JP6675420B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工装置、特に、特許請求の範囲第１項のプリアンブルに記載のレーザ切断装置に関する。

レーザ光線によるワークの加工のために、作用レーザ光線の生成及び誘導用のアレイを備えた装置が形成されている。レーザ光線は、通常はノズルの開口部を通って相互作用区画あるいは加工区画に誘導される。作用レーザ光線を誘導するためのアレイは、光軸を画定し、少なくとも１つの集束要素、例えば集光レンズ又は切断レンズを開口部の近くに備える。

そのようなレーザ加工装置は、例えば、欧州特許第２６８７３１７Ａ１号に記載されており、作用レーザ光線によるノズルの接触を回避するために、作用レーザ光線に関連してノズルのセンタリングに用いられる観測器アレイもまた開示されている。加工区画の観測は、それに対して提供されておらず、検出機器もまたその観測のために指定されていない。検出器アレイの観測方向は、最善のノズルセンタリングに対して可能な限り同軸に行う必要があり、場合により起こり得る同軸度の偏差は、欧州特許第２６８７３１７Ａ１号の単なる概略図で認識できるように、高性能作用レーザ光線の単なる同軸観測にとって邪魔になることの結果として、やむをえず生じる。そのレーザ光線は、長波長のＣＯ２放射からなるため、厳密には必要ではない、いかなる透過性又は部分透過性の光学系も同軸方向で回避される必要がある。なぜならば、欧州特許第２６８７３１７Ａ１号に従って、加工光線とのいかなる相互作用も回避するために、ノズル先端は、非同軸的に観測されるからである。最後に、最適ノズルセンタリングに関する極角が可能な限り小さくなるように、検出機器もまたノズル先端から遠くに離れ、理想的には集光レンズの後方にある必要がある。

そのような装置を最善の加工結果を達成するために制御できるようにするため、又は少なくとも不十分な加工結果を確認できるようにするために、アレイは、有利には加工工程の監視用に設けられている。

検出器及びセンサを介して、加工プロセスの放射が測定されるか、又はカメラを使用して、相互作用区画若しくは加工区画の画像が撮影される。その際、用途に応じて、紫外又は可視光スペクトルの様々な部分、近赤外又は遠赤外の様々な部分が検知される。測定値から、たいていの場合単なる監視の他に調節のためにもまた使用される、品質パラメータが算出される。

参照文献では、プロセス区画からの放射を加工レーザ光線に対して同軸で又は同心上で（かつ平行に）検知し、（Ｄｅ Ｋｅｕｓｔｅｒ Ｊ．，Ｄｕｆｌｏｕ Ｊ．Ｒ．：Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ ＣＯ２ ｌａｓｅｒ ｃｕｔｔｉｎｇ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ａｎ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ３５（１〜２），１１５〜１２６，２００７に記載のような）光検出器又は（Ｓｉｃｈａｎｉ Ｅ．Ｆ．，Ｄｕｆｌｏｕ Ｊ．Ｒ．：Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ａｄａｐｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｃ０２ ｌａｓｅｒ ｆｌａｍｅ ｃｕｔｔｉｎｇ，Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｄｉａ ５，Ｌａｎｅ ２０１０に記載のような）カメラのうちのいずれか一方を備える検出器が提案されている。その際、プロセス放射は、集束光学系の上方に、したがって、加工ヘッドの保護された内部空間でダイクロイックミラー又は転向有孔ミラーあるいはスクレーパミラーを介して作用レーザ光線の光路から放出される。プロセス区画及び切断ノズルに対する集束光学系の大きな距離に基づいて、それらの小さな開口部は、視野領域をほぼノズル直径に限定し、検知された放射の角スペクトルは、集束光学系のアパーチャに基づいて５°未満である。

フラットベッドレーザ切断装置では、プロセスをプラズマ形成の点から監視することが既知である。通常の加工においてより暗いプロセス光の代わりに明るいプラズマ光を検知することにより、不良品は、（切断ガスに窒素を用いる）レーザ溶融切断では防止できる。そのために切断ヘッド上又は内部に、光検出器が装着され、その信号は、事前に確定された閾値を超えることに関して監視される。しかし、このアプローチは、プラズマ形成なしでの品質欠陥の検知に使用できず、プロセスガスとして酸素を用いて作動する低コストのレーザ燃焼切断では特に使用できない。レーザ燃焼切断法は、主に非合金鉄鋼板の加工において使用され、生産の大部分をレーザ切断装置上で完了する。

レーザ燃焼切断用に特化されていない装置及び方法は、ほんのわずかなものが既知であるのみである。Ｄｅ Ｋｅｕｓｔｅｒ Ｊ．，Ｄｕｆｌｏｕ Ｊ．Ｒ．：Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ ＣＯ２ ｌａ−ｓｅｒ ｃｕｔｔｉｎｇ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ａｎ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ３５（１〜２），１１５〜１２６，２００７は、切断ヘッド内の切断レンズの後方に円周上に配分された３つの光ダイオードを備えたアレイを記載しており、光軸に対する光ダイオードの最低限可能な距離及び切断レンズの上方に配置することに基づいて、放射の検知は、小さな角スペクトルにおいてのみ可能である。品質欠陥の明確な検出は、そのために不可能である。

同軸カメラを用いたプロセス区画の空間分解的観測によるレーザ燃焼切断用の監視法が同様に既知であり、相互作用区画のカメラ映像からデジタル映像加工を使用して、プロセスの特性値は、リアルタイム制御用に計算される。そのために適切なカメラシステムは、欧州特許第１８８６７５７Ａ１号に開示されている。

更に独国特許第１０２０１３２０９５２６Ａ１号では、プロセス中断（Prozessabriss）をレーザ燃焼切断中に検出できる方法が開示されている。プロセス区画のカメラ映像は、プロセス中断を示すドロス液滴の発生に基づいて分析される。レーザ燃焼切断におけるこれらの最悪なすべての品質欠陥は、従来の簡便な光ダイオードシステム及び適切な信号処理アルゴリズムによってもまた検出可能である。それに加えて既に、切り口におけるドロス残留物のほんのわずかな品質欠陥は、不良品をもたらし、開示された方法は、このことを明らかに検出できないと思われる。

以下の先行技術は、レーザ燃焼切断用に特化していない装置及び方法を全体として開示しているが、なぜならば、それらを用いて、適合する監視は不可能であるからである。その事実は、レーザ燃焼切断プロセスを監視できる市販のシステムが今日利用可能ではないことにより裏付けられる。

独国特許第１０２０１１００３７１７Ａ１号では、同軸カメラにより相互作用区画をレーザ切断時に検知し、画像加工を使用して相互作用区画の様々な幾何学的特徴及び隣接する切断スリット縁部を検出する方法及び装置が開示されている。それに由来して、少なくとも１つの切断品質固有値は、計算される。

国際公開第２０１２１４３８９９号では、レーザ加工プロセスを光ダイオード及び様々な波長バンドパスフィルタを備えた検出ユニットにより監視かつ調節する方法及び装置が開示されている。光ダイオードは、側面にあり、プロセス区画に存在する、放出している材料によるプロセス区画からの光は、非同軸ミラーを使用してこの側面の（同様に非同軸の）検出器に誘導される。

欧州特許第２３５７０５７Ａ１号では、検知された検出器信号及び統計モデルにより切断品質を決定できるレーザ加工プロセスの監視及び調節のための方法が開示されている。検出器信号から、参照切断の特性値により規格化される特性値が計算される。多数の統計モデルにより、実際の加工結果の規定の切断品質への割り当て及び加工パラメータの変更の形式での切断品質に属する修正措置への割り当てが決定される。

欧州特許第１２７５４６５Ｂ１号は、参照信号を保存する必要なく、悪い切断品質、特にバリの自動検知用のシステムを記載している。プロセス放射は、部分透過ミラーにより作用光路から分離され、光学フィルタを介して光ダイオード上に誘導される。信号は、デジタルに変換され、バンドパスフィルタにより高周波数領域でフィルタ処理される。それによりドロス残留物又はバリを直接推定できる。

米国特許第７１７３２２７Ｂ２号では、加工プロセスの放出された放射を測定し、それによりレーザ出力及び加工送りを調節できる検出器が開示されている。機械の出荷前の初期化段階では、それぞれの材料に関して、加工品質に対するレーザ出力の特性曲線は、記録される。それぞれの加工の前に、かつ加工中に規則的に、システムは、較正光源により自動的に調整される。

独国特許第１０２００５０２４０８５Ａ１号では、レーザ加工過程の監視あるいは分類用にカメラ及び同軸光検出器を備えるレーザ加工ヘッドが開示されている。

独国特許第１０２０１００２０１８３Ａ１号では、切断スリット幅の決定用にカメラが装備されているレーザ切断ヘッドが開示されている。その際、切断スリットもまた光を当てることができる。

独国特許第１０２０１１００４１１７Ａ１号では、レーザ切断されたワークを点検するための方法が開示されている。（小さな）内部輪郭あるいは穴の切断後、切断ヘッドは、それらの中央に位置付けられ、再度差し込むことにより、脱落部分が外れたかどうかを検査する。差し込み時に排出が生じない場合、穴は、開けられている。類似の方法を、独国特許第１０２０１００３９５２５Ａ１号は、開示しており、その方法に従って、切断された内部輪郭の存在確認は、切断ノズルの距離センサにより検査される。２つの方法は、穴開け薄板が更なる製造工程に進む前に、穴開け薄板の品質管理のために使用される。

米国特許出願第２００４０１９５２１５号ではレーザ距離センサにより、金属及び複合材料のレーザ昇華切断における切断深さは、調節される。その方法は、好適には、エアバッグケーシングの穿孔のために使用される。

国際公開第２０１００５７６６２Ａ１号では、プロセス排出を少なくとも２つの検出器で検知するシステムが開示されている。その際、音響センサ、光センサ及びカメラは、使用できる。元の信号から統計的次元縮小の適切な方法により、特性値は、計算される。専門知識により、レーザ溶接のような製造プロセスは、補助され、かつ更に調節される。

国際公開第２０１２０００６５０Ａ１号では、プロセス区画のカメラ映像から加工品質を人工知能由来の方法により分類し、例えば、レーザ溶接のような製造プロセスを調節するシステムが開示されている。それにより、プロセス安全性及び適応性並びに容易な操作性は、向上される。

最後に、国際公開第２０１５０３６１４０Ａ１号は、単なる放射検出による上述した解決策とは異なり、加工区画の観測のため、それにより相互作用区画の画像を作成するために、設置上の理由からノズル上方にかつ加工光学系の上方にも離れて位置付けられた単一のカメラを備える画像検知装置を開示する。前方にカメラがある撮像光学系は、加工方向とは逆に（すなわち、レーザ加工ヘッドの移動方向とは逆に、したがって、「後方から追随して（schleppend）」）切断スリットを見るために、例えば、偏心絞りにより偏心光束を分離する。その際、１つ以上の画像を非同軸にカメラで撮像するために、場所をとる複雑な撮像光学系もまた必要とされる。

そのようなアレイの欠点のうちの１つは、カメラを作用レーザ光線に対して集光レンズの後方に配置する必要があることであり、これは、最大視野角に関する制約をもたらし、それにより特に燃焼切断プロセスの監視のためには不十分である。切断光学系により、従来のレーザ加工ヘッドは、最大５°の視野角を達成できる。それに対して国際公開第２０１２０００６５０Ａ１号では、１５°までの視野角が取り上げられ、燃焼切断プロセスに対して約１０°が必要である。その結論は、切断レンズあるいは集光レンズが既知の実施形態に対して少なくとも２倍に拡大される必要があったということであろう。これは、確かに原理的には可能であるが、レーザ加工ヘッドの大幅な拡大及び膨大な重量増加をもたらし、したがって、極めて動的なレーザ切断を可能にする細くて軽量のレーザ加工ヘッドを製造することは不可能である。したがって、この解決法は、実際の工業的利用には不適格であると考えられる。

レーザ切断ヘッドに配置されたカメラによる観測角の拡大のための別の選択肢は、国際公開第２０１２０００６５０Ａ１号に従って、切断レンズと同時にそれを通して観測区画に向いていることを提供している。ただし、これは、必要な強度に基づいて実行できないように思われ、発展させて実施されることも全くない。大きな視野角を可能にする言及されていない選択肢は、カメラが前方に配置された撮像光学系と共に部分透過性の傾斜ミラーを切断レンズ又は集光レンズの下方に内蔵することである。ただし、これは、汚染、少ないスペース提供などのような理由から工業的に適するようには実行できない。

国際公開第２０１２０００６５０Ａ１号に開示された方法の更なる欠点は、後方から追随している観測の下で検知されたカメラ画像が顕著な画像特徴をほんのわずかしか含まないことである。それに対応して、切断フロントの角度を推定できるようにするために、既に全画像強度の解析が重要な情報を提供していることが指摘されている。

このような背景の下で、本発明の課題は、特にレーザ燃焼切断プロセスの監視用のアレイを備えたレーザ加工装置であって、例えば、ドロス残留物のような重要な品質欠陥を安定してリアルタイムに、加工プロセス中に検出でき、不良品を防止できるレーザ加工装置、を提供することである。それに加えて、装置は、レーザ燃焼切断の特別な性質に適合されているものとする。本発明の更なる課題は、特にレーザ燃焼切断過程の実行のために、プロセス区画からの放射の可能な限り完全な検知を保証できるようにし、それにより品質特徴の改善された算出を切断過程中に既に様々なレーザ加工法において可能にするように、レーザ加工装置を改良することである。

本課題は、独立請求項の特徴により解決される。有利な発展形態は、図面及び従属請求項において詳述されている。

本発明により、冒頭で特徴付けられたレーザ加工装置は、特にレーザ切断装置に対して、加工過程に関して特徴付けられた放射に対して感度がある検出器アレイの少なくとも１つの群を装備している。この検出器アレイは、少なくとも１つの解析ユニットと接続されており、それぞれの群の検出器アレイは、環状に光軸周りに配置されている。検出器アレイの観測方向は、例えば、円錐形の観測光束の場合にその中心軸という意味で、加工区画に最も近く配置された集束要素と加工区画との間の少なくとも部分領域において作用レーザ光線の光軸に対して５°超の極角で向けられている。その際、大きな極角を有する観測方向を伴うこの部分領域は、好適には、集束要素からより離れた部分領域に、特に加工区画とノズルの下方周辺領域との間の領域にある。その際、特に好ましい実施形態は、観測方向を７°以上の極角で、特に約１０°以上の極角で提供する。

したがって、本発明によるアレイは、加工過程に関して特徴付けられた放射用の放射検出器アレイを提供し、その放射検出器アレイは、手間がかかり、重くかつ多くの設置空間を要求する画像生成光学系を全く必要とせず、より大きな極角からの観測を許容するために、作用レーザ光線用に光学系のアパーチャ拡大もまた必要とせず、したがって、レーザ加工ヘッドは、より大きくもならずあるいはより重くもならない。したがって、監視アレイは、市販のレーザ切断ヘッドに問題なく配置される。最適なプロセス監視は、オンラインで放射検出器により加工区画からの放射の全強度を算出することにより、非常に高い時間分解能を伴って実現できるが、もしそうでなければ、その時間分解能は、高速度カメラを用いてのみ達成できたであろう。

好適には、容易な方法でそれぞれの任意の方向から加工区画の観測を可能にするため、あるいは任意の、また交互の移動方向若しくは送り方向の考慮を許容するため、すなわち、特にそれぞれの時点に加工区画のそれぞれの任意の領域に向けるために、検出器アレイは、光軸に対して同軸かつ実質的に直交する少なくとも１つの円に沿って配置されている。それによりいつでも、完全な切断スリットの観測もまた保証されている。特にそれにより、加工区画は、それぞれの任意の時点で後方から追随して、すなわち、加工ヘッドの移動方向とは反対から見ることができる。その際当然のことながら、それぞれのレーザ加工ヘッドの構造的状態が必須になるとき、検出器アレイの円形状及び／又は同軸度の若干の偏差もまた発生する。

好ましくは、本発明によるレーザ加工装置は、少なくとも１つの光学中間素子が少なくとも１つの検出器アレイ用に、場合により全検出器アレイ用に加工区画に最も近く配置された集束要素と加工区画との間に配置されていることを特徴とする。好適には、この中間素子は、放射用の転向アレイとして、特に反射器アレイ又はミラーとして配置されている。特別な用途に対して、複数の上下に配置されたミラーセグメント又はそのうえ湾曲された自由形状面のアレイは、転向アレイとして有利である。１０°超の観測光束の非常に大きな極角を達成するために、中間素子の装着場所として特に、ノズルの下方周辺領域の内側が設けられるか、あるいはこの周辺領域自体が転向アレイとして、特に反射器として形成される。

本発明の更に好適な実施形態は、その観測方向がノズルの移動方向に対して最大４５°の方位角の領域に、かつノズルの移動方向とは逆に加工区画に向けられている、少なくとも１つの検出器アレイを設けている。その際、「観測方向」という表現は、例えば、検出器アレイの円錐形の観測光束の中心軸もまた含む。この実施形態によりいずれの場合も、加工区画の「後方から追随している」観測は、保証されており、特に８ｍｍ以上の厚い薄板の切断過程では、加工区画若しくは切断スリットの後方領域あるいは下方領域が観測でき、その切断スリットは、ノズルを通して同軸上に視認できる領域の後方あるいは外側にある。

好適には、光軸周りに配置された検出器アレイの群はそれぞれ、少なくとも５組、特に少なくとも８組の検出器アレイを含む。これらは、有利にはアレイの光軸周りで円周上に均等に配分されて配置されており、方位において十分な円周上の解像度を保証する。

本発明の更に有利な実施形態は、少なくとも１つの検出器アレイが１つの検出器と、光学中間素子を備える少なくとも１つのアレイ、好適には、転向アレイと、を備えることが提供される。その際、検出器のうちの少なくとも１つは、その検出器が極角に関して扇形の観測光束を有し、特定の検出器に割り当てられた光学中間素子のアレイが極角に関してこの検出器の扇形の観測光束の異なるセグメントを加工区画の同一領域上へと転向するように形成されている。用語「扇形の」光束は、すなわち検出器アレイの観測放射とも呼ばれる、検出器アレイの観測野が２つの直交方向で大幅に異なることを表現するものとする。更に続いて、用語「光学中間素子」及び「反射器アレイ」、「ミラー」などは、同じ技術的意味で使用され、任意に相互に交換できる。

好ましくは本発明に対して、複数の検出器あるいは中間素子は、実質的に同じ方位角βで光軸周りに設けられており、それらの観測方向は、異なる極角に由来して加工区画へと向けられている。あるいはそれに加えて、検出器あるいは転向アレイもまた、実質的に同じ方位角βで光軸周りに異なる極角間で振幅する場合があり、観測方向は、異なる極角に由来してそれぞれ加工区画上へと向けられる場合もあろう。

更なる実施形態は、複数の転向アレイが異なる方位角βで光軸周りに、好適には、均等に区分されて配置されていることにより特徴付けられてもよい。

本発明によるレーザ加工装置はまた、検出器アレイのうちの少なくとも１つが検出器及び少なくとも１つの光学中間素子を含むように有利に形成することができ、その光学中間素子は、規定の極角で加工区画から放射している放射全体を検出器に導く。そのために、中間素子は、好適には、反射器アレイとして配置されている。

レーザ加工装置の更なる代替実施形態は、検出器アレイが環状に光軸周りに配置された入力部位を放射用に放射誘導アレイ又は更なる転向アレイに含み、かつ入力部位あるいは更なる転向アレイから離れて位置付けられた検出器を含むことを特徴とする。この場合もまた再び有利に、幾何学的配列が選択されており、その幾何学的配列では、加工区画からの放射用の入力部位は、光軸に対して同軸かつ実質的に直交する少なくとも１つの円に沿って配置されている。この場合もまた、複数の重ねて配置された円は、入力部位が検出器アレイ自体に対して可能であるように、これらの入力部位用に可能である。

放射検出器として有利には、光検出器は、特に光ダイオード、熱電対又はラインセンサとして実装されている検出器アレイに使用できる。

好ましくは、検出器アレイは、少なくとも２つの異なる波長領域及び／又は放射種類に対して、好適には、０．７〜１μｍ及び／又は１．４５〜１．８μｍの波長範囲に対して感度がある。これは、検出器自体の形式により、同じく、例えば、検出器アレイの前方あるいは実際の検出器自体の少なくとも前方のスペクトルフィルタによってもまた達成できる。それにより、特に狭い帯域の、かつそれにより特に重要な測定もまた可能である。

検出器アレイの画像品質を最適化するために、検出器の前方又は中間素子の前方に、絞りアレイ、特にスリット絞りを配置してもよい。

有利には、レーザ加工装置の本発明による代替実施形態では、少なくとも単一の検出器及び／又は少なくとも単一の中間素子は、ノズル内に設置してもよいか又はノズル内に形成してもよい。これは、反射器アレイ、特にミラー又はノズル内壁の反射するように実施された領域の形状の中間素子に関して特に有利である。その際、作用レーザ光線の生成及び誘導用のアレイ及びノズルは、好適には、脱着可能に相互に接続されている。

上述したすべての特徴は、切断プロセスの関連品質パラメータの検知を向上させるために、切断スリットの拡大された領域からの放射、すなわち、光軸に対して大きな極角を有する放射を検知できることに寄与する。

レーザ加工過程、特にレーザ燃焼切断プロセスの好ましくはオンラインプロセス制御のために上述した本発明によるレーザ加工装置への補足として、有利には追加的に、光軸に対して平行の観測方向を有する検出器及び光学中間素子を設けてもよい。好ましくはその際、検出器は、加工区画とは反対の集束要素の側面に位置付けられている。同様に好ましくはその際、光学中間素子の配置は、集束要素と加工区画との間で、可能な限りノズルの内側である。しかし再び、この場合もまた、中間素子が少なくとも１つの方位角βに対する検出器の観測方向を作用レーザ光線の光軸に関して５°超の極角に加工区画上への方向に転向することが、特許の本質にかかわる意味内容である。好ましくは、７°以上の極角、特に約１０°以上の極角により加工される。

この補足されたレーザ加工装置に関して、好ましい実施形態は、中間素子が検出器の観測方向をノズルの移動方向に対して最大４５°の方位角βの領域に、かつノズルの移動方向とは逆に加工区画上へと転向することを提供する。その際、中間素子が加工区画からの放射を少なくとも異なる極角から、好適には、異なる方位角βからもまた、光軸に対して平行に配列された検出器に転向することが提供されている。

好ましくは、検出器アレイが作用レーザ光線と並んでかつその伝播方向で集束要素の前方に配置された検出器を含み、検出器の観測方向が少なくとも集束要素の後方で作用レーザ光線の光軸に対して斜めに加工区画上へと延びている、レーザ加工装置もまた提供されている。そのような装置に関して特に有利には、検出器の光軸の延長方向は、作用レーザ光線の光軸に対して斜めである。それにより、検出器、特にカメラの撮像エラーは、比較的容易に除去できる。

更なる代替形態は、検出器の光軸が作用レーザ光線の伝播方向で集束要素の前方では作用レーザ光線の光軸に対して実質的に平行に延び、集束要素の後方では、この要素による偏向後は、斜めに加工区画上へと延びていることを特徴とする。

また本発明の範囲内で、検出器アレイの観測方向がノズルの移動方向に対して逆向きに配列されていることが、提供されてもよい。好ましくはその際、検出器アレイは、作用レーザ光線周りの周囲方向で可動であり、かつ／又は観測方向は、異なる極角を受容できる。

最後に、補足されたレーザ加工の更なる実施形態は、追加的な検出器の観測方向が少なくとも集束要素の後方で作用レーザ光線の光軸に対して２°以上の極角で、好適には、２°〜４°の極角で延びることを特徴とする。

本発明の更なる利点、特徴及び詳細は、図面を参照した本発明の実施例を記載した以下の説明から明らかとなる。その際、特許請求の範囲及び説明で言及された特徴はそれぞれ、それ自体単独で又は任意の組み合わせで本発明の特徴となり得る。

レーザ切断時の影響因子及び品質特徴の図である。 様々な品質の燃焼切断プロセスの概略図である。 切断プロセス状態、切断品質及びプロセス放射の関係に関するダイアグラムである。 レーザ切断プロセスの同軸カメラ画像の図である。 異なる切断品質の試験片の切断面及び切断フロントの撮像である。 切断フロント遅れ量（Schneidfrontnachlauf）の平均値と品質等級との関連の図である。 概略を示した溶融フィルムを伴う切断フロントを貫通する断面並びに本発明による大きな極角及び小さな従来の極角を有する検出器の光路の図である。 左は、切断ノズル下方の４個の光ダイオードの視野の図であり、中央は、異なる切断ノズルにおける１個の光ダイオードに対する視野の図であり、右は、分散光によるシミュレーションの図である。 下方に向かう切断スリットを直接見る極端な場合に対する幾何学的関係の概略図であり、切断方向とダイオード軸との間の臨界角βの計算式を含む。 完全円の切断における８個のダイオードの信号のダイアグラムである。 切断スリット内にドロス残留物を伴う１０°検出器の検出信号の相関関係の図示である。 切断スリット内にドロス残留物がある場合の１０°及び５°検出器の信号の比較の図である。 短時間の切断中断（Schnittabriss）における１０°及び５°検出器の信号の比較との関係の図である。 レーザ切断ヘッドのレーザ光線の放出領域及びプロセス放射の入射領域を貫通する概略断面図である。 切断フロント上の様々な検出器の視野及び、画像の右部分で、ワークの表面上の視野の投影の一般的図示である。 円錐ミラー及び周囲に分配された８個の光検出器を備える例示的な検出器構成の図である。 複数のミラー面及び円筒形状に配置された検出器アレイを備える本発明による検出器アレイの更なる実施形態の図である。 円錐ミラー及びスリット絞りを備える本発明による検出器構成の図である。 自由形態ミラー面を介したカメラへのプロセス区画の上方及び下方領域の撮像のためのアレイの概略図である。 カメラへのプロセス区画の下方領域の偏心撮像のためのアレイの概略図である。

参照符号一覧は、本開示の構成部分である。図面は、明確かつ網羅的に記載されている。同じ参照符号は、同じ構成要素を意味し、異なる添え字を伴う参照符号は、機能的に同じ又は類似の構成要素を示す。

レーザ加工プロセスの観測及び制御のために、非常に特化された装置及び方法が使用され、それらの装置及び方法は、それぞれのプロセス（溶接、切断、穿孔など）の特性に厳密に対応している必要がある。これは、特にレーザ燃焼切断の場合である。先行技術がこれまでにレーザ溶接に関する大部分の解決法を含んでいるが、レーザ切断に関する機能的かつ特化された解決法を含まない、特にレーザ燃焼切断に関して含まないことは、当業者には既知である。

以下ではしたがって、重要な物理学的観点がレーザ燃焼切断のプロセス監視を顧慮して実施される。その際、レーザ燃焼切断用に配置された検出器アレイがレーザ溶融切断用にもまた決定的な利点をもたらすことが明らかとなる。

レーザ燃焼切断プロセス及びその理論に関して、多数の出版物が存在する。ここでは、いくつかの特性及び関連性を非常に具体的に説明している、既に古いが非常に良質の文献、Ａｒａｔａ，Ｙ．，ｅｔ ａｌ．：Ｄｙｎａｍｉｃ Ｂｅｈａｖｉｏｕｒ ｉｎ Ｌａｓｅｒ Ｇａｓ Ｃｕｔｔｉｎｇ ｏｆ Ｍｉｌｄ Ｓｔｅｅｌ，Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ＪＷＲＩ，Ｖｏｌ．８（１９７９）Ｎｏ．２，Ｓ．１７５〜１８６にのみ言及する。

レーザ切断プロセスは、図１に示したように、多数の影響因子に依存する。いくつかの影響因子は、外部から規定されており、例えば、ワーク１の材料品質又は好適にはノズル２の開口部を通して放出するレーザ光線３の光線品質である。例えば、レーザ効率のような別の影響因子は、ＣＮＣ制御により、切断プロセスが可能な限り最適条件下で進行するように適合できる。そのレーザ効率は、プロセスパラメータと呼ばれる。プロセス放射のオンライン測定によりアルゴリズムを使用して、切断品質と相関する信号特性値は、計算される（矢印Ｐ）。

対象にしているレーザ切断プロセスの結果は、特定の切断品質を有する２つの切断面４である。切断品質は、様々な特徴に区分できる。直角度及び粗さの特徴の他に、切断ガスの酸素を用いるレーザ燃焼切断では、ドロス残留物５ａ（図２）もまた品質欠陥として発生する恐れがある。ドロス残留物は、可能な限り防止されるものとする。なぜならば、防止されなければ不良品が発生する恐れがあるからである。

放射又は音のようなプロセス区画からの放出は、切断プロセスの状態に関する情報を含む。プロセス放射は、好ましくは切断ヘッドにおいて適切な位置で検出器を使用して検知される。検出器信号から適切なアルゴリズムにより、切断品質の様々な特徴と相関する特性値は、計算される。

良好な切断品質では、溶融物５あるいはドロスは、切断スリット６から、あるいは加工区画又は切断フロント７から完全に排出される。排出が阻害されている場合、困難度に応じて、ドロス５は、下方切断縁部に接着する又は切断スリット６内に残留する恐れがある。ドロス残留物５ａが分厚く形成されるのは、薄板１が下方切断切り口領域で再び溶着するときである。最も分厚い外見形態は、レーザ光線３が薄板１をもはや完全に切断できないときのプロセス中断である。

図２は、中央の領域に、切断フロント７上に（境界面を固体／液体で）流れるドロスフィルムを伴う、良好な品質の燃焼切断プロセスを示す。ほとんどすべての影響因子は、劣悪な調整では切断品質を損なうおそれがある、したがって、粗い切断をもたらすか又は溶融物排出を阻害するかのいずれかの恐れがある。それに応じて、ドロス残留物５ａのエラーパターンは、多様である。ノズル直径（φＤ）と切断フロント遅れ量（Δｎ_０）との比率は、実物に忠実に図示されている。図２の左側に示したプロセス状態は、例えば、焦点位置の間違った設定の結果として、阻害されたドロス排出を示す。しかし、切断フロント遅れ量は、経験上はまだ、問題のないプロセスの場合と同じ程度の大きさになる場合がある。それとは異なり、図２の右側に示したプロセス状態は、例えば、大きすぎる送りの結果として実現する恐れがある非常に大きな切断フロント遅れ量（Δｎ_１）を示す。それに対応して、ドロス残留物５ａあるいは両方の切断面の再溶着は、大きい。極端な場合には、切断中断となる。

物理的な切断プロセス状態は、その記述のために時間の関数として多数の状態パラメータを必要とする。図３で認められるように、ある部分量は、状態パラメータにより切断品質に反映され、別の部分量は、切断ヘッド内のプロセス放射において視認できる。これらの２つの部分量は、重なり合っているが、完全に等しくはない。検知されたプロセス放射の種類及び検出器の位置に応じて、異なる品質特徴は、程度の差はあるが視認できる。これらの理論的実施は、光検出器だけではなくカメラにもまた適用される。更に、検知されたプロセス放射には、多くの場合、切断品質に反映されない情報もまた含まれている。

主にこれまでは、プロセス区画からの放射を加工レーザ光線３に対して同軸又は同心（かつ平行）に光検出器又はカメラのいずれかにより検知する検出器が使用されている。その際、プロセス放射は、集束光学系の後方にダイクロイックミラー又は転向有孔ミラーあるいはスクレーパミラーを介して作用レーザ光線３の光路から放出される。プロセス区画及び切断ノズル２に対する集束光学系の大きな距離に基づいて、それらの小さな開口部は、視野領域をほぼノズル直径に限定し、検知された放射の角スペクトルは、集束光学系のアパーチャに基づいて＜５°である。これは、レーザ切断プロセスの観測に対して制限を必然的に伴い、その制限は、図４に図示した切断フロントの２つの画像により明示される。画像は、同軸に配置されたカメラにより切断中に検知された。右の（連続的に縁が囲まれた）切断フロント７は、レーザ溶融切断プロセスに由来する。その切断フロントは、かなり垂直に立っており、したがって、非常に短縮されて図示されている。すなわち、切断フロント７の上方領域の非常に多くの情報は、失われている。側壁４に切断フロント７に続いて直接発生する溝形成の観測可能性もまた、短縮された同軸図示により明白に制限されている。切断部６の上縁部に視認できる溝構造のみが解析できる。それに対してレーザ燃焼切断では、図４の左側に示したように、平坦な切断フロント７が発生する。この切断フロントは、ノズル２を通して同軸に完全には視認できないが、適切なプロセス実行に対してかなり大きすぎるノズル２（ノズル２の開口部は、破線で示した）を備える場合を除く。切断フロント７の最下部分は、劣悪なプロセス状態において不良品の原因となるドロス残留物がそこにまさに発生しているにもかかわらず、視認できないままである。

燃焼切断において通常大きな切断フロント遅れ量Δｎに検出器を適合させることは、特にドロス残留物を検出できるようにするために有利であることが実証されている。すなわち、検出器は、本発明による形態により、ドロス残留物が発生する恐れがある切断フロントの下方領域からの放射を検知できる。そのような検出器の利点は、溶融切断プロセスに対してもまた明白である。切断フロント及び発生する切断面の、かなり大幅に短縮されて視認可能であるのみの同軸の上方領域から、本発明による検出器により、より多くの放射は、検知でき、それにより、特に溝発生及びそれによる切断面の粗さは、検出できる。以下では最初に、切断フロント遅れ量と切断品質との関係を説明する。それに続いて、適切な非同軸検出器の実際の特性を説明し、最後に２つの実施例により、本発明による検出器の信号がドロス残留物とどのように相関するのかを説明する。

実験では影響因子及びプロセスパラメータを変化させることにより、異なる切断品質を有する切断試験片が作製された。２０ｍｍの鋼鉄のいくつかの試験片は、図５に例示的に図示されており、それらの切断面及び切断フロントは、はっきり見える。その際、良好な切断品質に対する切断フロント遅れ量は、２．７５ｍｍ又は（大きな）４．２５ｍｍにもまた達する。後者は、高めた切断レンズ吸収による切断時に実現した。右側の２つの切断試験片は、３．５ｍｍの中程度の切断フロント遅れ量の場合だけではなくより大きな５ｍｍの場合でもまたドロス残留物及び溶着を示す。図６は、多数の一連の試験に関して、切断品質等級に依存する切断フロント遅れ量の経過を示し、薄板の厚さ及び品質、試験片温度並びに切断レンズの吸収は、変化させた。切断品質等級は、良好な品質「ＩＯ」の左から始まり、低下する品質へと分類されている。ドロス残留物を伴う等級の特異性について指摘する必要がある。「溶着」の等級に属する切断は、切断スリット内のドロス残留物もまた有する。それに対して切断スリット内のドロス残留物のみが溶着なしで発生する場合、その試験片は、「ドロス切断スリット」の等級に指定される。最も軽度な品質欠陥に関わるドロスは、ドロスのみが薄板の裏面に付着して残っているときである。この場合は、不良品となることが最も少ない。プロセス中断（「未切断」の等級）の場合に対して、切断フロント遅れ量がここでは実際には無限大にまで増加するにもかかわらず、切断フロント遅れ量は、薄板厚の定義ごとに確定される。切断フロント遅れ量と切断品質との関係は、一般的に弱く相関しているのみであることが示された。ただし、切断フロント遅れ量は、例えば、同じ材料のように、特に同じ周辺環境の場合、ドロス残留物と相当に関係している。更に、非常に大きな切断フロント遅れ量は、多くの場合、切断スリット６内のドロス残留物５ａ及び溶着をもたらす。ただし、小さな切断フロント遅れ量においても既に場合により大きなドロス残留物５ａが発生する恐れがあり、逆に非常に大きな遅れ量においても引き続きドロスがない切断が達成されてもよい。そのため、切断フロント遅れ量のみのオンライン測定は、目的に適していないであろう。

以下では、本発明による検出器の光学的特性を説明する。その検出器は、特にドロス残留物を検出するものとし、切断フロントの上述した特性あるいは切断フロント遅れ量に適合されている。

良好な切断品質を有する２０ｍｍの鉄鋼における切断の図７に示した切断フロント７は、例えば、約２ｍｍの小さな切断フロント遅れ量Δｎ_０を有する。これは、図７に示した簡便な三角法の関係に基づいて、５．７°の平均切断フロント傾斜に相当する。切断フロント７は、シュートに類似して半円形に形成され、上方に急勾配で、下方に向かってますます、より平坦に延びる。切断方向に共に移動するこの切断フロント７上で、溶融物あるいはドロス５は、下方に向かって流出する。薄板１の下方領域では、ドロス流は、上方領域よりも明白により厚い。プロセス状態に応じて、ドロス流５の厚さ及び流出速度は、変化する。このときドロス流を観測し、ドロス残留物５ａのような場合により起こり得る異常状態を検出することを望む場合、観測角は、重要である。そのために、プロセス区画７の上方領域及び中間領域のみを観測することは、目的に適しておらず、同軸システムは、その領域に制限されており、多くの場合、切断フロント及びドロス流の最下方領域を観測する必要がある。図６から明らかなような、すべての可能な発生する切断フロント遅れ量を考慮する場合、これらの切断フロント遅れ量は、（プロセス中断を除外して）約２〜６ｍｍの範囲内で動く。ほとんどの場合に溶着をもたらす４ｍｍの切断フロント遅れ量に対して、平均切断フロント傾斜αは、約１１°に達する。これは、本発明により良好な観測方向に相当する。より薄い薄板に対しては、わずかにより小さな切断フロント遅れ量が生じることが自明であり、そのために、良好な切断品質に関する平均切断フロント傾斜は、ほとんど一定のままである。

以下では、１０°の観測方向に対して生じる結果を議論する。結果は、図７では、１０°の極角を有する検出器によりレーザ切断ヘッド９の切断ノズル２を貫通して検知できる光束１０の限界線により示され、５°の極角を有する検出器により検知できる光束１０ａを伴って示された５°の観測方向と比較した。１０°検出器が通常の切断フロント遅れ量Δｎ_０の場合に最下方領域にドロス流５を観察していることが明らかである。１０°検出器を使用して、下方領域内の切断フロント７の変化、あるいは切断フロント遅れ量の変化又は場合により起こり得るドロス残留物の変化は、適切に観測できる。それに対して、５°検出器は、最小切断フロント遅れ量の場合でもまた常に、薄板１の上方領域又は中間領域内の溶融流あるいはドロス流５を観察しており、これは、同軸の場合のように、ドロス残留物の直接観測性を不可能にしている。

検出器の更なる重要な特性は、切断方向の信号に影響されないこと、又は複数の個々の検出器若しくは空間分解撮像の場合、光軸周りの回転に対してすべての個々の信号の不変性であり、これは、切断方向の変化と同じ意味である。例えば、完全円を切断するとき、かつ切断プロセス状態及びそれにより切断されたワークの周囲の品質がどの場所でも同じであるとき、その場合、常に同じ（変換されたあるいは回転された）信号が測定されるはずである。この特性の必要性は、明白であり、先行技術ではかなり以前から求められている。それに対応して、そのための技術解決策もまたかなり以前から既知である。例えば、単一の光検出器を備える検出器アレイの場合、スクレーパミラー又はダイクロイックミラーにより、ミラーに入射する放射に関する画定された極角範囲全体を光ダイオードに向けることができ、これは、切断方向の信号と無関係であるための必要条件である。しかし経験上、そのような単一の信号の情報量は、レーザ燃焼切断により作製されたワークの実際の品質特徴を検出できるようにするためには、例えば、可視光及び近赤外の２つの異なる波長領域を測定する場合であっても、又はそれに加えて、時間高分解スペクトル測定を行った場合であっても、不十分である。

上記で強調した単一検出器の欠点を除外するために、図４に示したように、同軸配置にあるカメラにより加工プロセスを観測することは、容易に考えられかつ先行技術に属する。空間分解情報により、切断フロント及び形成される切断溝の多数の幾何学的特徴は、画像処理を使用して計算できる。それにより、より粗い切断、より幅広い切断スリットあるいは制御されなかった熱処理のようないくつかの品質欠陥は、検知でき、明白に区別できる。それにもかかわらず、ドロス残留物に関する直接の情報は、同軸カメラ画像からは得られない。なぜならば、上述したように、切断フロントの下方領域は、図では見えないからである。

それに対して、本発明による検出器アレイにより、切断フロント及びドロス流の後方領域あるいは下方領域は、直接観測でき（図７）、ドロス残留物を直接推定できる。これがそれぞれの切断方向で機能するためには、本発明で一般的な極角領域からの放射は、方位角で、すなわち、周囲で空間分解して検知する必要があり、それにより、加工区画の方位角で分解された画像が可能となる（図８左）。これは、同軸観測では達成できないが、検出器周りに均等に分配された複数の光ダイオードに光を偏光するミラーを備える本発明による実施形態により達成できる。その際、空間分解能は、別々に配置された検出器に限られる。好ましくは、円錐ミラーが使用され、その円錐ミラーは、弱い集光力にもかかわらず十分な結果をもたらす。特に、作用レーザ光線の光軸周りに、好適には、均等に分配されて配置された、少なくとも５個、好適には、８個の光ダイオードと関連して、統合された放出の条件、すなわち、検出器ミラーに入射するすべての放射の検知は、十分に達成できる。別のミラー種及びミラー形状、例えば、集光セグメントを備えるミラーもまた可能である。

図８は、一般的な切断ノズルに対する薄板表面上の４個の光ダイオードの視野１１を伴う図示を左に示す。その際、直接光のみが考慮された。薄板上の個々の検出器が楕円に類似した（異なる小さな軸を有する楕円セグメントにより画定された幾何学的形状の）視野を有し、その視野は、ほとんど象限を覆っている。数を増やして、５個又は更に望ましい８個の光ダイオードにより、周辺領域全体は、完全に覆うことができる。したがって、検知された放射の方位角分解能は、向上する。しかし重要なことは、１つの視野のみが縮尺に従って記入された切断スリットに合っていること、すなわち、後方で切断スリット内を見ている検出器の視野と合っていることである。別の視野は、薄板表面上の切断スリットに並んで存在する。この状況は、更に以下で図１０について議論する。更に、図８の中央には、異なる切断ノズルの使用時の視野領域が図示されている。重要なことは、燃焼切断において使用される（例えば、図７で明らかな）二重円錐ノズルに関して、内部円錐は、放射の中心領域をアーチ状に隠している一方で、単一円錐ノズルは、薄板表面上でほとんど切断スリットの中央内まで観察していることである。図８の一番右の散乱光図示が示すように、放射の考慮している割合がノズル内面で反射される。ノズルの種類に応じて、直接光に対する反射光の割合は、ノズル２の下側の領域が均等に照らされているとき、約３０％に達する。

図１０から、切断スリットに対して側面かつ前方に向いている光ダイオードでさえ、燃焼切断用に利用されている二重円錐ノズルの場合でも、切断溝からの光を検出できることが認められる。どの場所でも切断スリットに合っていない、これらの光ダイオードの視野領域は、散乱光シミュレーションにより容易にわかるように、切断ノズルの最下方領域において内部表面で反射される放射を検知する。そのように反射された放射は、切削フロントの下方領域からの、主に後方で見ている光ダイオードにより検知される直接放射と同様に、重要な意味を持つ切断品質特徴に関する情報収集に適する。検知された放射及び画像の種類が、ここでは詳細には説明していない、カメラによる単なる同軸撮像では特に発生しない、多くの影響因子（ノズルサイズ、ノズル表面の反射率など）の影響下にあることが自明である。しかし、本発明による検出器アレイのこの外見上の欠点は、適切な評価アルゴリズムにより除外され、ドロス残留物５ａに関する情報は、評価アルゴリズムにより信号から取り除くことができる。

後方で切断スリット内を、すなわち、後方から追随して見ている光検出器に対して、切断方向に応じて、切断上縁部は、深く細い切断スリットのため視線を多少の違いはあるが後方で遮っている。図９に示した幾何学的関係から、また同様に図９で説明された数式から、ダイオード軸に対する切断方向の理論限界角βは、導出できる。作用レーザ光線を誘導するための光学素子、特にワーク１の最も近くに配置された集束光学系の光軸は、１４と表示されている。２０ｍｍの厚さ及び０．７ｍｍの切断スリット６の幅を有するワーク１に対して、円形の円錐ミラー１２（ａ＝１４０ｍｍ、ｒ＝１２ｍｍ）及び実際の検出器として少なくとも１つの光ダイオード１３を備える本発明による例示的な検出器アレイの寸法に関連して、２６°の理論限界角βが生じる。切断方向が光ダイオードの観測方向から２６°以上変動する場合、切断溝の下方端部は、完全に遮られている。このことから、８個の光ダイオード１３を備えるアレイにより例示的に提示された寸法ではそれぞれの切断方向で、切断スリット６の下方端部からの放射を検知できることが実現する。検出器アレイは、上述したように本発明による８個の光ダイオードにより形成されており、方位角で分解した後方から追随してくる後方での切断スリット内への視線及びドロス残留物の切断方向とは無関係の検出を保証する。検出器アレイに８個を超える光ダイオードをもまた備えてもよく、その場合、同時に２個以上の光ダイオードが後方での切断スリット内への直接の視線を保持することが自明である。これは、信号のアルゴリズム的評価にとって有利であってもよい。しかし、特により小さな検出器寸法ａ及びｒの場合に、又は検出器が１つ若しくはいくつかの切断方向でのみ機能せざるを得ない場合に、ドロス残留物の検知が８個未満の光ダイオードによってもまた機能することもまた自明である。

図１０は、本発明による１０°検出器の完全円をもたらすための信号を示す。したがって、後方から追随している、すなわち、後方で配列された光ダイオード１３は、切断方向に対して約３０°あるいは＋／−１５°の範囲で、切断フロント７からの直接光及び切断溝の最下方領域のドロス流５の直接光を観察する。この領域では、信号は、確かに切断速度及び別の影響因子に依存する、明白に高められたレベルを示す。更に、信号動態もまた、この領域で非常に大きく、これは、高い溶融流動態により引き起こされる。この領域は、切断スリット６がより幅広くなるとき、拡張する。９０°に広がった領域では、光ダイオードは、確かにまだ直接切断溝を観察しているが、ただし側壁だけである。この領域（±４５°）では、図８に示したほぼ楕円形の光ダイオード１３の視野領域１１は、いまだに切断スリットと交差している。この領域外では、光ダイオードは、反射光のみを観察し、信号レベルは、明白に低下する。その場合、反射光は、種々の割合からなる混合物である。

以下に図１１と関連して、切断スリット６に散発的に発生するドロス残留物５ａの検出は、１０°検出器の光ダイオード１３を使用して説明するものとする。ドロス５が切断スリット６に堆積する場合、ドロスがない切断スリット又は薄板裏面へのドロス付着とは異なり、後方から追随している信号の明白なジャンプは、明らかである。ドロス残留物５ａは、たとえ完全な溶着あるいは切断中断の最も悪い品質欠陥がまだ発生していない場合であっても、堅さ及び残留物高さに応じて不良品をもたらす。

図１２が証明するように、ドロス残留物５ａの上記の形成は、５°検出器に関しては見られない。これまでのすべての説明から、ドロス残留物のこれらの形成が、光検出器によってもカメラを使用しても同軸観測により検知できないこともまた生じる。重要なことは、１０°検出器において詳細には、後方から追随している後方で見ている光ダイオードが明白な信号ジャンプを有している一方で、直接隣接する光ダイオードが強度上昇を全く記録しないことである。これは、既に上述した特性に基づいて説明でき、それに従って、この光ダイオードは、わずかに切断スリット６の側壁４からの直接光だけを切断フロント７の後方で直接検知し、その切断フロントは、この場合はまだ中程度のドロス残留物により影響を受ける。この状況は、適切なアルゴリズムによりドロスの検出のために良好に利用できる。

切断中断が発生したときには、これは、図１３で認識できるように、従来のほとんど同軸の５°検出器においてもまた、かつ実際に同軸システムの場合でもまた明らかとなる。ただし単一の光検出器が設置されている場合、かつ参照切断に基づいていない場合、この最悪の欠陥においてさえも、擬似エラーが発生する恐れがある。なぜならば、例えば、高められた切断速度又はより広い切断スリットのような別の効果が類似の規模で積み重なる恐れがあるからである。

１０°極角を有する本発明による検出器アレイの特徴は、一般化できる。図１４に非常に簡略化して示したように、ノズルを通して光軸１４に対して≧５°の大きな極角で入射する全放射８は、検知できる。場合により、極角範囲はまた、例えば、≧７°に、又は上記で詳細に説明したアレイのように約１０°に制限してもよい。非常に細長く延びた平坦な切断フロントを伴う特定の適用に対して、＞１０°の極角もまた、有利であってもよい。

この検出器特徴は、切断ノズル２の開口部を通して切断フロント７及びドロス流５の領域を観測することを可能にし、その領域は、光軸１４の外側、従来の同軸システムの観察範囲の外側に離れて存在する。このようにして上述のように、同軸システムに対しては見えないが、不良品の防止のために関連する、プロセス状態に関する追加情報を得ることができる。放射に感度がある検出器表面１３ａは、図１４では円筒形状に示されている。その検出器表面は、好ましくはレーザ切断ヘッド９内に、集束光学系（図示せず）と切断ノズル２との間に存在する。大まかには、この表面は、放射８の空間的入射面として解釈され、この入射面の後方に、任意の光学的、機械的かつ電子的コンポーネントが、放射を偏光、撮像かつ検知するために含まれている。

この基本原理に基づいて、検出器アレイの具体的な態様に関して、例えば、実際のセンサ１３の直接照射を伴う、多くの変形形態が提供されてもよい。ノズル開口部を通して進入する放射８は、照射される表面上に設置されている１つ以上の検出器１３を使用して直接検知できる。検出器１３の配列及び受容角に応じて、ノズル２の開口部からの光のみが適切に検知でき、加工ヘッド９の内壁での所望しない散乱した又は直接の反射は、遮られる。複数の検出器１３は、周囲に配置されてもよい。ノズル開口部の遮蔽作用に基づいて、それぞれの検出器１３は、図１５に示したように、プロセス区画上の検出器固有の視野１１を有する。特に、切断方向で後方で観察するその検出器１３は、切断フロント７の下方部分の放射、特に劣悪なプロセス状態において切断スリットのこの下方領域に残ったままの熱せられたドロス残留物５ａの光もまた取得する。

他方では、１つ以上の光学中間素子１２を介したセンサ１３への放射の転向もまた可能である。有利には、１つ以上のミラー、例えば、既に上述した円錐ミラーは、転向のために使用されてもよいか、又は、レンズ若しくはプリズム若しくは屈折率分布型レンズもまた放射８の転向、偏向若しくは集束のために使用されてもよい。光学中間素子を使用する場合、センサは、加工ヘッド９の任意の位置に、特に作用レーザ光線３の伝播方向でその集束光学系の、特に加工区画に最も接近して位置する集束アレイの最後の要素の前方又は後方のいずれかに配置されてもよい。本発明の有利な態様は、環状に配置された転向ミラーを利用する。それにより、ノズル開口部からの放射は、画定された極角範囲で検出器１３上に適切に誘導できる。基本的に様々なミラー形状が可能であり、最も簡単な形状は、円錐ミラー１２である。別のミラー形状は、個々の検出器１３上への光の集光を、一定の方位角の平面でその平面で凹面ミラープロファイルを使用して、又は光軸に対して直交する平面でそれぞれ１つの検出器上に集光する単一のミラーセグメントを使用してのいずれかで、可能にする。

図１６に示したように、１０°＋／−約１°の通常の極角範囲からの放射１０は、単純な円錐ミラー１２により１つの、好適には、複数の検出器１３上で撮像できる。個々の光検出器１３は、好適には、図１６の右側部分に示したように、周囲に均等に分配されている。合理的な周辺解像度あるいは方位角解像度は、上記で更に誘導されたように、例えば、８個のセンサ１３により可能である。より大きな極角範囲を検出器１３上に結像するために、図１７に例示的に示したように、更なるミラー面１２ａは、ノズル２の領域にかつ／又はセンサの上方ではあるが集束光学系のまだ下方に設置してもよく、その集束光学系は、放射を同じ検出器１３上に又はその高さあるいは光軸方向１４に配置された複数の検出器１３上若しくはセンサ１３ｂの列上のいずれかに、反射できる。この場合、複数の、好適には、８個、若しくはそれ以上のラインセンサ１３ｂ、又は単一センサ１３の直交アレイは、ノズル開口部から同じ距離で周囲に分配されて配置されている。加工ノズルの上方の複数のミラー要素１２ｂの他に、小さなミラー面１２ａもまた加工ノズル２内に設置されてもよい。複数の検出器１３を周辺にかつ光軸方向に配置することにより、又は複数のラインセンサ１３ｂを配置することにより、検出器アレイが生じる。この検出器アレイにより、プロセス区画の方位及び半径方向の空間分解画像は、検知できる。更に、放射が２つ以上のミラー１２ａ、１２ｂを介して、放射がセンサ１３、１３ｂに当たる前に、連続して転向されてもよいことが考えられる。

検出器アレイは、様々な光学中間素子、例えば、円錐ミラー、セグメントミラー又は絞りを観測光路に備えてもよい。従来のセンサの代わりに、放射はまた、光ファイバケーブルに入射されて、どの場所で光検出器上に誘導されてもよい。好ましい実施は、ファイバ端部を直線状に配置してラインセンサ上に誘導するか、又は方形ブロックとして表面センサ上に誘導し、それにより、高い解像度が実現可能である。

これまで、ノズル２の開口部は、入射瞳として作動する単一絞りである。それにより実現可能な解像度は、特に光線軸に対して垂直にあるいは方位角方向に制限されている。高い方位角解像度あるいは周辺解像度を実現するために、転向ミラーの前方に絞りを設置する必要がある。好ましくは、これは、図１８に記載のスリット絞りにより達成される。この場合は、環状の円錐ミラー１２と、リング１５の周囲に沿って分配されたスリット絞り１６を有する円錐ミラーの前方に設置されたリング１５と、を備える検出器構成が図示されている。加工ノズル２を通って入射する放射８は、スリット絞り１６を通って円錐ミラー１２に到達し、この円錐ミラーにより、例えば、センサリング１７上のセンサ１３上に反射される。

異なる感度領域を有する検出器１３が放射波長に関して調整されてもよいことは自明である。例えば、可視波長領域に対してはケイ素検出器、近赤外領域に対してはインジウムガリウムヒ素検出器（ＩｎＧａＡｓ）。そのほかに、紫外放射用のセンサ及び遠赤外放射用の熱検出器並びに狭い波長領域用のプレフィルタもまた使用できる。好ましくは、波長領域は、０．７〜１μｍ及び／又は１．４５〜１．８μｍである。最初の場合は、フィルタ処理されていない変形形態とは異なり、日光感受性が存在せず、対応する波長領域は、高温測定の観点から非常に良好であり、加えてこの場合は、ケイ素検出器により処理できる。ＩｎＧａＡｓ検出器により測定可能な、いくらかより広い波長の２つ目の領域は、この波長領域における異なる放射率に基づいて、流動金属に対してドロスを良好に区別できることを可能にする。

本発明の様々な様態に基づく上記の別々の検出器装置のうちの更なる装置を図１９に示す。従来のようにプロセス区画をノズル周辺部まで撮像するために、カメラ１９を備える従来の検出器アレイは、同軸配置でかつ集束光学系１８の後方で使用される。加工区画の同軸で視認できない部分は、ここでは適切に湾曲させた反射する自由形状面１２ａを介して自由なカメラ検出面上に、プロセス区画の同軸画像を除いて結像される。撮像特性に基づいて、ミラー面１２ａは、プロセス時に近くに位置付ける必要がある。それにより、汚染のリスクは、増加する。そのため、本発明の特に有利な態様は、ミラー面１２ａを定期的に交換される加工ノズル２に一体化することである。

図２０は、更なる類似の実施形態を示す。作用レーザ光線３の光軸１４に対して５°以上の極角で観測方向を有する上述した実施形態に対する追加的な検出器アレイとして、例えば、プロセス区画７上の直接の視線を有するカメラ１９が使用される。しかし、このカメラは、従来の方法では作用レーザ光線の光軸１４に対して同軸に配置されておらず、その代わりに図２０に示したように、作用レーザ光線３の光軸１４とカメラの光軸あるいはカメラの観測方向との間に、オフセットを有する。その際、カメラ１９は、作用レーザ光線３の伝播方向で、集束要素、例えば、レンズ１８の前方に存在する。それにより、適切な光学フィルタを使用して、切断フロントの下方端部は、カメラ画像から直接、デジタル画像加工を使用してリアルタイムに、明るい切断フロント７と、例えば、暗い切断スリット６との間の遷移部として検出できる。その際、カメラ１９の観測方向は、少なくとも集束要素１８の後方で作用レーザ光線３の光軸に対して斜めに加工区画上へと延びる。それに加えて、検出器の光軸、例えば、カメラ１９自体の光軸は、作用レーザ光線３の光軸１４に対して斜めに延びる。

レーザ加工ヘッドを非常に細く作製する実施を可能にする更なる実施形態は、カメラ１９を備え、そのカメラの光軸は、作用レーザ光線３の伝播方向で集束要素１８の前方に、作用レーザ光線の光軸１４に対して実質的に平行に伸びる。集束要素１８に続いて逆に、観測方向は、斜めに加工区画上へと延びる。その際、集束要素１８により、斜めに進入する検出された放射のカメラ１９上への偏向もまた遂行される。

レーザ燃焼切断の物理学的観点について上述したように、切断フロント遅れ量Δｎは、ドロス残留物５ａと相関する。すなわち、切断フロント遅れ量は、所定の閾値を越えて、ドロス残留物のリスクは、高まっている。カメラ画像からリアルタイムで検出される切断フロント遅れ量を所定の設定値に制御することは、特に有利である。

カメラアレイ１９は、好適には、カメラの観測方向がノズル２の移動方向に対して逆に向けられているように配置されている。特に好ましくは、ノズル２の任意の、また交替する移動方向あるいは送り方向を考慮するために、カメラアレイ１９が切断方向に対応して一緒に回転されることが可能であり、その結果、観測方向８は、常に切断方向とは逆に後方へ切断スリット内に向けられている。加工されることとなる材料に対して一般的な切断フロント遅れ量の値に応じて、オフセットｒは、異なって設定されてもよく、その結果、作用レーザ光線の光軸１４とカメラ１９の光軸との間の極角Φもまた、異なる値を受容してもよい。最大極角Φは、作用レーザ光路の間にある光学系のアパーチャにより制限される。更に画像エラーの修正のために、カメラ軸は、容易に傾けることができる。

本発明の特に有利な態様は、オフセットｒを調節ユニット、例えば、ステップモータを使用してリアルタイムに、画定された上限まで、検出された切断フロント遅れ量に適合させることである。それにより、切断フロントの検出されることとなる端部がカメラの撮像範囲の外へ移動しないことが確実となる。それにもかかわらず切断フロント縁部が撮像範囲外に移動した場合は、切断フロント遅れ量の制御されない観測の場合又は突然発生した切断プロセス妨害によるアクティブ制御時のいずれかでは、５°以上の極角範囲を有する本発明による検出器装置は、発生している品質欠陥を検出できる。

１ ワーク、薄板
２ 切断ノズル
３ 作用レーザ光線
４ 切断面
５ 溶融物、ドロス（５ａドロス残留物）
６ 切断切り口
７ 切断フロント、加工区画又はプロセス区画
８ 通常の観測方向又は検出器の光束
９ レーザ切断ヘッド
１０ １０°検出器の光束（１０ａ ５°検出器の光束）
１１ 検出器の視野
１２ 光学中間素子、特に円錐ミラー（１２ａ、１２ｂミラー素子）
１３ 光ダイオード（１３ａラインセンサ、１３ｂセンサライン）
１４ 作用レーザ光線の光軸
１５ 絞りリング
１６ スリット絞り
１７ センサリング
１８ レンズ
１９ カメラ
Ｐ プロセス管理
Δｎ 切断フロント遅れ量又はレーザ切断プロセスの遅れ（Schlepp）（Δｎ_０通常の形成、Δｎ_１大きすぎる形成）
β 検出器の観測方向と切断ノズルの切断方向あるいは移動方向との間の方位角

Claims (19)

1. 作用レーザ光線（３）の生成及び誘導用の集束要素（１８）と、前記作用レーザ光線（３）の加工区画への放出用の開口部を備えるノズル（２）と、を備え、前記集束要素（１８）において、光軸（１４）が画定され、前記集束要素は、前記作用レーザ光線（３）を集束する少なくとも１つの集束要素（１８）を前記ノズルの前記開口部の近くに備え、かつ加工過程を監視するための要素を備えるレーザ加工装置であって、
   前記レーザ加工装置は、少なくとも一つの中間ミラー（１２）及び少なくとも一つの検出器（１３）の組み合わせからなる少なくとも一つの検出器アレイ（１２、１３）を備え、前記検出器アレイは、それぞれの検出器アレイ（１２、１３）を環状に前記光軸（１４）周りに配置されており、前記検出器アレイ（１２、１３）の観測方向（８）は、前記加工区画に最も近く配置された前記集束要素（１８）と前記加工区画との間の少なくとも１つの部分領域で、前記作用レーザ光線（３）の前記光軸（１４）に関して５°（１０ａ）超の角度（Φ_１）で配向されており、
   検出器アレイ（１２、１３）は、前記加工区画から前記加工過程を特徴付ける放射に対して感度があり、
   検出した信号に基づいて、適切なアルゴリズムを用いて切断品質の種々の特徴と相関している特性を算出する、少なくとも１つの評価ユニットを備えることを特徴とする、レーザ加工装置。
2. 少なくとも１つの中間ミラー（１２）は、少なくとも１つの検出器アレイ（１２、１３）用に、前記加工区画に最も近く配置された前記集束要素（１８）と前記加工区画との間に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 少なくとも１つの検出器アレイ（１２、１３）が設けられており、その観測方向（８）は、前記ノズル（２）移動方向に対して最大４５°の方位角（β）の領域に、かつその移動方向とは逆に加工区画に向けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記光軸（１４）周りに配置された検出器アレイ（１２、１３）のそれぞれは、少なくとも５個の検出器アレイ（１２、１３）を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
5. 少なくとも１つの検出器アレイ（１２、１３）が、１つの検出器（１３）及び中間ミラー（１２）を有する少なくとも１つのアレイを備え、前記検出器（１３）は、前記角度（Φ）に関する扇形状の観測光束を受光し、前記中間ミラー（１２）の前記アレイは、前記角度（Φ）に関してそれぞれの所定の扇形状の観測光束の異なるセグメントを前記加工区画の同じ領域上へと転向することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
6. 複数の検出器（１３）あるいは中間ミラー（１２）は、実質的に同じ方位角βで前記光軸（１４）周りに設けられ、異なる角度からのそれらの観測方向（８）は、前記加工区画上へと向けられているか、又は検出器（１３）あるいは中間ミラー（１２）は、実質的に同じ方位角βで前記光軸（１４）周りに異なる角度間で振幅し、かつ異なる角度からのそれぞれの前記観測方向（８）は、前記加工区画上へと向けられていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
7. 複数の中間ミラー（１２）は、異なる方位角βで前記光軸（１４）周りに配置されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
8. 前記検出器アレイ（１２、１３）のうちの少なくとも１つは、１つの検出器（１３）及び、規定の角度で前記加工区画から放射している放射全体を前記検出器（１３）に導く少なくとも１つの中間ミラー（１２）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工装置。
9. 前記検出器アレイ（１２、１３）は、環状に前記光軸（１４）周りに配置され、かつ前記光軸（１４）に対して同軸かつ実質的に直交する少なくとも１つの円に沿って配置された入力部位を放射用に放射誘導アレイ又は更なる転向アレイに含み、かつ前記入力部位あるいは前記更なる転向アレイから離れて位置付けられた検出器を含むことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
10. 前記検出器（１３）は、特に光ダイオード、熱電対又はラインセンサとして実装されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
11. 前記検出器（１３）は、少なくとも２つの異なる波長領域及び／又は放射種類に対して、０．７〜１μｍ及び／又は１．４５〜１．８μｍの波長範囲に対して感度があることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
12. 前記検出器（１３）の前又は前記中間ミラー（１２）の前に、絞りアレイが配置されていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
13. 少なくともいくつかの検出器（１３）及び／又は中間ミラー（１２）が前記ノズル（２）に設置されているか、又は前記ノズル内に形成されており、作用レーザ光線の発生及び誘導用の前記集束要素及び前記ノズル（２）は、脱着可能に相互に接続されていることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
14. 追加的に、前記光軸（１４）に対して平行な観測方向を、前記集束要素（１８）の前記加工区画とは反対側に有する検出器（１９）及び中間ミラー（１２）は、前記集束要素（１８）と前記加工区画との間に位置付けられており、前記中間ミラー（１２）は、少なくとも１つの方位角βに関する前記検出器（１９）の前記観測方向（８）を前記作用レーザ光線（３）の前記光軸（１４）に関して５°超（１０ａ）の角度に、前記加工区画上への方向で転向することを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
15. 前記中間ミラー（１２）は、前記検出器（１９）の前記観測方向（８）を前記ノズル（２）の移動方向に対して最大４５°の前記方位角βの領域で、かつその移動方向と逆に前記加工区画上へと転向し、前記中間ミラー（１２）は、前記加工区画からの放射を少なくとも異なる角度から、前記光軸（１４）に対して平行に向けられた前記検出器（１９）上に転向することを特徴とする、請求項１４に記載のレーザ加工装置。
16. 前記検出器アレイは、前記作用レーザ光線（３）と並んでかつその伝播方向で前記集束要素（１８）の前方に配置された追加の検出器（１９）を含み、その検出器の観測方向は、少なくとも前記集束要素の後方で前記作用レーザ光線（３）の前記光軸（１４）に対して斜めに前記加工区画上へと延び、前記検出器（１９）の前記光軸は、前記作用レーザ光線（３）の前記光軸（１４）に対して斜めに延びていることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
17. 前記検出器（１９）の前記光軸は、前記作用レーザ光線（３）の伝播方向で前記集束要素（１８）の前方では前記作用レーザ光線（３）の前記光軸（１４）に対して実質的に平行に延び、前記集束要素（１８）の後方では、この要素による偏向後は、斜めに前記加工区画上へと延びていることを特徴とする、請求項１６に記載のレーザ加工装置。
18. 前記検出器（１９）の前記観測方向（８）は、前記ノズル（２）の移動方向に対して逆に向けられており、前記検出器（１９）は、周囲方向で前記作用レーザ光線（３）周りに移動可能であり、かつ／又は前記観測方向（８）は、異なる角度（Φ）を受容できることを特徴とする、請求項１６又は１７に記載のレーザ加工装置。
19. 前記追加的な検出器（１９）の前記観測方向は、少なくとも前記集束要素（１８）の後方で前記作用レーザ光線（３）の前記光軸（１４）に対して２°以上の角度（Φ）で延びることを特徴とする、請求項１６〜１８のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。

Images