本發明涉及工件的激光加工領域，優選地涉及金屬工件的激光切割。特別是，本發明涉及激光加工頭，其具有用于使激光束在激光加工頭內偏轉的掃描儀單元。

背景技術：

1、例如，從wo2019145536a1已知用于借助于掃描儀裝置使激光束在激光加工頭中偏轉的技術。此外，還已知下述系統，在該系統中使用僅一個可運動地受支承的反射鏡使激光束在兩個空間方向上偏轉。在de10027148a1和ep4000789a2中描述了這種單反射鏡掃描儀的示例。

2、在使用激光掃描儀進行材料的加工時，在激光功率增加的情況下，特別是由于光學元件上的熱負荷的增加，在射束偏轉光學元件(特別是掃描儀反射鏡)的運動速度以及過程穩定性方面存在原則性的限制。相關聯地，掃描儀系統的易污染性也很關鍵。

3、本發明基于改進現有技術的目的。特別是，通過激光加工頭內、特別是激光切割頭內的掃描儀裝置使激光束的偏轉速度的增加成為可能。同時，降低了靈敏的掃描儀設備在kw和多kw范圍內的高激光功率下的敏感性。

技術實現思路

1、為了實現本發明所基于的目的，根據第一方面，提供了一種激光加工頭，其包括：掃描儀單元，所述掃描儀單元布置在激光加工頭的光束路徑中并且具有能繞(至少)兩個旋轉軸線翻轉地受支承的掃描儀反射鏡。激光加工頭通常是激光加工系統的一部分，其中，激光束經由激光加工頭聚焦并被指向到待加工的工件上。在激光加工頭的運行期間，通過翻轉運動可將射到掃描儀反射鏡上的激光束偏轉。掃描儀反射鏡繞旋轉軸線中的每個旋轉軸線的預限定的翻轉角可以相對于平衡位置(ruhelage)為至多±2°、優選地至多±0.3°。

2、掃描儀單元布置在激光加工頭中，使得通過(走過)光束路徑的激光束相對于掃描儀反射鏡的面法線以至多30°、優選地至多22.5°、更優選地至多15°的入射角射到掃描儀反射鏡上。激光束在掃描儀反射鏡上的預確定的入射角可以相對于掃描儀反射鏡的平衡位置(或零位置)適用。換句話說，如果掃描儀反射鏡相對于平衡位置的最大偏轉為2°，則在激光加工頭的運行期間激光束在掃描儀反射鏡上的入射角可以為至多32°、優選地至多24.5°、更優選地至多17°。

3、由于激光束在掃描儀反射鏡上的入射角減小，激光束在掃描儀反射鏡上的投影可以保持得小。由于相對緊湊的射束斑，與具有較大入射角的系統相比，掃描儀反射鏡在尺寸方面可以定得較小，這也減小了其質量。掃描儀反射鏡的質量越小，其可以加速或減速得越快，因此掃描儀單元的動態性越高并且激光束的潛在偏轉速度越高。

4、根據優選的變型，激光加工頭還包括：準直單元，其被設計成用于使進入光束路徑中的、發散的激光束準直。準直單元優選可以是準直透鏡，其在激光加工頭的光束路徑中優選地布置在發散的激光束的入口之后。在準直單元的下游，激光加工頭可以具有：偏轉單元，其被設計成用于使經準直的激光束偏轉到掃描儀反射鏡上，使得經準直的激光束以預給定的入射角射到掃描儀反射鏡上。偏轉單元優選可以是偏轉反射鏡。偏轉反射鏡優選可以以預給定的固定角度布置在激光加工頭的光束路徑中。在掃描儀單元的下游，激光加工頭還可以具有：聚焦單元、特別是聚焦透鏡，其被設計成用于接收被掃描儀單元偏轉的激光束并將該激光束聚焦到目標對象上。特別是，目標對象可以是板狀或管狀、特別是金屬的工件。例如，激光束可以聚焦到工件的表面上。激光加工頭中的光束路徑的射束入口和射束出口通常彼此平行或彼此垂直布置。通過在激光加工頭的光束路徑中布置偏轉單元，可以實現在掃描儀反射鏡上的預給定的入射角。

5、準直裝置優選可以具有f≤100mm、優選地f≈70mm的準直焦距。

6、優選地，準直單元可以在沿著光束路徑的方向上(光束路徑的縱向)和/或在橫向于光束路徑的方向上能移位地布置在激光加工頭中。替選地或附加地，偏轉單元可以可旋轉地或可樞轉地支承在激光加工頭中。激光束可以借助于光纖線纜供應至光學組件。光學線纜與光學組件之間的、特別是可以被設計為插頭插口的接口同樣可以被布置成可移位的。通過輸入接口、準直單元和/或偏轉單元的的可調節的布置，激光束、特別是激光束的射束質心可以與掃描儀反射鏡的中心精確地對準。這支持具有窄公差的掃描儀反射鏡的孔徑設計，這對掃描儀反射鏡的尺寸并且因此對掃描儀反射鏡的質量具有有利的影響。特別是，激光束的輸入接口和/或準直單元可以垂直于或者說橫向于光束路徑能移位和/或偏轉單元可以可旋轉地受支承。掃描儀單元優選可以在激光加工頭內固定布置，特別是固定布置在由激光加工頭的(特別是切割噴嘴的)射束出口開口限定的軸線上。替選地，掃描儀單元也可以布置成以可移位以及/或者可旋轉的方式支承在激光加工頭中。

7、除了上述變型之外，激光加工頭還優選可以包括擴寬單元(aufweitungseinheit)或者說射束擴寬單元、特別是擴寬透鏡。擴寬透鏡優選可以被設計為負透鏡。擴寬單元可以布置在掃描儀單元與聚焦單元之間。擴寬單元優選可以具有在f＝-40mm與f＝-200mm之間的焦距，特別是具有f≈-50mm的焦距。具有擴寬單元或者說射束擴寬單元的這種布置可以有利于調設到預確定的成像比，同時保持射束擴寬單元之前的相對較小的射束直徑。小的射束直徑又有利于小的掃描儀反射鏡孔徑的設計。在激光加工頭被設計為用于激光燃燒切割或激光熔化切割的激光切割頭時，則例如可能期望整個光學組件具有1.5的成像比。在使用具有相對較短的焦距(例如f＝70mm)的準直單元的情況下，當使用常規的且必然同樣相應短焦距的聚焦透鏡(例如f＝105mm)時，這將引起若干設計沖突。因此，包括擴寬單元和隨后的聚焦單元的聚焦透鏡組件的工件側切割寬度優選可以被設計成使得最后的光學元件距激光切割頭的切割噴嘴具有在結構上足夠大的距離。

8、擴寬單元可以在沿著光束路徑的方向上能移位地、優選能馬達式移位地布置在激光加工頭中。由此可容易地改變激光束的焦點位置。例如，在被設計為負透鏡的擴寬單元的移位之間的轉換比可以被選擇成，使得負透鏡縱向移位±5mm引起焦點位置移位+10mm至-30mm。

9、掃描儀單元優選可以在激光加工頭中懸置布置。換句話說，在激光加工頭的運行期間，掃描儀反射鏡的反射面在主要的加工位置中能夠至少部分地向下(在重力方向上)指向。掃描儀單元在激光加工頭中的這種懸置布置可以降低掃描儀單元的易污染性。

10、準直單元優選可以被設計為準直透鏡。準直透鏡優選可以在激光加工頭中直立布置。應當理解，該表述涉及在激光加工頭的運行期間激光加工頭的一種優選取向。準直透鏡的“直立”或豎直布置通常比水平布置更不易受到污染。

11、如上面已經提及的，激光加工頭可以包括連接插口，用于使激光束進入激光加工頭的光束路徑中。連接插口優選可以水平地或者向下指向地布置在激光加工頭上。在這里，位置描述也又涉及激光加工頭在優選運行狀態下的取向。相關聯地，連接插口的水平取向是特別優選的，因為這在實踐中已被證明更不易受到污染。另外，連接插口的水平取向有利于準直透鏡的直立布置。因此，總體而言可以優選的是，以所謂的“德爾塔彎折(delta-faltung)”將掃描儀單元集成至激光加工頭中。在此，連接插口垂直于激光束從激光加工頭射出的出口開口布置。在經由連接插口進入之后，激光束被準直并且然后經由偏轉單元(例如以60°)和掃描儀單元(例如以30°)偏轉兩次。

12、同樣如上面已經提及的，激光加工頭優選可以被設計為激光切割頭。作為激光切割頭，激光加工頭包括至少一個切割噴嘴和過程氣體供應部，其中，激光束與過程氣體一起穿過切割噴嘴被指向到待加工的對象、特別是板狀或管狀、優選是金屬的工件上，并且其中，激光束通過掃描儀單元在切割噴嘴的出口開口內可運動。激光束可以在切割噴嘴的出口開口內運動的運動區間在橫向于噴嘴縱軸線的方向上可以直至3mm、優選地直至2.5mm。這種小的射束偏轉可以借助于掃描儀反射鏡的非常小的運動來實現。通過小的反射鏡運動，也限制了在反射鏡表面上的射束投影的橢圓形伸展。由此又可將反射鏡尺寸并且因此將反射鏡質量保持得小，由此增加了反射鏡運動的動態性或者說速度。

13、為了實現本發明所基于的目的，根據第二方面，提供了一種用于根據上述變型中的一種變型所述的激光加工頭的掃描儀單元。掃描儀單元包括掃描儀反射鏡。掃描儀反射鏡優選可以具有圓形或近似圓形的橫截面。掃描儀單元還包括驅動單元，用于使掃描儀反射鏡繞(至少)兩個旋轉軸線翻轉。這些旋轉軸線優選可以彼此垂直布置。

14、此外，掃描儀單元包括：光闌(blende)，其布置在掃描儀反射鏡的在掃描儀單元運行期間面對激光束的反射側，其中，該光闌具有漏斗形內壁，并且其中，內壁的傾斜角相對于掃描儀反射鏡的面法線為至多30°、優選地至多22.5°、更優選地至多15°。通過光闌的設計，例如散射輻射被攔住并且入射的激光束射到掃描儀反射鏡上的投影被限制。此外，驅動單元被遮蔽免受入射激光束的影響，并且因此受到保護。總體而言，由此為以下目標提供了前提條件：將掃描儀反射鏡的橫截面保持得小并從而減小其質量并提高反射鏡運動的速度。

15、掃描儀反射鏡與邊框和驅動單元一起例如可以如ep4000789a2中所描述的來設計，其中，掃描儀驅動器的磁體對優選地布置在反射鏡邊框上。

16、光闌優選地由具有良好熱傳導特性的材料、例如金屬或金屬合金制成。特別是，光闌可以由鋼制成。以這種方式，光闌可以附加地用于將例如由于散射輻射而到達所述系統中的熱量送走。由此，可以保護掃描儀反射鏡的邊框和掃描儀驅動器免于過熱。

17、掃描儀反射鏡的孔徑(apertur)優選可以為激光束在反射面上的投射面積的1.2至1.8倍大、優選地1.5倍大，其中，為了確定投影面積，可以使用例如二階矩法。當前，掃描儀反射鏡的孔徑特別是由反射鏡邊框的內徑來預給定。通過掃描儀反射鏡的孔徑的與激光束的投影面積相比的優選的最小尺寸，可以防止由于邊緣場引起的衍射效應和反射鏡邊框變熱。

18、為了確保掃描儀反射鏡的運動自由度，光闌通過縫隙與掃描儀反射鏡的表面(反射面)間隔開。該縫隙優選地應當保持盡可能小，并且在掃描儀反射鏡的中立位置或者說平衡位置中例如可以為<10mm、優選地≤1.5mm。通過使縫隙最小化，可以使光闌的遮蔽效果最大化。

19、所述光闌優選地具有比掃描儀反射鏡的孔徑小的光闌開口。以這種方式，即使在激光束未對準地入射的情況下也可以確保反射鏡邊框和驅動單元的遮蔽。優選地，掃描儀反射鏡的孔徑和光闌開口可以各自具有圓形輪廓，其中，掃描儀反射鏡的孔徑大于光闌開口的最小內徑。在此，掃描儀反射鏡的孔徑可以特別是由反射鏡邊框的內徑來預給定，掃描儀反射鏡支承在所述反射鏡邊框中。

20、掃描儀反射鏡優選可以包括反射鏡基底，該反射鏡基底由透明材料、特別是石英玻璃制成。在激光束射到反射面上時不可避免的、激光輻射穿過掃描儀反射鏡的殘余透射可以通過該方式有針對性地被傳導至掃描儀反射鏡的背面。由此可防止在反射鏡邊框和驅動單元的方向上的橫向熱量導出。反射鏡基底優選地具有至多1:10的厚度與直徑之比。由此可確保掃描儀反射鏡的必要剛性。例如，掃描儀反射鏡可以具有25mm的直徑和2.5mm的厚度。

21、掃描儀反射鏡還可以具有氧化干涉涂層。

22、掃描儀單元還可以具有：熱量導出元件，其布置在掃描儀反射鏡的背面，其中，熱量導出元件通過縫隙與掃描儀反射鏡的背面或者說與邊框機構間隔開，該縫隙恰好大到確保掃描儀反射鏡與邊框機構一起繞旋轉軸線的自由翻轉。也可以被稱為熱沉或冷卻體的熱量導出元件之間的縫隙優選地至多3mm、更優選地至多1mm，例如約0.8mm。以這種方式，一方面，掃描儀反射鏡的運動自由度不會受到影響，并且另一方面，通過自然對流或強制對流能實現從掃描儀反射鏡經由熱量導出元件導出熱量。熱量導出元件優選地具有錐形區段，該錐形區段銜接到圓柱形區段，其中，圓柱形區段布置在由掃描儀反射鏡的背面和反射鏡邊框形成的槽口中，掃描儀反射鏡支承或者說緊固在所述反射鏡邊框中。熱量導出元件與反射鏡邊框之間的側向距離優選可以為至多3mm、更優選地至多1mm，例如約0.8mm。熱量導出元件優選地由具有良好熱傳導特性的材料、特別是金屬或金屬合金制成。熱量導出元件優選地由鋼制成。熱量導出元件有助于高效地從掃描儀反射鏡導出熱量，并且特別是保護精細的反射鏡邊框和驅動單元(參見ep4000789a2)免受由于熱過載而引起的損壞。

23、根據另一優選的變型，光闌和/或熱量導出元件可以是能主動冷卻的。例如，光闌和/或冷卻體可以各自具有一個或更多個冷卻通道，其中，冷卻流體可以流過冷卻通道。通過主動冷卻可以將基于不希望的輻射——其例如由于光束路徑中的散射光、由于光學邊界面或過程回饋的定向反射引起——而輸入至掃描儀單元中的熱量更高效地導出。

24、此外，可以使冷卻氣體在熱量導出元件與由掃描儀反射鏡和反射鏡邊框構成的單元之間的縫隙中循環，以進一步改善這些部件的冷卻。

25、為了監測其運行狀態，可以借助諸如熱電堆的熱傳感器無接觸地監測掃描儀單元。借助熱電堆例如可以監測掃描儀反射鏡的背面或邊框機構或掃描儀反射鏡的懸架的熱變化。在觀察邊框機構時，優選可以將待觀察部位涂黑，以增加并限定該部位處的輻射發射。替選地或附加地，為了監測掃描儀單元的運行狀態，可以在入射的激光束的光束路徑中布置散射光二極管，其監測光束路徑并且可以非常快速地識別掃描儀反射鏡的表面上初發的污染。在顆粒燒蝕的情況下，散射光二極管的測量電平(messpegel)顯著地且階躍地上升。散射光二極管優選可以與掃描儀反射鏡的反射面垂直或基本上垂直地定向。

26、為了實現本發明所基于的目的，根據第三方面，提供了一種激光加工系統、特別是激光切割系統。該激光加工系統至少包括：激光束源，用于提供激光束；以及根據上述變型中的一種變型所述的激光加工頭。激光束具有為至少0.3kw、特別是若干kw(例如至少4kw或甚至10kw或更多)的功率。此外，激光束(在進入激光加工頭時)的光束參數乘積為至多4mm*mrad、優選地至多2.5mm*mrad。

27、通過使用所提出的具有所提出的掃描儀單元的激光加工頭，根據本發明的激光加工系統特別適于使高功率范圍中的高亮度激光束偏轉。

28、優選地使用固態激光器作為激光束源，特別是碟片式激光器或光纖激光器。然而，也可以使用co2激光器或二極管激光器。

29、激光束的射束質量和準直單元的準直焦距優選可以被選擇成，使得經準直的激光束的直徑并且因此還有在掃描儀反射鏡的表面上的射束投影的直徑保持得小。例如，在準直焦距為f≈70mm的情況下，光束參數乘積可以為約2.5mm*mrad。

30、為了實現本發明所基于的目的，根據第四方面，提供了一種用于激光束切割的方法，在該方法中，激光加工射束與過程氣體一起穿過激光切割頭的切割噴嘴被指向到待加工的工件的表面上，其中，給激光切割頭的主進給運動疊加激光束在切割噴嘴內的次級運動，并且其中，為了產生在激光切割頭內的次級運動，將激光束指向到繞(至少)兩個旋轉軸線可翻轉的掃描儀反射鏡上，使得激光束在掃描儀反射鏡上的入射角相對于掃描儀反射鏡的面法線為至多30°、優選地至多22.5°、更優選地至多15°。

31、總之，與迄今從現有技術已知的系統相比、特別是與迄今的單反射鏡掃描儀相比，本發明特別是針對激光切割提供與在激光束在切割噴嘴內偏轉時的動態性、輪廓精度、重復精度、易污染性、緊湊性以及熱耐受性相關的優勢。