光學聚焦系統
18‧‧‧噴嘴
20‧‧‧準直折光系統
22‧‧‧反射系統
30‧‧‧管形通道
32‧‧‧反射性偏轉器元件
34‧‧‧保護滑件
36‧‧‧透鏡座架單元
38‧‧‧機械調整機構
100‧‧‧輸入裝置
120‧‧‧光學準直系統
140‧‧‧光學聚焦系統
160‧‧‧光屏或玻璃保護裝置
180‧‧‧光學光束整形構件
200‧‧‧可變形反射元件
200a‧‧‧運動模組
200b‧‧‧運動模組
200'‧‧‧半元件
200"‧‧‧半元件
A‧‧‧趨近或連接輪廓
B‧‧‧雷射光束
C‧‧‧透鏡(趨近或連接輪廓、切割輪廓)
F‧‧‧透鏡(運行方向)
H‧‧‧鑽穿區域
M‧‧‧記憶構件(材料)
P‧‧‧切割輪廓
R‧‧‧矩形凹部
S‧‧‧發射源
S1、...S4‧‧‧光點
T‧‧‧程式化工作路徑
W‧‧‧有限焦點
CM1‧‧‧第一控制模組
CM2‧‧‧第二控制模組
CM3‧‧‧第三控制模組
CMD1‧‧‧第一命令信號
CMD2‧‧‧第二命令信號
CMD3‧‧‧第三命令信號
ECU‧‧‧電子處理及控制構件
SENS‧‧‧感測器構件
WP‧‧‧材料
π‧‧‧工作平面
以下將參考隨附圖式，詳細說明以非限制性範例提供之一發明具體實施例，以更詳細地說明本發明之其他進一步特點及優點，其中：第1圖及第2圖係依據先前技藝之雷射加工機範例；第3圖顯示依據先前技藝之一雷射機工作頭結構範例；第4圖及第5圖顯示依據先前技藝，應用於金屬材料工業加工之一雷射光束整形概略表示圖；第6圖係調整成適應於實行本發明方法之一工作頭中雷射光束光徑的概略示意圖；第7圖係用於實施本發明方法之一整形光學光束的受控表 面反射元件概略表示圖；第8圖係調整成適應於實行依據本發明之一加工方法的一雷射加工機控制電子學方塊圖；第9圖係分別藉由橫向焦平面中之一光束強度三維表示圖、及一光束強度分布二維表示圖來顯示一高斯型橫向功率分布的圖表；第10a圖係分別顯示藉由橫向焦平面中之一光束強度三維表示圖、及一光束強度分布二維表示圖來顯示一平坦斷面橫向功率分布的圖表；第10b圖係顯示，調整成適應於生成第10a圖橫向功率分布之可變形受控反射元件的表面三維架構之圖表；第10c圖係顯示，沿光束傳播方向，在工作平面上具有一平坦斷面之該光束強度分布(以二維表示圖)開展的圖表；第11a圖係分別顯示藉由橫向焦平面中之一光束強度三維表示圖、及一光束強度分布二維表示圖來顯示一具有實質環形斷面之橫向功率分布的圖表；第11b圖係顯示，調整成適應於生成第11a圖橫向功率分布之可變形受控反射元件的表面三維架構之圖表；第11c圖係顯示，沿光束傳播方向，在工作平面上具有一環形斷面之該光束強度分布(以二維表示圖)開展的圖表；第12a圖係分別顯示藉由橫向焦平面中之一光束強度三維表示圖、及一光束強度分布二維表示圖來顯示，可藉相對於光束入射方向呈45°傾斜之一反射元件獲致之一環形橫向功率分布； 第12b圖係顯示，調整成適應於生成第12a圖橫向功率分布之可變形受控反射元件的表面三維架構之圖表；第13a圖係分別顯示藉由橫向焦平面中之一光束強度三維表示圖、及一光束強度分布二維表示圖來顯示，可藉一高斯分布、及一在該高斯分布外部與其同心之環形分布作同心重疊而獲致之一圓形對稱斷面橫向功率分布；第13b圖係顯示，調整成適應於生成第13a圖橫向功率分布之可變形受控反射元件的表面三維架構之圖表；第13c圖係顯示，沿光束傳播方向，在工作平面上具有一如第13a圖中所描述樣式(亦可描述為高斯-環形)之斷面的該光束強度分布(以二維表示圖)開展之圖表；第14a圖係分別顯示藉由橫向焦平面中之一光束強度三維表示圖、及一光束強度分布二維表示圖來顯示一具有橢圓形斷面之橫向功率分布的圖表；第14b圖係顯示，調整成適應於生成第14a圖橫向功率分布之可變形受控反射元件的表面三維架構之圖表；第14c圖係顯示，沿光束傳播方向，在工作平面上具有一橢圓形斷面之該光束強度分布(以二維表示圖)開展的圖表；第15a圖係分別顯示藉由橫向焦平面中之一光束強度三維表示圖、及一光束強度分布二維表示圖來顯示一如Olsen所描述之橫向功率分布的圖表；第15b圖係顯示，調整成適應於生成第15a圖橫向功率分布之可變形受控反射元件的表面三維架構之圖表；第15c圖係顯示，沿光束傳播方向，在工作平面上具有一 如Olsen所描述斷面之該光束強度分布(以二維表示圖)開展的圖表；第16圖及第17圖係依據本發明之方法的加工範例概略表示圖；及第18圖係用於整形光學光束之一受控表面反射元件的示範具體實施例。
在此之前，已關於先前技藝來說明第1圖至第5圖，且其內容在此認知，與依據本發明之教示來製造可受控進行工作程序的加工機相同。
第6圖中圖解一依據本發明之金屬材料雷射加工機的工作頭中之一雷射光束光徑。
第6圖之光學系統包括一雷射光束B之一輸入裝置100，其譬如為藉一發射源沿自由空間中之一光徑傳播的一光束之一光纖電纜末端或一光學拾取系統，雷射光束B將從該輸入裝置起依一既定散度發出。
輸入裝置100下游配置一光學準直系統120、譬如一準直透鏡(典型地，一雷射切割機之一工作頭的一準直透鏡具有一50公釐到150公釐之焦距)，其下游之準直雷射光束被導至一光學聚焦系統140、譬如一聚焦透鏡(典型地，一雷射切割機之一工作頭的一聚焦透鏡具有一100公釐到250公釐之焦距，在雷射熔接之情況下，焦距可甚至達400公釐)，該光學聚焦系統被配置成將光束聚焦而通過一光屏或玻璃保護裝置160以至一工作平面π上。
在準直光學系統120與光學聚焦系統140之間光徑中，插入複數光學光束整形構件180。
特別地，參考第6圖中所示之一雷射光束光徑的圖式表達，本發明關於製作光學構件180來整形雷射光束，及控制該等構件以依一受控方式在一材料之既定工作平面上達成一雷射光束橫向功率分布。在圖式中，以一圖示具體實施例顯示用於整形雷射光束之光學構件180，其中該等構件被配置成，使其自身之對稱軸相對於光束之傳播方向呈45°。
為此，將用於整形雷射光束之光學構件180製成一具有受控表面之可變形反射元件200，其包括複數個反射區域，可各自獨立地運動，如第7圖所圖解者，其中該等反射區域在一靜止狀態下界定一位於參考反射平面上之反射表面。該可變形受控表面反射元件200提供一連續箔反光鏡，其反射表面可關於該靜止狀態下所採用之參考平坦反射表面作三維修改。該可變形受控表面反射元件200具有一連續曲率反射表面，其包含複數個反射區域，該等反射區域後方結合有圖式中以200a、200b、...顯示之對應複數個運動模組，且藉由聯合使用在雷射光束波長下高度反射之塗層(至少99%)、及安裝於以直接溝流水冷卻的一接觸座架上作適當處理，而在高光功率下使用。該等運動模組整合至該連續曲率反射表面，且可各自獨立運動。具有連續曲率之反射表面的該等反射區域之間無任何邊緣，即全部反射表面在所有方向上皆具有連續的局部導數。該複數個運動模組200a、200b之運動包含對應反射區域之平移運動、或對應反射區域環繞一軸之旋轉運動、或甚至其組 合，其中該平移運動譬如為相對於該靜止狀態下採用之參考平坦反射表面的前向與後向運動，而該軸係與該靜止狀態下採用之參考平坦反射表面平行者。該反射表面之變形、即運動模組200a、200b之運動，較佳地藉已知的壓電技術致動。此等壓電技術可能控制該等運動模組之運動，及該等反射區域之結果位置、即該等反射區域之位置修正。此位置修正起因於，每一模組在互相獨立之既定數量自由度上的平移及/或旋轉所致之運動組合，典型地為等級+/-40微米之行程，藉此可能取得藉冊尼克(Zernike)多項式組合而定義之連續曲率表面近似。如此，可能(至少理論上、且實際上為了期望之目的而充分地近似)依據期望之加工應用目的，施用雷射光束之光傳播軸的位置調整、或更一般地控制雷射光束之橫向功率分布。
第7圖顯示一橢圓形輪廓反射元件200及相關後方運動模組之較佳具體實施例，用於45°之準直雷射光束入射角，如第6圖之圖式中所示者。請了解，此類具體實施例僅為解說本發明之實施且不以此為限。在準直雷射光束與靜止狀態下之元件200表面垂直、或幾乎垂直的一不同較佳具體實施例中，反射元件200之輪廓係一圓形輪廓。
在該反射元件具有一橢圓形輪廓之具體實施例中，該橢圓形輪廓具有一38公釐長軸及一27公釐短軸，其與入射於可由準直光學系統120獲致之反射鏡上的雷射光束最大橫向口徑尺寸對應。
明確地，在一較佳具體實施例中，該可變形受控表面反射元件200包含複數個反射區域，該等反射區域藉由對 應之複數個運動模組而可各自獨立地運動，該等運動模組包括一中心區域、及相對於該中心區域同心之複數列圓形冠狀扇區。在目前較佳的具體實施例中，該等同心圓形冠狀扇區之列數為6，每列中之圓形冠狀扇區的數量為8，且該等圓形冠狀扇區之高度係在朝該反射元件外側之徑向方向上從第一到第三列、及從第四到第六列呈增加。第四列圓形冠狀扇區之高度係介於第一與第二列圓形冠狀扇區高度之間。較佳地，為在設計時簡化反射元件200之控制結構，形成周邊圓形冠之複數個圓形扇區可固定，且僅內圓形冠狀扇區之列可動以使其運用的致動器總數量限制在41個。
通常，圓形扇區之列數、圓形冠狀扇區之數量、及圓形冠狀扇區之高度係依據為獲致既定期望雷射光束橫向功率分布所需的反射表面幾何，透過以選定數量之反射區域，對入射於該反射元件上之雷射光束的橫向功率分布趨勢進行模擬程序而決定。事實上，元件200之反射表面的受控可變形性，將藉由對雷射光束之相位起作用，而引發雷射光束在焦平面上之受控強度變異。在目前較佳之具體實施例中，反射元件200表面之變形受控制，以決定歸因於冊尼克多項式組合的一反射表面。是以，依據反射元件200反射區域之運動所控制的相位變動，可較優地使用數字計算方法模擬焦平面上之雷射光束強度分布。
第7圖中圖示之反射元件200的表面分部幾何-與反射區域之運動模組的幾何對應-已由發明人透過一模擬程序決定，以獲致具有較大光束整形自由的不同形狀橫向功率 分布，甚至無關於保留其旋轉對稱。另外，與高斯功率分布緊密關聯之應用中，不需改變功率分布之外型而僅需其關於光傳播軸之位移，而可能使用較簡單的幾何、譬如等間隔列，即其中圓形冠狀扇區之高度在所有扇區列中皆不變。在保留光束功率分布旋轉對稱之應用中，可能使複數個反射區域及各別之運動模組呈沿徑向各自獨立之圓形冠型式。
第8圖顯示，實施本發明方法之一金屬材料雷射加工機的一電子控制系統線路圖。
該系統包括複數電子處理及控制構件，其集合地顯示於圖式中之ECU處，該電子處理及控制構件可整合於一機器上之單一處理單元中，或以分散式實施而因此包括配置於該機器不同部份、包含譬如工作頭中之複數處理模組。
與該電子處理及控制構件ECU結合之複數記憶構件M儲存一既定之處理模式或程式、譬如包括一既定工作路徑及複數物理處理參數，該既定工作路徑係呈工作頭及/或待加工材料之運動指令型式，該等物理處理參數係指示以該工作路徑為函數之光學光束功率分布、光束之功率強度、及雷射光束致動時間。
電子處理及控制構件ECU被配置成存取記憶構件M，以取得一工作路徑、及控制加工雷射光束沿該路徑之施用。該沿既定工作路徑施用雷射光束之控制包含，藉參照該既定處理模式或程式、即依據從該等記憶構件取得之工作路徑資訊及工作參數，控制一輔助氣流之輸送、及控制一既定雷射光束功率分布之輻射朝向一既定工作區域。
複數感測器構件SENS被配置於該機器上，以即時偵測工作頭與待加工材料之間的相互位置、以及此位置在一段時間之改變。
電子處理及控制構件ECU被配置成，從感測器構件SENS接收信號，此等信號指示工作頭與待加工材料之間在一段時間的相互位置、即目前工作平面之區域及/或目前工作路徑之方向在一段時間的改變。
電子處理及控制構件ECU包括一第一控制模組CM1，用於控制加工之機械參數，且配置成發射第一命令信號CMD1至一已知致動器構件總成，該致動器構件總成包括使工作頭沿特定之機器具體實施例所容許的複數自由度運動之複數致動器構件，及使待加工材料關於工作頭之位置運動的複數致動器構件，該等移動待加工材料致動器構件被調整成適應於，與該移動工作頭致動器構件共同作動，以在待於工作頭噴嘴處作加工之材料上展現一程式化工作路徑。由於此等致動器構件係技藝中已知者，因此不再詳述。
電子處理及控制構件ECU包括一第二控制模組CM2，用於控制加工之物理參數，且配置成發射第二命令信號CMD2至輔助氣流輸送構件、及用於產生與傳送雷射光束之控制構件。
電子處理及控制構件ECU包括一第三控制模組CM3，用於控制光學處理參數，且配置成發射第三命令信號CMD3至該等光學光束整形構件之可變形受控表面反射元件200，以實施該元件之可各自獨立運動反射區域的運動模組、 即控制該等區域之相互空間位移(沿該反射元件光軸之平移、或相對於其之傾斜)。命令信號CMD3係藉由一電腦程式處理，該電腦程式包括一個或更多碼模組，其具有用於實施本發明方法之一規則模型(regulation model)或程式的指令，此等指令係依據待獲致之既定雷射光束整形、即以沿一光傳播軸之瞬時處理條件為函數，建立一既定雷射光束橫向功率分布及因此一既定雷射光束光傳播軸位置，其中該光傳播軸入射於金屬材料之一工作平面的一區域中之材料上。該材料之工作平面係材料之表面平面，或材料厚度上之深度變化、譬如切割或鑽穿厚材料時的一平面，其中該等厚度材料即典型地厚度較1.5倍之聚焦光束瑞利(Rayleigh)長度大者(典型情況下，厚度介於0.5公釐與4公釐之間)。前述之命令信號CMD3亦藉該電腦程式處理，以依據瞬時工作條件、即工作平面之區域及/或目前金屬材料上之目前工作路徑方向，在該輔助氣流軸之一既定鄰近區域中及該氣流之一輸送區域內，建立該雷射光束之既定橫向功率分布。
電子處理及控制構件ECU因此配置成，偵測該輔助氣流軸之目前位置及/或目前平移方向，以依據該輔助氣流軸之目前位置及/或偵測到之目前平移方向，控制該輔助氣流軸沿金屬材料上之一既定工作路徑的相對位移，且自動地調整該雷射光束之光傳播軸的位置、或自動地控制該雷射光束之橫向功率分布。
第9圖係針對在工作平面之區域上具有一60微米等級聚焦光點半徑的一典型光束，顯示一習知雷射光束功率分 布，其在與工作平面所對應之傳播方向呈橫交的一截面中具有一高斯斷面，其中上方圖表係光束正規化強度之三維表示圖，且下方圖表係在聚焦平面中之光束強度分布二維表示圖。
依據本發明方法之一具體實施例，實現一可變形受控表面反射元件之反射區域的一配置，被調整成適應於在金屬材料上工作平面之一區域中建立一光束橫向功率分布，其具有一既定直徑之高斯斷面。該反射區域之配置容許一可變形反射元件之球形表面，其為在一幾乎正交入射情況下之相對於參考平面表面的凸面或凹面、或在一45度入射情況下之與一橢圓形伸長成比例的一複曲面。在此條件下，光束經受一散度變異(儘管極微)。最終結果之光束橫向功率分布，將在必須於不同材料工作平面中移動焦點位置、或者加寬或縮窄材料本身表面上入射光束直徑之情況下，發現應用。
依據本發明方法之又一具體實施例，實現一可變形受控表面反射元件之反射區域的一配置，被調整成適應於在金屬材料上工作平面之一區域中建立一光束橫向功率分布，其具有一既定直徑之平坦斷面(平坦頂部或頂部盒)。第10a圖中係針對在工作平面區域上具有一120微米等級焦點半徑的一典型光束，顯示該平坦斷面功率分布，其中上方圖表係光束正規化強度之三維表示圖，且下方圖表係在焦平面中之光束強度分布二維表示圖。第10b圖之圖表顯示可變形受控表面反射元件之表面的三維架構，其中該圖表之軸未按比例以容許較佳地觀視斷面，其中垂直軸係以微米表示(對比於以公釐表示之水平軸)。該可運動反射區域之運動模組的最大行程係在0.5微米等 級。第10c圖中之圖表顯示光束強度分布沿傳播方向的開展，其中模擬從工作平面(以沿垂直軸z之坐標0指示)起之不同深度處的功率分布將改變。特別地，已在高於工作平面3公釐與該工作平面下方3公釐之間的一深度範圍中，模擬功率分布之開展，其中間距係1公釐。
依據本發明方法之又一具體實施例，實現一可變形受控表面反射元件之反射區域的一配置，被調整成適應於在金屬材料上工作平面之一區域中建立一光束橫向功率分布，其具有一既定直徑之環形斷面(環形管)。第11a圖係針對在工作平面區域上具有一聚焦光點大小之一典型光束，顯示該環形斷面功率分布，該聚焦光點大小具有一180微米等級之外半徑及一40微米等級之內半徑，其中該環形斷面內側之功率不超過總光束功率之1%，其中上方圖表係光束正規化強度之三維表示圖，且下方圖表係在聚焦平面中之光束強度分布二維表示圖。第11b圖係顯示可變形受控表面反射元件之表面的三維架構，其中該圖表之軸未按比例以容許較佳地觀視斷面，其中垂直軸係以微米表示(對比於以公釐表示之水平軸)。該可運動反射區域之運動模組的最大行程係在5微米等級。為達成一理想環形斷面，必須調節該反射元件以形成在頂點處具有一角之一圓錐表面，這將因在該反射元件之一中心區域存在有限尺寸而不可行。結果，可依靠定義一相似表面、但在頂點處具有實際上可行之一斜角斷面，來達成一實質環形斷面。在任何情況下，圓錐表面之近似，不致使光束之功率分布，在散布於光點中心之能量方面過度地退化。第11c圖之圖表顯示光束強度分 布沿傳播方向的開展，其中模擬從工作平面(以沿垂直軸z之坐標0指示)起之不同深度處的功率分布將改變。特別地，已在高於工作平面10公釐與該工作平面下方50公釐之間的一深度範圍中，模擬功率分布之開展，其中間距係10公釐。
第12a圖與第12b圖分別顯示，當反射元件相對於準直光束入射方向呈45度配置之條件下，具有一環形斷面(環形管)之功率分布，及可變形反射元件表面三維架構。可運動反射區域之運動模組的最大行程為6微米等級。
依據本發明方法之又一具體實施例，實現一可變形受控表面反射元件之反射區域的一配置，被調整成適應於在金屬材料上工作平面之一區域中建立一光束橫向功率分布，其具有一既定直徑之高斯斷面及該高斯斷面外側重疊一環形斷面。第13a圖係針對在工作平面區域上具有一130微米等級聚焦光點大小之一典型光束，顯示依據前述斷面之功率分布，其中中心斷面之功率係光束總功率之25%，其中上方圖表係光束正規化強度之三維表示圖，且下方圖表係在聚焦平面中之光束強度分布二維表示圖。第13b圖之圖表係顯示可變形受控表面反射元件之表面的三維架構，其中該圖表之軸未按比例以容許較佳地觀視斷面，其中垂直軸係以微米表示(對比於以公釐表示之水平軸)。該可運動反射區域之運動模組的最大行程係在5微米等級。以反射元件之中心平坦區域的直徑為函數，可能產生分配光束總功率於該中心斷面與該圍繞環形斷面之不同斷面。第13c圖之圖表顯示光束強度分布沿傳播方向的開展，其中模擬從工作平面(以沿垂直軸z之坐標0指示)起之不同深度 處的功率分布將改變。特別地，已在高於工作平面10公釐與該工作平面下方50公釐之間的一深度範圍中，模擬功率分布之開展，其中間距係10公釐。特別地，已在工作平面與工作平面下方60公釐之間的一深度範圍中模擬功率分布之開展，其中間距係10公釐。
圖表明顯地顯示，針對與高斯功率分布修改聯結之應用，將獲致具有一平坦(平坦頂部)或環形(環形管)斷面、或者呈高斯-環形組合而保留圓形對稱之橫向功率分布，其中可變形受控表面反射元件200可包含複數個可獨立運動反射區域，其呈沿徑向之獨立圓形冠狀型式。
依據本發明方法之又一具體實施例，實現一可變形受控表面反射元件之反射區域的一配置，被調整成適應於在金屬材料上工作平面之一區域中建立一光束橫向功率分布，其具有一呈橢圓形截面之高斯斷面，較佳地在依據工作路徑局部方向而定向、譬如沿工作路徑行進方向而定向之工作平面區域中具有一對稱軸。第14a圖係針對在工作平面區域上具有各為50微米與85微米等級之聚焦光點軸的一典型光束(單模)，顯示具有一高斯橢圓形斷面之功率分布，其中上方圖表係光束正規化強度之三維表示圖，且下方圖表係在聚焦平面中之光束強度分布二維表示圖。第14b圖之圖表係顯示可變形受控表面反射元件之表面的三維架構，其中該圖表之軸未按比例以容許較佳地觀視斷面，其中垂直軸係以微米表示(對比於以公釐表示之水平軸)。該可運動反射區域之運動模組的最大行程係在10微米等級。第14c圖之圖表顯示光束強度分布沿傳播方向的開 展，其中模擬從工作平面(以沿垂直軸z之坐標0指示)起之不同深度處的功率分布將改變。特別地，已在高於工作平面20公釐與該工作平面下方20公釐之間的一深度範圍中，模擬功率分布之開展，其中間距係5公釐。
依據本發明方法之又一具體實施例，實現一可變形受控表面反射元件之反射區域的一配置，被調整成適應於在金屬材料上工作平面之一區域中建立一光束橫向功率分布，其具有一譬如Olsen描述之斷面、即非對稱複雜斷面，其包括一高斯型峰值主要功率分布、及該主要功率分布後部之一新月型次要功率分布，較佳地具有在工作平面區域中且依據工作路徑局部方向而定向、譬如沿工作路徑行進方向而定向之一對稱軸。第15a圖係針對典型地在工作平面區域上具有一120微米等級聚焦光點大小之一光束，顯示依據前述斷面之功率分布，其中該主要斷面之功率係光束總功率之30%等級，其中上方圖表係光束正規化強度之三維表示圖，且下方圖表係在聚焦平面中之光束強度分布二維表示圖。第15b圖之圖表係顯示可變形受控表面反射元件之表面的三維架構，其中該圖表之軸未按比例以容許較佳地觀視斷面，其中垂直軸係以微米表示(對比於以公釐表示之水平軸)。該可運動反射區域之運動模組的最大行程係在4微米等級。該反射元件係藉一非徑向對稱反射區域配置而變形：可能將此一配置描述為一生成環形管-高斯型分布之變形、與一關於參考平面重建傾斜平面的配置之間的重疊。根據與反射區域分布呈對稱之打破的大小尺寸，可能產生分配光束總功率於該主要中心斷面與該圍繞次要斷面之不同 斷面。第15c圖之圖表顯示光束強度分布沿傳播方向的開展，其中模擬從工作平面(以沿垂直軸z之坐標0指示)起之不同深度處的功率分布將改變。特別地，在工作平面與工作平面下方60公釐之間的一深度範圍中模擬功率分布之開展，其中間距係10公釐。
可在第15c圖中看出，Olsen描述之功率分布的特徵在於，可能同時實施及控制一高斯主要功率分布與一新月型次要功率分布，其分配係沿光束光軸之傳播、即工作平面深度的一函數。如此將較優地容許譬如藉生成一功率分布來即時控制材料上之三維加工，其中該主要高斯功率分布盛行於溝槽中行進前端之材料表面上的一工作平面上、需要照射、及因此加熱之處，及該新月型次要功率分布盛行於材料體積內之一工作平面中、需要照射在材料中深部且從該溝槽離開之熔化材料尾部之處，及因缺乏在高斯情形下藉雷射光束之照射而導致逐步冷卻，使該熔化材料可黏附至該溝槽之壁。
第16圖中顯示依據本發明之方法的一加工範例，且特別地為在一材料M中之一矩形凹部R的一切割作業。
圖式中，以T指示一程式化工作路徑。該工作路徑包含一鑽穿區域H、一趨近或連接輪廓C、及一切割輪廓P，該切割輪廓包括作為範例之一連串筆直區段及彎曲連接區段，該等區段形成一封閉線。
一雷射切割機係經程式化，以依據目前加工階段變化入射於材料上之雷射光束功率分布，來實施不間斷加工。
雷射光束整形構件反射區域配置之致動係受控 制，以建立一高斯型第一光束橫向功率分布而在鑽穿區域H處具有可能的最小聚光光點，以從較寬高斯型、到平坦頂部、及以至環形管建立一第二橫向功率分布，可當鑽穿完成、光束開始通過趨近或連接輪廓A時，加寬該鑽穿來逐出熔化材料且同時容許材料輕易流動及適當之波前照射。在切割輪廓C處使用藉高斯-新月型組合而取得之一非對稱型第三光束橫向功率分布，其依據該切割輪廓之連串筆直區段及彎曲區段中的工作路徑局部方向作定向。在任何銳緣路徑修改處、因此在運動之局部停止處，橫向功率分布亦考慮速度值，以輔助熔化材料及輔助氣體排出之方向改變，譬如可透過一橢圓形功率分布。
第17圖顯示依據本發明之方法的一加工範例，且特別地為一段時間之功率分布連串開展，其可應用於沿一既定路徑實施之一切割程序期間，該既定路徑未完整顯示，但其運行方向與指向在圖式中係以箭頭F指示。
依據以下參考第17a圖、第17b圖、及第17c圖之視圖作說明的規則，將一切割機程式化，以藉由在一段時間且循環地變化入射於材料上之雷射光束功率分布，實施工作而無需中斷，其中此等視圖分別顯示一加工區域A之上、後、及側視圖，該加工區域係依循工作頭與材料之間的相對運動而沿既定路徑連續地運動。
S1、...S4指示待加工材料上之雷射光束入射光點，其環繞雷射光束光軸位置定界，且被包含於工作材料上之一輔助氣流輸送區中，該輸送區係整個工作區域A所共有。請注意，典型地在厚4公釐到30公釐碳鋼、厚4公釐到25公釐 不鏽鋼、厚4公釐到15公釐鋁合金、以及厚4公釐到12公釐銅及黃銅上之切割及/或鑽穿作業，輔助氣流輸送區之典型大小尺寸範圍係從1.8公釐到4公釐。
工作區域A中之受控功率分布係藉由關於工作路徑方向作橫向對正之二分離高斯光束的組合而取得，且因此可被描述為一橫向電磁模態TEM10。可藉由將雷射光束整形構件之反射元件200劃分成二個半元件200'、200"以獲致該分布，該二半元件係沿該反射元件之一軸線(直徑)、且藉中心區域而接合，及可定向以形成一面朝雷射光束傳播空間之凹二面角(0.1到0.3度之等級)，如第18圖所示者。請了解到，該反射元件之二個半元件的接合直徑可為運動模組之配置所識別之任何直徑。每一反射半元件200'、200"皆調整成適應於生成一高斯橫向功率分布(藉分離原始光束)，且各別之運動模組係受控制以達成相對於其各別靜止狀態之半元件的既定總體傾斜運動，此等運動較佳地互相同步且互相鏡射，決定工作材料上雷射光束光點之空間位移。
依據圖式中所顯示之空間規則，在一段時間變化二高斯光束之各別光傳播軸的相對位置。該二光束在工作區域中之運動係依據工作路徑之局部方向且在一連串工作平面中同步發生。可參考第17a圖、第17b圖、及第17c圖，藉結合以下運動作說明：
1)總功率分布之質心在一段時間內依據工作路徑F之局部方向行進，且與輔助氣流之輸送軸重合、或在工作路徑行進方向前方之一位置中相距輔助氣流輸送軸不超過噴嘴 口半徑之半的一距離。
2)在第17a圖之水平平面上投影中，二高斯光束中每一個之光軸皆環繞一各別之既定時間迴轉幾何質心而依據一橢圓形軌跡局部地運動，此運動分別在關於程序行進方向之總功率分布質心右側呈順時針、且在關於程序行進方向之總功率分布質心左側呈逆時針，與各別迴轉質心相距單一光束在腰部之聚光光點半徑的0.3倍到2倍。
3)在環繞各別既定質心之時間迴轉運動期間，每一個該二高斯光束之聚焦平面沿各別光傳播軸之位置在材料厚度之深度上變化，具有依據第17c圖縱切平面投影中之一平行四邊形路徑的一退化開展，其決定第17b圖所示正面平面投影中之二高斯光束中每一個的光軸開展。
4)該二高斯光束中每一個之光軸的迴轉質心，在一段時間，依據與總功率分布質心運動方向平行之方向，分別向右與向左行進，在正面平面上、及在縱切面上之投影中，依據一正弦型態決定一總開展。
圖式中，藉複數個定向線表現先前步驟1至4中所述之運動。S1指示，在依據工作路徑F之局部行進位置中，每一高斯光束在材料表面上之聚焦光點。S2'與S2"指示，在環繞一各別時間迴轉既定幾何質心之迴轉運動期間，高斯光束在材料體積中之一第一中間深度處、與關於工作路徑F而相較於位置S1回縮之一第一中間位置中的分離聚焦光點。S3'與S3"指示，在環繞該各別時間迴轉既定幾何質心之迴轉運動期間，高斯光束在材料體積中之一最大深度處、與關於工作路徑F而 相較於位置S1且又相較於位置S2'及S2"回縮之一第二中間回縮位置中的分離聚焦光點。最後，S4指示，在環繞該各別時間迴轉既定幾何質心之迴轉運動期間，每一高斯光束在材料體積中之一第二中間深度處、與關於工作路徑F而相較於位置S1之一第三中間回縮位置中的聚焦光點。
執行此一加工，以譬如在一氮氣中，依沿一既定工作路徑之1000到2000公釐/分鐘的典型進給速度，切割一10公釐厚鋼板。光束功率分布之一循環控制頻率係至少500赫茲、且較佳地1千赫茲、更普遍地為v/2D之整數倍，其中v係以微米/秒表達之總功率分布質心行進速度，及D係以微米表達之雷射光束聚焦光點在腰部處的直徑。該循環控制頻率容許取得，藉高斯光束對之快速局部位移所引發的一結構化表觀交互作用體積。二光束在位置S1之材料表面上會合，以對切割之前緣提供最大能量，接著在深處及待排出材料尾部上下降，以使該待排出材料尾部保持為流體。較優地，本加工方法原則上容許保持或增加行進前端之切割效力、增加材料本身之自排出力，致使對輔助氣體之需求降低。
請了解到，先前示範具體實施例中參照高斯功率分布者可擴展到，藉互相相同或不同之每一半元件、及每一光束之其他鏡射或非鏡射運動所生成的其他樣式雷射光束功率分布。
當然，實施之具體實施例及細部設計，可關於僅純粹以非限制性範例作說明及圖示者廣泛變化，而不改變發明之原理，因此不致脫離隨附申請專利範圍所界定之發明保護範 疇。
100‧‧‧輸入裝置
120‧‧‧光學準直系統
140‧‧‧光學聚焦系統
160‧‧‧光屏或玻璃保護裝置
180‧‧‧光學光束整形構件
B‧‧‧雷射光束
π‧‧‧工作平面

Claims (20)

  1. 一種藉由一聚焦雷射光束來雷射加工一金屬材料之方法，該方法特別地用於雷射切割、鑽穿、或熔接該材料，該聚焦雷射光束具有在該金屬材料至少一工作平面上之一既定橫向功率分布，包括下列步驟：提供一雷射光束發射源；將該發射源所發射之雷射光束沿一光束傳輸光徑前導至配置於該金屬材料附近之一工作頭；沿入射於該金屬材料上之一光傳播軸來準直雷射光束；聚焦該準直雷射光束於該金屬材料之一工作平面的一區域中；及沿包括一連串工作區域之該金屬材料上一工作路徑引導該聚焦雷射光束，該方法包括整形雷射光束，其中整形雷射光束包括：藉由一可變形受控表面反射元件來反射該準直光束，該元件具有一連續曲率反射表面，該反射表面包含複數個各自獨立可運動反射區域，及控制該等反射區域之配置，以在該金屬材料至少一工作平面上建立，以目前工作平面之區域及/或該金屬材料上工作路徑之目前方向為函數的一既定光束橫向功率分布，其特徵在於：該方法更包括下列步驟：將一輔助氣流沿一輔助氣流軸，朝向該金屬材料工作平面之區域輸送，該輔助氣流軸沿該金屬材料上一既定工作路徑之相對平 移，偵測該輔助氣流軸之目前位置及/或目前平移方向，其中整形雷射光束更包括：藉由控制該等反射區域之配置，以在該金屬材料工作平面之一區域中建立該既定光束橫向功率分布，以該輔助氣流軸之偵測目前位置及/或偵測目前平移方向為函數來自動控制該雷射光束之橫向功率分布，該區域被包括於環繞該輔助氣流軸之一既定鄰近區域中、及該氣流之一輸送區域內。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中以該輔助氣流軸之偵測目前位置及/或偵測目前平移方向為函數來自動控制雷射光束之橫向功率分布者係藉參照一既定控制模式或程式實行。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其步驟包括，控制該等反射區域之配置，以在該金屬材料上至少一工作平面之一區域中，建立一具有既定直徑之高斯型光束橫向功率分布。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其步驟包括，控制該等反射區域之配置，以在該金屬材料上至少一工作平面之一區域中，建立一具有環形外型之光束橫向功率分布。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其步驟包括，控制該等反射區域之配置，以在該金屬材料上至少一工作平面之一區域中，建立一具有既定直徑之平坦斷面外型光束橫向功率分布。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其步驟包括，控制該 等反射區域之配置，以在該金屬材料上至少一工作平面之一區域中，建立一光束橫向功率分布，該橫向功率分布包含一具有既定直徑之高斯分布、及一在該高斯分布外部與其同心之環形分布。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其步驟包括，控制該等反射區域之配置，以在該金屬材料上至少一工作平面之一區域中，建立一光束橫向功率分布，該橫向功率分布包含一具有既定直徑之高斯分布、及一在該高斯分布外部與其同心之半環形分布。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其包括根據該工作路徑之局部方向，定向該工作平面區域中之該光束橫向功率分布的對稱軸，該橫向功率分布包含一具有既定直徑之高斯分布、及一在該高斯分布外部與其同心之半環形分布。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其步驟包括，控制該等反射區域之配置，以在該金屬材料上至少一工作平面之一區域中，建立一具有橢圓形斷面之高斯型光束橫向功率分布。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其包括根據該工作路徑之局部方向，定向該工作平面區域中之該具有橢圓形斷面高斯型光束橫向功率分布的對稱軸。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其包括該輔助氣流軸沿該金屬材料上一既定工作路徑之相對平移，偵測該輔助氣流軸之目前位置及/或偵測該輔助氣流軸之目前平移方向，及以該輔助氣流軸之偵測目前位置及/或偵測目前平移 方向為函數來自動調整該雷射光束之光傳播軸的位置。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中以該輔助氣流軸之偵測目前位置及/或偵測目前平移方向為函數來自動調整該雷射光束之光傳播軸的位置者係藉參照一既定調整模式或程式實行。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其步驟包括控制該等反射區域之配置，以在該金屬材料上至少一工作平面區域中建立與一TEM10橫向電磁模態對應之一總光束橫向功率分布，其包含關於該工作路徑方向作橫向對正之二個具有既定直徑的高斯分布組合，其中該二高斯分布之光傳播軸與聚焦平面的相對位置係依據包含以下複數個運動組合之一規則，根據該工作路徑之局部方向在一段時間循環地變化，該等運動係：該總功率分布之質心沿該工作路徑之局部方向行進；當投影於一水平平面上時，每一該二高斯分布之光軸皆環繞一各別之既定時間迴轉幾何質心而依據一橢圓形迴轉軌跡運動，該等運動分別在關於工作進行方向之總功率分布質心右側呈順時針、且在關於工作進行方向之總功率分布質心左側呈逆時針；在環繞各別既定質心之時間迴轉運動期間，每一個該二高斯分布之聚焦平面沿各別光傳播軸之位置點將變化，具有沿一縱切平面上投影中之一平行四邊形軌跡的退化開展；每一個該二高斯分布之光軸的迴轉質心，沿著與該總功率分布質心運動方向平行之方向，分別向右與向左進行。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中每一個該二高斯分布之光傳播軸、及每一個該二高斯分布之聚焦平面位置點沿其各別光傳播軸的相對位置循環變化，係依v/2D整數倍之一頻率出現，其中v係總功率分布質心之進行速度，及D係雷射光束聚焦光點在腰部處之直徑。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中控制該受控表面反射元件之該等反射區域配置包括，控制該等區域關於一反射參考平坦表面之一運動組合。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中控制該受控表面反射元件之該等反射區域運動組合包括，控制該等區域沿該反射元件光軸之平移運動、及/或該等區域之旋轉以獲致關於該反射元件光軸之一傾斜。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其包括提供一可變形受控表面反射元件，該元件具有一連續曲率反射表面，該反射表面包含複數個可運動反射區域，藉由對應之複數個對應運動模組而可各自獨立地運動，該等運動模組包含一中心區域、及相對於該中心區域同心之複數列圓形冠狀扇區。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中該等同心圓形冠狀扇區之列數為6，每列中之圓形冠狀扇區的數量為8，且該等圓形冠狀之高度係在朝該反射元件外側之徑向方向上從第一到第三列、及從第四到第六列呈增加，第四列圓形冠狀扇區之高度係介於第一與第二列圓形冠狀扇區高度之間。
  19. 一種藉由一聚焦雷射光束來雷射加工一金屬材料之機器，該機器特別地用於雷射切割、鑽穿、或熔接該材料，該聚焦雷射光束具有在該金屬材料至少一工作平面處之一既定橫向功率分布，該機器包括：一雷射光束發射源；複數個前導構件，將該發射源所發射之雷射光束沿一光束傳輸光徑前導至配置於該金屬材料附近之一工作頭；複數個準直光學構件，沿入射於該金屬材料上之一光傳播軸來準直雷射光束；複數個聚焦光學構件，聚焦該準直雷射光束於該金屬材料之一工作平面的一區域中，其中該準直光束之至少該等聚焦光學構件係藉該工作頭運載於距該金屬材料一受控距離處；複數個調整構件，用於調整該工作頭與該金屬材料之間的相互位置，適應於沿包括一連串工作區域之該金屬材料上一工作路徑引導該聚焦雷射光束，複數個整形雷射光束光學構件，包含一可變形受控表面反射元件，該元件具有一連續曲率反射表面，該反射表面包含複數個各自獨立可運動反射區域，該等區域被調整成適應於反射該準直雷射光束，該等反射區域之配置被調整成適應於在該金屬材料至少一工作平面處建立一既定光束橫向功率分布；及其特徵在於：一噴嘴，調整成適應於，將一輔助氣體導向該材料上之該 工作區域；及複數個電子處理及控制構件，配置成控制該等反射區域之配置，以在該金屬材料至少一工作平面上建立，以目前工作平面之區域及/或該金屬材料上工作路徑之目前方向為函數的一既定光束橫向功率分布，將該輔助氣流軸相對該金屬材料上一既定工作路徑之平移，偵測該輔助氣流軸之目前位置及/或目前平移方向，且進一步以該輔助氣流軸之偵測目前位置及/或偵測目前平移方向為函數來自動控制該雷射光束之橫向功率分布。
  20. 一種包括一個或更多碼模組之電腦程式，包括指令以導致如申請專利範圍第19項之機器執行如申請專利範圍第1項之方法的步驟，以獲得一既定雷射光束整形。
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