CN104781036B - 用求取过程辐射强度刺钻切金属工件的方法和加工机器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于以激光加工过程对金属工件进行穿刺、钻孔或切割的方法，包括：使脉冲式激光射束聚焦到工件上的加工位置上；检测从加工位置发出的过程辐射；求取这样的时间点(tPP,S)，在该时间点上，在脉冲式激光射束的激光脉冲(LP)后跟随有脉冲间歇(PP)；求取在脉冲间歇(PP)期间的多个相继跟随的时间点(tM1，tM2，tM3，…)上的过程辐射强度(IP1，IP2，IP3，…)；多次确定在各两个在时间上相继跟随的时间点(tM1，tM2；tM2，tM3)之间的过程辐射强度(IP)梯度(dIP1‑P2/dt，dIP2‑P3/dt，…)并且该梯度(dIP1‑P2/dt，dIP2‑P3/dt，…)与梯度阈值(dIP,S/dt)比较；如果超过梯度阈值(dIP,S/dt)的次数处于预给定的极限值以上，则检测工件上的自发式材料去除。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于以激光加工过程对金属工件进行穿刺、钻孔或者切割的方法以及一种用于执行该方法的加工机器。
背景技术
在利用激光射束穿刺、钻孔和切割到金属工件材料中的情况下、尤其在利用氧气作为过程气体支持该加工过程的情况下，可能出现自发式、通常不期望的材料去除过程。在穿刺的情况下，自发式材料去除可能如此剧烈，使得去除掉不可接受的大颗粒量。此外，在激光加工机器中，自发式材料去除可能会导致污染、损伤或者甚至毁坏靠近加工过程的光学元件和加工喷嘴。
在JP 2003251477 A中描述了用于产生孔的激光加工装置和激光加工方法，该激光加工装置和该激光加工方法构造用于，直接在错误孔的产生之后识别出错误。为此，分支出一部分脉冲式加工激光射束。经分支的分射束的脉冲能或脉冲功率被积分并且将积分的值与用于产生孔所需的预给定的许可能量水平相比较。
在JP 8010976 A中描述了一种用于穿刺到工件中的方法，其中，探测工件上反射的辐射强度并且与阈值相比较，以便决定是否结束该穿刺过程。
由DE 3926859 A1、DE 4336136 A1、EP 0470583 B1、JP 06091384 A和JP06246466 A已知，通过测量从工件发出的(过程-)射束来探测自发式材料去除过程(blowup)的出现和/或穿刺过程的结束。在这些文献中建议，通过将连续地探测的光线量与事先确定的基准值或者极限值相比较来探测所出现的不期望的过程状态。在超过极限值时，可以通过控制该加工机器来改变加工参数，以便防止自发式材料去除。在明显超过极限值时停止加工。
在此致力于，将用于穿孔或钻孔所需的时间尽可能保持很短，以便提高激光加工机器的生产率。但是这个时间在没有显著降低穿孔质量的情况下并不能够任意地缩短，因为在引入过多能量的情况下会导致上述的自发式材料去除过程。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种方法和一种加工机器，该方法和该加工机器能够实现在激光加工过程期间在穿刺、钻孔或者切割工件时对自发式材料去除过程进行探测并且尤其监控。
本发明的第一方面涉及一种开头提到类型的方法，其包括以下步骤：使脉冲式激光射束聚焦到工件上的加工位置上；检测从加工位置发出的过程辐射；求取到这样的时间点，在该时间点上，在脉冲式激光射束的激光脉冲后跟随有脉冲间歇；求取到在脉冲间歇期间的多个相继跟随的时间点上的过程辐射强度；多次确定在各两个相继跟随的时间点之间的过程辐射强度梯度并且将该梯度与梯度阈值相比较；如果用上述方式所确定的梯度超过了阈值的次数处于预给定的极限值以上时，则探测工件上的自发式材料去除。
由工件上的加工位置所求取到的过程辐射(该过程辐射的波长典型地处于红外波长范围内)在激光加工过程期间连续地或准连续地(即以例如约100毫秒的数量级的高扫描率)在相继跟随的测量点上被检测或者被确定其强度。
时间区间精确的开始时间点和结束时间点(在该时间区间中，脉冲间歇跟随在激光脉冲之后)典型地依据激光控制装置的激光参数来求取，该激光控制装置预给定了脉冲式激光射束的脉冲频率以及占空比。在脉冲间歇期间(即周期持续时间的这样的子区间：在该子区间内，激光射束不作用于工件)，过程辐射的强度具有衰减特性，依据该衰减特性能够得出关于激光加工过程的瞬时稳定性或非稳定性的结论。
如果过程辐射强度在时间上的走向不遵循由引入的激光功率所决定的确定性，则这是一个提示：即该过程达到了一定程度的固有动态，也就是说，出现了自发式、爆炸式的材料去除。如果探测到这种自发式材料去除，则可以影响该激光过程，以便使加工过程稳定。但是，为了减少穿刺时间也可以的是，有针对性地如此控制该激光加工过程，使得出现自发式材料去除，如同下面还要详细解释的那样。
过程辐射强度的梯度是针对衰减特性的尺度并且在稳定的(或者说非临界的)激光加工过程时在脉冲间歇中理应假定足够大的(负的)值。在此，过程辐射强度的梯度准连续地通过在直接相继跟随的两个扫描时间点(或者说测量时间点)所测得的过程辐射强度的差值形成来确定。扫描时间点典型以例如100μs的(恒定的)时间间隔。如果以上述方式求取到的梯度多次地、即超过多个扫描时间点仍未取得足够大的负的值(梯度阈值)，则识别出临界的材料去除。也就是说，对(负的)阈值的超过的频度进而超过的持续时间是用于临界的材料去除的特征。
针对梯度斜率的梯度阈值以及针对许可超过梯度阈值的次数的极限值可以存储在分析处理单元中，通过该分析处理单元实现对测得强度的分析处理。这些数据也可以存储在其它位置或其它装置中，所述其它位置或其它装置与分析处理单元处于信号技术连接。例如，这些数据可以通过测试测量(即通过在测试工件上以典型的激光和过程参数进行钻孔试验、穿刺试验或者切割试验)求取。通过针对许可超过的次数而对阈值和极限值的选择最终调整了激光加工过程的目标质量。
通常，上文所述对自发式材料去除针对激光加工过程的每个激光脉冲和每个随后的脉冲间歇来探测。脉冲式激光射束的典型脉冲频率处于约1Hz至低于切割频率(约5000Hz)之间的范围内。但也可以的是，从这个范围向下偏离(到所谓的“紫外低频”范围内)或者向上偏离(也就是偏离到几千赫兹或者甚至兆赫兹范围内)。根据可供使用的数据处理的速度，尤其可以在脉冲频率高的情况下实现分析处理，必要时可只在每两个、每三个、…激光脉冲(和紧接的脉冲间歇)时实现分析处理。
优选地，在按照本发明的方法的改进方案中，确定所检测到的过程辐射连续在激光加工过程直至目前的持续时间上的平均强度，并且，为了探测自发式材料去除，将过程辐射在脉冲间歇中(尤其在过程间歇结束时)的强度与强度阈值相比较，该强度阈值与所述平均强度相关。除了在脉冲间歇中的过程辐射梯度以外，通过这种方式使过程辐射在脉冲间歇中的绝对值对于自发式材料去除的出现或者不出现是重要的。也就是说，在检验存在或者不存在自发式材料去除时，除了这种检验以外，也可以依据梯度来检验出：过程辐射在脉冲间歇中的强度的绝对值是否落到在激光加工过程的整个直至目前的持续时间上所获取的平均强度以下，或者说是否落到由这个强度根据要实现的目标质量通过以过程特定的因数加权所确定的强度阈值以下。
为了确定平均强度(也称为过程曲线)，在各个扫描时间点或测量时间点上探测到的过程辐射强度从加工过程开始(例如从穿刺开始)相加并且除以自过程开始起直至目前的测量时间点的次数。自过程开始的平均强度瞬时值可以适用于与过程辐射(瞬时)强度相比较地进行加权，以便考虑影响因数(例如金属材料的种类)，这些影响因数影响到激光加工过程的稳定性或自发式材料去除。也要考虑的是，探测到的过程辐射的值与所使用的激光的最大功率相关：8kW激光产生例如大于5kW激光的过程光。
在一变体中，在探测自发式材料去除时，改变了脉冲式激光射束的至少一个激光参数，以便使激光加工过程稳定。适合的参数是随后的激光脉冲的脉冲持续时间以及脉冲间歇的持续时间，它们可以被减少或增加，以便减少射入的激光功率。在这些参数影响的情况下，占空比典型地降低，所述占空比也就是激光脉冲的持续时间与整个周期持续时间(即激光脉冲的持续时间与脉冲间歇的持续时间之和)之商。
在这个变体的改进方案中，在存在自发式材料去除的情况下，脉冲式激光射束到工件上的重新作用被延迟或者必要时可被完全禁止。例如，脉冲间歇可以如此长时间地延长，直至探测到的过程辐射的瞬时强度下降到直至目前的过程走向上所获取的平均强度以下。必要时可以中断激光的能量输入，以便停止该过程或者可以在脉冲顺序中跳过单个激光脉冲，也就是说，新的激光脉冲例如只有在一个或者两个没有激光辐射作用到工件上的周期持续时间之后才产生。
总之，在这个方法变体中，当满足下面三个条件时才设置新的激光脉冲：
-强度梯度的评价表示没有爆炸式材料去除。
-探测到的过程辐射强度处于过程曲线的值以下。
-与激光功率的额定功率/额定频率相关的脉冲间歇持续时间已期满。
在另一变体中，在存在自发式材料去除的情况下改变了激光加工过程的至少一个加工参数，以便使加工过程转化为稳定的状态，或者说以便减轻尤其自发式材料去除对于接近加工位置的零部件(例如光学元件或者加工喷嘴)的影响。在本发明中，加工参数理解为激光加工过程的参数(例如所使用的过程气体的种类或混合特性)，这些参数与产生激光射束不直接相关。例如能够减少可供过程使用的氧气量，以便部分地或完全地不再给加工过程提供活跃的组分。
另一加工参数是所谓的过程间距，即，在所使用的激光加工头(或聚焦光学系统)与工件表面之间的间距。通过提高激光加工头与工件之间的间距可以保护在该工艺过程附近的零部件免受在自发式材料去除时所产生的热颗粒，这些热颗粒会从加工位置朝着加工头的方向加速。
在一个可替代的变体中，在探测自发式材料去除时，只有在一次或者多次超过探测到的过程辐射的强度梯度的容许阈值时，才改变该脉冲式激光射束的至少一个激光参数和/或激光加工过程的至少一个加工参数。在这种情况下，激光加工过程(通过提高氧气供给和/或通过提高激光功率)有针对性地如此控制，使得进行自发式、爆炸式材料去除。用上述方法可以探测到自发式材料去除的存在并且可以允许直至预给定的容许阈值或者容许极限值(质量调整)。
容许阈值典型地相应于过程辐射在脉冲间歇中预给定的梯度阈值，并且容许极限值相应于超过这个容许阈值的确定次数。只有当超过容许阈值或容许极限值时，材料反应才会过于临界并且以上述方式干预该过程，以便使激光加工过程稳定。容许阈值和容许极限值可以根据所期望的加工(尤其穿刺)质量在其数值方面改变，以便实现不同程度快速的、其质量方面不同的穿刺结果。通过这种方式能够以特别短的穿刺时间实现了到工件中的爆炸支持的穿刺。这种加速穿刺已经在优质钢(不锈钢)中在工件厚度约15mm至约50mm之间相对较厚的情况下试验过。当然，这种方法也可以用于其它材料或工件厚度。
本发明的另一方面涉及一种用于在激光加工过程中对金属工件进行穿刺、钻孔或者切割的方法，该方法包括：使尤其脉冲式激光射束聚焦到工件上的加工位置上；使平行于激光射束的射束方向走向的过程气束朝着加工位置定向；以及检测从加工位置发出的过程辐射，其中，当依据检测到的过程辐射来探测自发式材料去除时，以角度相对于激光射束的射束方向走向的辅助气束附加地朝着加工位置定向。
在本发明的这个方面，在探测自发式材料去除时减少了加工位置上的氧气量，其方式是，通过激活一辅助气体喷嘴来产生该辅助气束，即，控制并打开与辅助气体喷嘴处于连接的阀，以便使辅助气束朝着加工位置指向。辅助气束典型地具有比过程气束少的氧气含量，以便部分地或完全地不再给加工过程提供活跃的组分。通过使用辅助气束可以典型地比通过减少用于产生过程气束所使用的过程气体的氧气含量(或者混合比例)更快速地干预加工过程。
依据获得的过程辐射来对自发式材料去除的探测可以通过不同的方式实现。例如，可以将过程辐射所探测到的光量或强度与基准值或者极限值相比较，其中，在实现或超过该基准值或者极限值时探测自发式材料去除。在辅助气束作用于加工位置期间仍探测该过程辐射。如果检测到的光量落到事先确定的极限值以下，则又关断该辅助气束。为了提高该过程可靠性，必要时可以附加地确定针对辅助气束(或者说辅助气体)对过程作用的最小持续时间。
在优选的变体中，本方法还包括步骤：求取这样的时间点，在该时间点上，在脉冲式激光射束的激光脉冲后跟随有脉冲间歇；求取在脉冲间歇期间的多个相继跟随的时间点上的过程辐射强度；多次确定在各两个在时间上相继跟随的时间点之间的过程辐射强度梯度；并且将该梯度与梯度阈值相比较，其中，在超过梯度阈值的次数处于预给定的极限值以上时，探测工件上的自发式材料去除。如果超过梯度阈值的频度落到事先确定的极限值以下，则又关断该辅助气束。必要时，只有当对辅助气体的影响而言预给定的最小的持续时间期满时，才能够实现辅助气束的关断。
在另一变体中，所述过程气束是氧气束，并且所述辅助气束是惰性气束、氮气束或者(压力)空气束。惰性气束尤其可以是惰性气体-氧气的混合物。氮气束也可以由氮气-氧气的混合物(尤其压力空气)形成。
在一变体中，所述辅助气束以高于过程气束的压力朝着加工位置指向。在这种情况下，通过辅助气体在加工位置上加强了对过程气体的挤压，并且可以实现有效地“熄灭”铁-氧气反应。辅助气束在辅助气体喷嘴出口上的压力应有利地以约0.5bar高于过程气束在加工喷嘴出口上的压力。辅助气束的压力可以保持不变或者必要时可阶梯式或者连续地提高，直至“熄灭”铁-氧气反应。
在一变体中，在探测自发式材料去除时减小了过程气束的体积流，即，减少了每单位时间供给至加工位置的过程气体量，以便提高对加工过程的干预快速性。尤其当加工过程强烈不稳定时，减少并且必要时完全关断该过程气束是有利的。相反的是，在加工过程略微不稳定时，过程气体或过程气束可以保持不变，由此在关断该辅助气体之后使加工过程快速回到其初始状态。
本发明的另一方面涉及一种用于以激光加工过程对金属工件进行穿刺、钻孔或者切割的加工机器，其包括：激光源，用于产生脉冲式激光射束；聚焦装置，用于将激光射束聚焦到工件上的加工位置上；测量装置，用于检测从工件上的加工位置发出的过程辐射；分析处理装置，该分析处理装置与激光源处于连接，用于确定这样的时间点，在该时间点上，在脉冲式激光射束的激光脉冲后跟随有脉冲间歇，其中，所述分析处理装置构造用于，求取在脉冲间歇期间的多个相继跟随的时间点上检测到的过程辐射强度，并且，所述分析处理装置构造用于，多次在时间上先后地确定在各两个在时间上相继跟随的时间点之间的过程辐射强度梯度并且将该梯度与梯度阈值相比较，以及检测超过梯度阈值的次数并且与预给定的极限值相比较，以便探测工件上的自发式材料去除。
所述分析处理装置典型地具有用于与激光源(更准确地说与激光源的控制装置)通讯的数据接口，以便获得关于激光当前状态(脉冲相位/脉冲间歇或其开始和结束)的信息并且以便干预该激光功率供给。如同上文结合本方法所描述的那样，使用该过程辐射强度在脉冲间歇中的衰减特性，以便探测自发式材料去除的存在。作为测量装置可以使用感应元件(例如发光二极管或者照相机)，以便探测红外波长范围内的过程辐射，依据该过程辐射能够评价该激光加工过程、更准确地说是评价其稳定性。
在一实施形式中，所述分析处理装置构造用于，确定所检测到的过程辐射连续在激光加工过程直至目前的持续时间上的平均强度，并且为了探测自发式材料去除，将过程辐射在脉冲间歇中的强度与强度阈值相比较，该强度阈值与所述平均强度(必要时可相应于除了加权因数以外的平均强度)相关。如果过程辐射强度还没有下降为预给定的强度阈值，尤其可以延长该脉冲间歇直至达到强度阈值。
在另一实施例中，所述分析处理装置为了影响到脉冲式激光射束的至少一个激光参数而与激光源的控制装置处于连接和/或为了影响到激光过程的加工参数而与机器控制器处于连接。与控制装置或与机器控制器的(信号技术的)连接可以通过各自的数据接口实现。通过影响到激光加工过程可以执行加工过程的控制或调节。
在另一实施例中，所述分析处理装置构造用于，在探测工件上的自发式材料去除时改变了脉冲式激光射束的至少一个激光参数和/或激光加工过程的至少一个加工参数。因此，主动地干预该激光加工过程的控制或调节。
激光加工过程的控制或调节例如可以规定，在每个脉冲间歇中或之后检验：是否要产生另一激光脉冲。为了产生下一激光脉冲，通常要累积地满足三个条件：1)脉冲间歇的持续时间(与额定功率和额定频率相关)必须已经期满。2)必须达到了关断阈值，即，过程辐射强度的绝对值必须下降到平均强度的强度阈值以下(过程曲线以下)。3)过程辐射强度的衰减特性(或者说作为用于梯度衰减特性的尺度)必须足够长时间地(即，已先后测量多次)遵循对于确定性的(或者说非临界的)加工过程的期望。
在可替代的实施例中，所述分析处理装置构造用于，在探测工件上的自发式材料去除的情况下，只有在一次或者在多次超过梯度的容许阈值时，即，只有当超过容许阈值的次数超过容许极限值时，才改变该脉冲式激光射束的至少一个激光参数和/或激光加工过程的至少一个加工参数。在这种情况下，有针对性地产生了自发式材料去除，以便加快该加工过程。如果超过了容许阈值，则可以停止或减小至激光源的功率输入和/或使过程气体供给被节流，或者说可以通过混合其它气体来改变该过程气体组成成分。
本发明的另一方面涉及一种用于以激光加工过程对金属工件进行穿刺、钻孔或者切割的加工机器，其包括：激光源，用于产生尤其脉冲式激光射束；聚焦装置，用于将激光射束聚焦到工件上的加工位置上；加工喷嘴，用于使平行于激光射束的射束方向走向的过程气束朝着加工位置定向；测量装置，用于检测从工件上的加工位置发出的过程辐射；辅助气体喷嘴，用于使以角度相对于激光射束的射束方向走向的辅助气束朝着加工位置定向；分析处理装置，该分析处理装置构造用于，根据检测到的过程辐射来探测工件上的自发式材料去除；以及机器控制装置，该机器控制装置构造或编程用于，当分析处理装置探测工件上的自发式材料去除时，激活所述辅助气体喷嘴。
如同上文结合本方法已经解释过的那样，辅助气体喷嘴被激活，以便使辅助气体供给至加工位置并且将过程气体挤掉。在使用比过程气体要少氧气含量的辅助气体的情况下，通过这种方式可以禁止铁-氧气反应。所述分析处理装置可以探测自发式材料去除，例如通过将探测到的光量或检测到的过程辐射强度与极限值或者基准值相比较。
在一实施例中，所述分析处理装置为了确定这样的时间点而与激光源处于连接：在该时间点中，在脉冲式激光射束的激光脉冲后跟随有脉冲间歇，其中，所述分析处理装置构造用于，求取在脉冲间歇期间的多个相继跟随的时间点上检测到的过程辐射强度，并且，所述分析处理装置构造用于，多次在时间上先后地确定在各两个在时间上相继跟随的时间点之间的过程辐射强度梯度并且将该梯度与梯度阈值相比较，以及将超过梯度阈值的次数与预给定的极限值相比较，以便探测工件上的自发式材料去除。根据过程辐射在脉冲间歇中的衰减特性可以给出激光加工过程的瞬时稳定性或非稳定性的结论。
附图说明
本发明的其它优点由说明书和附图给出。上述的和下面还要解释的特征可以单独或者任意组合地应用。所示和所述的实施例不理解为穷举，而是对于本发明描述的示例特征。附图示出：
图1激光加工机器的示意图，
图2图1的激光切割机器的过程光测量装置的示意图，该过程光测量装置与分析处理装置连接，
图3a，b稳定或非稳定的激光加工过程的示意图，
图4具有用于产生以角度相对于激光射束的射束方向走向的辅助气束的辅助气体喷嘴的、激光切割机器的加工头的示意图，以及
图5穿刺过程的多个加工步骤的示意图。
具体实施方式
图1示出CO2激光切割机器作为激光切割机器1的示例，该CO2激光切割机器用于激光切割和/或激光钻孔，该CO2激光切割机器具有CO2激光源2、激光加工头4和工件支座5。由激光源2或设置在激光源2中的谐振器所产生的激光射束6利用射束导向器3由(未示出的)偏转镜导引至激光加工头4并且在该加工头中聚焦，以及借助于在图1中同样未示出的反射镜垂直于工件8的表面8a定向，即，激光射束6的射束轴线(光轴)垂直于工件8走向。备选地，激光切割机器可以具有固体激光器作为激光源。该固体激光器的辐射借助于导光缆导引至激光加工头。
为了工件8的激光切割，利用激光射束6首先进行穿刺，即工件8在一个位置上被点状地熔化或者氧化，并且在此产生的熔化物被吹走。接着，使激光射束6在工件8上方运动，从而产生连续的切割缝9，激光射束6使工件8沿着该切割缝分开。
不仅穿刺而且激光切割都可以通过添加气体来支持。作为过程气体或切割气体10可以使用氧气、氮气、压力空气和/或专用气体。最终使用哪种气体取决于：切割哪种材料和对工件提出怎样的质量要求。产生的颗粒和气体可以借助于抽吸装置11从抽吸室12吸出。
图2示出用于图1的激光切割机器1的过程光测量装置13的简化图。过程光测量装置13包括所谓的刮刀镜(Scraper-Spiegel)14，该刮刀镜具有孔，激光射束6为了加工而穿过该孔。激光射束6经由适配镜15以90°偏转并且利用聚焦光学系统16穿过加工喷嘴17的喷嘴开口17a聚焦到工件8上，在所示情况下，所述聚焦光学系统构造成透镜并且备选地可以构造成反射镜。处于红外波长范围内的、在加工时在工件8上的加工位置B处所产生的过程辐射7借助于刮刀镜14偏转到呈发光二极管形式的测量装置18上，该过程辐射将探测到的辐射强度转换成电流。测量电子器件19测量该发光二极管18的电流并且以数字形式提供所测得的过程辐射7强度IP。在图2中所示的过程光测量装置13以典型的方式集成到加工头4中或者集成到激光切割机器1的光程中。当然，为了耦出过程辐射7，在刮刀镜14的位置上也可以使用其它光学元件、例如分光镜。为了探测，可以在发光二极管18的位置上例如使用照相机。
过程光测量装置13(更准确地说是测量电子器件19)与分析处理装置20处于信号技术的连接。测量电子器件19必要时也可以集成到该分析处理装置20中。分析处理装置20与机器控制装置21信号技术地连接，该机器控制装置控制穿刺过程并且承担针对激光切割机器1的其它控制任务。如同在图1中所示的那样，分析处理装置20也可以集成到控制装置21中。分析处理装置20也与激光控制装置2a信号技术地连接，该激光控制装置以典型的方式集成到激光源2中。为了与激光控制装置2a以及与机器控制装置21通讯，分析处理装置具有适合的数据接口。
如同在图3a、b中所示的那样，分析处理装置20连续或准连续地、即以高的扫描率(测量率)、例如以各个测量时间点之间100微秒的时间间隔来求取所检测到的过程辐射7强度IP的时间变化曲线。激光源2的激光功率PL的供给以脉冲的方式以多个相继跟随的激光脉冲LP实现，这些激光脉冲被脉冲间歇PP中断。激光脉冲LP是矩形脉冲，在该激光脉冲的情况下，激光功率PL以高的边沿陡度增加到(恒定的)最大值PL,MAX(例如几千瓦)并且以相应陡斜的边沿又下降到零。当然，也能够实现其它脉冲形状。
为了确定在所检测到的过程辐射7的哪个时间窗口或时间区间tPP中存在脉冲间歇PP并且在哪个时间区间tLP产生激光脉冲LP，分析处理装置20追溯到激光控制装置2a的信息，在该信息中存储有各个时间区间tPP、tLP的各持续时间以及精确的起始时间点(例如tPP，S作为脉冲间歇PP的起始时间点)和结束时间点，以便产生脉冲式激光射束6。当然，也可以由脉冲频率(或者说脉冲序列的周期持续时间T)以及由占空比tPP/T确定关于时间窗口或时间区间tPP、tLP的信息。
依据过程辐射7在脉冲间歇PP期间的时间变化曲线或者说衰减特性，可以在分析处理装置20中探测到工件8上的自发式(spontan)材料去除。为此，在脉冲间歇PP中多次确定在两个相继跟随的测量时间点(例如tM1、tM2或tM2、tM3)之间的过程辐射7强度IP梯度dIP1-P2/dt、dIP2-P3/dt…，其方式是，形成在各测量时间点tM1、tM2或tM2、tM3上测得的强度差值IP2-IP1或IP3-IP2。在此，测量时间点tM1、tM2、tM3的时间间隔是恒定的。通过这种方式所产生的梯度dIP1-P2/dt、dIP2-P3/dt…与预给定的梯度阈值dIP,S/dt比较，该梯度阈值以典型的方式在稳定的确定性激光加工过程中存在。要确定的是：有多经常地(尤其有多经常先后地)超过所述梯度阈值dIP,S/dt，即，测得的梯度dIP1-P2/dt、dIP2-P3/dt…有多经常地大于所述梯度阈值dIP,S/dt(其中，该梯度具有负的符号)。所述超过的频度描述了用于所述超过的持续时间的尺度，该超过的频度在分析处理装置20中与事先确定的极限值(即预给定的次数)比较。
在脉冲间歇PP中也检验：当前检测到的过程辐射7强度IP值与先前的值相差多少。由当前检测到的值与先前的值之差可以除以该先前的值(例如(IP2-IP1)/IP1)，以便获得对于强度IP变化的有关指标。如果强度IP值已经在所观察的时间区间(例如在tM1与tM2之间)例如以小于3％的程度减小，则可以激活第一级爆炸识别(Explosionserkennung)。如果现在这个临界梯度-3％在结果中被多次超过，也就是如果强度减少值相应更小，例如约-2％，则识别为爆炸或者说临界的材料去除过程。
在图3a所示的三个激光脉冲LP中，所探测到的过程辐射7在下一激光脉冲LP之前分别假定为这样的最小值，该最小值大致大小相同，即，在图3a中所示的过程遵循已引入的激光功率并且因此基本上具有确定性。在图3a所示的稳定激光加工过程中，在脉冲间歇PP期间的梯度dIP/dt还具有相对较大的负值(这意味着，探测到的强度IP的剧烈下降)，该负值处于梯度阈值dIP,S/dt以下，即，比梯度阈值dIP,S/dt更负的值。在图3b所示的激光加工过程在第三激光脉冲LP之后过渡为临界状态。梯度dIP/dt在脉冲间歇PP期间多次假定为仅稍微负的或者甚至正的值并且处于(较负的)梯度阈值dIP,S/dt以上。如果阈值超过的次数超过了存储在分析处理单元20中的次数(即超过了极限值)，则探测该激光过程的临界状态或者说自发式材料去除。
为了探测自发式材料去除，在按照本发明的方法的扩展中，由分析处理装置20确定所检测到的过程辐射7连续在激光加工过程直至目前的持续时间上的平均强度<IP>(过程曲线)，即，在第一激光脉冲LP启动时(例如在开始穿刺过程时)开始将在各个(离散的)测量时间点上测得的过程辐射7求和并且除以这些测量时间点的数量。过程曲线<IP>连续地与在脉冲间歇中测得的强度IP相比较。只有当在脉冲间歇PP结束时测得的强度IP处于过程曲线<IP>以下，激光加工过程才是稳定的(参见图3a)。因此，过程曲线<IP>或该过程曲线在脉冲间歇PP结束时的值是另一阈值IP,S(强度阈值)，其用于在稳定状态中导引该过程，然而并不足以判别该过程处于稳定状态。
自该过程开始的平均强度<IP>值可以为了与过程辐射7的(瞬时)强度IP比较而必要时也能够以因数加权，以便考虑到这样的影响因数，这些影响因数影响了激光加工过程的稳定性或自发式材料去除。这个加权因数也可以用作调节参数：例如因数0.3降低了在过程走向中首次出现临界状态的风险。在这种情况下，与图3a、b不同的是，作为强度阈值IP,S不是引用所述平均值<IP>，而且引用经因数F所加权的值F*<IP>。也存在这样的可能性：平均强度<IP>通过多个因数来加权，例如通过一个因数来加权以适配于不同的激光功率并且附加地通过一个影响到调节敏感度的“质量因数”来加权。
为了使图3b的不稳定的激光加工过程稳定化，分析处理装置20可以对激光加工过程产生影响，其方式是，影响或改变至少一个激光参数和/或至少一个加工参数。适合的激光参数是：一个或多个下一激光脉冲LP的脉冲持续时间tLP、以及脉冲间歇PP的持续时间tPP，这些持续时间可以减小或增加，以便降低所射入的激光功率。例如可以延长该脉冲间歇PP的持续时间tPP，直至平均强度<IP>下降到强度阈值IP,S以下并且强度梯度也附加地又表示为可靠的过程走向。必要时可以关断激光源2或中断能量供给，以便停止加工过程。
因为只停止激光功率通常仅非常缓慢地引起该加工过程稳定化，因此附加地可以借助于机器控制装置21干预该加工过程。由此例如可以改变所使用的过程气体10的种类或混合比。例如可以减少可供使用的氧气量，以便从加工过程部分地或者必要时可完全地取消活跃的组分。
如图4所示，备选地可以减少加工位置B处的氧气量，其方式是，使机器控制装置21控制了辅助气体喷嘴24的横吹阀，该辅助气体喷嘴安置在加工头4上并且该辅助气体喷嘴构造用于，使辅助气束23对准该加工位置B，所述辅助气束倾斜地(即以不等于0°或者180°的角度α)相对于激光射束6的射束方向Z指向。角度α在所示示例中约为135°，但是可以根据在面向工件8的加工头4端部上可供使用的结构空间必要时明显偏离这个值。当分析处理装置20探测自发式材料去除时，机器控制装置21激活所述辅助气体喷嘴24。
辅助气束23具有比过程气束22少的氧气含量，该过程气束从加工喷嘴17朝着加工位置B定向，并且该过程气束相对于经聚焦的激光射束6的射束方向Z平行或同轴地走向。辅助气束23例如可以包括氮气、惰性气体、氮气-氧气混合物(例如压力空气)或者惰性气体-氧气混合物。过程气束22包括氧气或者含氧气的混合物，该含氧气的混合物具有比辅助气束23高的氧气含量。
如果辅助气束23以高于过程气束22的压力对准加工位置B，则实现了通过辅助气体对过程气体的挤压并且有效地“熄灭”铁-氧气反应。借助于在图4中所示的布置方案可以比通过改变该过程气体或改变该过程气体混合物的组分更快速地干预该过程。辅助气束23的压力可以保持不变或者逐渐或连续地增加。
如果事先探测到的过程非稳定性不太大，可以使过程气体或其组分保持不变，从而在辅助气束23关断之后使加工过程快速地返回到其初始状态。在非稳定性大的情况下(即较强且较频繁地超过梯度-阈值dIP,S/dt)可以减小过程气束22的体积流或者关断该过程气束22，以便提高干预快速性。
在辅助气束23作用期间还实现了探测该过程辐射7，并且分析处理装置20确定了在时间上相继跟随的过程辐射7强度IP梯度dIP1-P2/dt、dIP2-P3/dt…。如果超过梯度阈值dIP,S/dt的频度下降到事先确定的极限值以下，则又关断该辅助气束23。
为了提高过程可靠性，可以附加地在机器控制装置21中存储用于使辅助气束23作用于加工位置B的最小持续时间。如果该最小持续时间期满，即使在最小持续时间期满之前已经低于极限值，则辅助气束23在这种情况下被机器控制装置21最早地关断。
借助于机器控制器21也可以减少自发式材料去除对于靠近加工位置B的零部件(例如聚焦透镜16或者喷嘴17)的影响。为此，可以增加在加工头4或喷嘴7与工件8之间的工作间距A，从而使从加工位置B朝着加工头4的方向加速的热颗粒具有到达该零部件的过低射程。
过程光测量装置13与分析处理装置20相结合也可以用于，监控或掌握穿刺过程，该穿刺过程借助于将能量剧烈地、但受限且受控地引入到工件8中来使对于穿刺或者钻孔所需的时间最小化，而不会非常降低该穿刺的质量。在这个穿刺过程或钻孔过程中，通过有针对性的、高能的激光脉冲结合活跃的过程气体(例如氧气)在工件8中引起非常快速的、自发式材料去除，如接下来借助于图5解释的那样。
图5以五个相继跟随的加工步骤I至V示出在工件8中穿刺或钻孔的过程。在加工步骤I中，通过受控地引入能量来实现第一次材料去除，在第一次材料去除中，工件8在加工位置B上被去除，直至例如穿刺深度d1为工件8的总厚度d约20％。在第二至第四加工步骤II至IV中，穿刺深度d2逐步增加到d5，直至在第五加工步骤V中，穿刺深度d5与工件厚度d相一致并且穿刺过程结束，即，在工件8中形成穿刺或钻孔。当然，根据工件8特性和所使用激光功率的强度，对于穿刺过程需要更多或者更少的加工步骤。
在各个加工步骤I至V中爆炸式地去除材料或部分地去除工件8，即，有针对性地先后诱发多个爆炸。为了最小化用于穿刺的时间，加工步骤I至V或者说“爆炸支持的”分步去除相继快速地跟随，即，脉冲频率通常处于约1Hz至5000Hz之间。穿刺过程在此产生的固有动态导致了自发式材料去除，该材料去除可以如上所述地探测。
激光加工过程在此有针对性地如此控制或调节，使得进行自发式材料去除，即，使得出现了图3b所示的情况。只有当一次或多次超过强度IP在脉冲间歇PP中的预给定容许梯度(容许阈值dIP,DS/dt>dIP,S/dt，参见图3a)时，才干预该激光加工过程，因为在这种情况下材料反应变得太临界，或者说，穿刺的质量不再对应于所期望的质量。容许阈值dIP,DS/dt可以根据所期望的加工(尤其穿刺)质量在其数值方面变化，以便实现不同程度快速的、在其质量方面不同的穿刺结果。
为了确定是否必须干预激光加工过程，附加地也可以确认：必须以给定的频度超过容许阈值dIP,DS/dt，即，超过次数必须处于容许极限值以上。此外，为了评价该过程也可以检验：在脉冲间歇PP结束时的瞬时强度IP是否处于过程辐射7的平均强度<IP>以下，其中，可以将平均强度<IP>以容许因数进行结算。通过容许因数提高了用于干预该过程的响应阈值。
借助于过程光测量装置13或者说借助于分析处理装置20和在该分析处理装置上构建的控制或调节算法，可以受控地执行结合图5所述的穿刺过程，即，具有非确定性的过程走向可以有针对性地用于穿刺。
当然，上述方法不仅能在结合图5所述的爆炸支持的穿刺或钻孔过程中有利地使用，而且也可以在其它过程中(在该其它过程的情况下实现脉冲式激光加工)使用，例如在衔接于穿刺的激光切割过程或者在所有临界的加热过程中使用，尤其当使用氧气作为过程气体的时候。
所述方法也能够以显著的程度有益于过程安全性，尤其当要加工厚的工件8时。如果适当地调节或控制该加工过程，不仅待加工的工件材料而且在自发式材料去除时承受激光射束的机器部件都可以基本上较少被污染或损伤。
Claims (18)
1.一种用于以激光加工过程对金属工件(8)进行穿刺、钻孔或者切割的方法，包括：
-使脉冲式激光射束(6)聚焦到所述工件(8)上的加工位置(B)上，
-检测从所述加工位置(B)发出的过程辐射(7)，
-求取这样的时间点(tPP,S)：在该时间点上，在所述脉冲式激光射束(6)的激光脉冲(LP)后跟随有脉冲间歇(PP)，
-求取所述过程辐射(7)在所述脉冲间歇(PP)期间的多个相继跟随的时间点(tM1，tM2，tM3，…)上的强度(IP1，IP2，IP3，…)，
-多次确定所述过程辐射(7)在时间上相继跟随的各两个时间点(tM1，tM2；tM2，tM3)之间的强度(IP)梯度(dIP1-P2/dt，dIP2-P3/dt，…)，并且将该梯度(dIP1-P2/dt，dIP2-P3/dt，…)与梯度阈值(dIP,S/dt)相比较，以及
-如果超过所述梯度阈值(dIP,S/dt)的次数处于预给定的极限值以上，则探测所述工件(8)上的自发式材料去除。
2.如权利要求1所述的方法，其中，连续确定所检测到的过程辐射(7)在所述激光加工过程的直至目前为止的持续时间上的平均强度(<IP>)，并且，为了探测自发式材料去除，将所述过程辐射(7)在所述脉冲间歇(PP)中的强度(IP)与强度阈值(IP,S)相比较，该强度阈值与所述平均强度(<IP>)相关。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，在探测自发式材料去除时，改变所述脉冲式激光射束(6)的至少一个激光参数(tLP，tPP)。
4.如权利要求3所述的方法，其中，在探测自发式材料去除时，延迟或者禁止所述脉冲式激光射束(6)对所述工件(8)的重新作用。
5.如权利要求1或2所述的方法，其中，在探测自发式材料去除时，改变所述激光加工过程的至少一个加工参数(A)，所述加工参数与产生激光射束不直接相关。
6.如权利要求1或2所述的方法，其中，在探测自发式材料去除时，只有在一次或者在多次超过所述梯度(dIP1-P2/dt，dIP2-P3/dt，…)的容许阈值(dIP,DS/dt)的情况下才改变所述脉冲式激光射束(6)的至少一个激光参数(tLP，tPP)和/或所述激光加工过程的至少一个加工参数(A)，所述加工参数与产生激光射束不直接相关。
7.一种用于以激光加工过程对金属工件(8)进行穿刺、钻孔或者切割的方法，包括：
-使激光射束聚焦到所述工件(8)上的加工位置(B)上，
-使平行于所述激光射束的射束方向(Z)走向的过程气束(22)朝着所述加工位置(B)定向，以及
-检测从所述加工位置(B)发出的过程辐射(7)，其中，当依据所检测到的过程辐射(7)来探测自发式材料去除时，使相对于所述激光射束的射束方向(Z)以角度(α)走向的辅助气束(23)朝着所述加工位置(B)定向。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述激光射束是脉冲式激光射束(6)，所述方法还包括步骤：
-求取这样的时间点(tPP,S)：在该时间点上，在所述脉冲式激光射束(6)的激光脉冲(LP)后跟随有脉冲间歇(PP)，
-求取所述过程辐射(7)在所述脉冲间歇(PP)期间的多个相继跟随的时间点(tM1，tM2，tM3，…)上的强度(IP1，IP2，IP3，…)，
-多次确定所述过程辐射(7)在时间上相继跟随的各两个时间点(tM1，tM2；tM2，tM3)之间的强度(IP)梯度(dIP1-P2/dt，dIP2-P3/dt，…)，并且将该梯度(dIP1-P2/dt，dIP2-P3/dt，…)与梯度阈值(dIP,S/dt)相比较，其中，如果超过所述梯度阈值(dIP,S/dt)的次数处于预给定的极限值以上，则探测所述工件(8)上的自发式材料去除。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述过程气束(22)是氧气束，并且，所述辅助气束(23)是惰性气束、氮气束或者空气束。
10.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述辅助气束(23)以高于所述过程气束(22)的压力朝着所述加工位置(B)指向。
11.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，在探测自发式材料去除时，减小所述过程气束(22)的体积流。
12.一种用于以激光加工过程对金属工件(8)进行穿刺、钻孔或者切割的加工机器(1)，包括：
-激光源(2)，用于产生脉冲式激光射束(6)，
-聚焦装置(16)，用于使所述脉冲式激光射束(6)聚焦到所述工件(8)上的加工位置(B)上，
-测量装置(18)，用于检测从所述工件(8)上的加工位置(B)发出的过程辐射(7)，
-分析处理装置(20)，该分析处理装置为了确定这样的时间点(tPP,S)而与所述激光源(2)处于连接：在该时间点中，在所述脉冲式激光射束(6)的激光脉冲(LP)后跟随有脉冲间歇(PP)，其中，所述分析处理装置(20)构造用于，求取所检测到的过程辐射(7)在所述脉冲间歇(PP)期间的多个相继跟随的时间点(tM1，tM2，tM3，…)上的强度(IP1，IP2，IP3，…)，并且，所述分析处理装置(20)构造用于，多次在时间上先后地确定所述过程辐射(7)在时间上相继跟随的各两个时间点(tM1，tM2；tM2，tM3)之间的强度(IP)梯度(dIP1-P2/dt，dIP2-P3/dt，…)并且将该梯度(dIP1-P2/dt，dIP2-P3/dt，…)与梯度阈值(dIP,S/dt)相比较，以及将超过所述梯度阈值(dIP,S/dt)的次数与预给定的极限值相比较，以便探测所述工件(8)上的自发式材料去除。
13.如权利要求12所述的加工机器，其中，所述分析处理装置(20)构造用于，连续确定所检测到的过程辐射(7)在所述激光加工过程的直至目前为止的持续时间上的平均强度(<IP>)，并且，为了探测所述自发式材料去除，将所述过程辐射(7)在所述脉冲间歇(PP)中的强度(IP)与强度阈值(IP,S)相比较，所述强度阈值与所述平均强度(<IP>)相关。
14.如权利要求12或13所述的加工机器，其中，所述分析处理装置(20)为了影响所述脉冲式激光射束(6)的至少一个激光参数(tLP，tPP)而与所述激光源(2)的控制装置(2a)处于连接和/或为了影响所述激光过程的加工参数(A)而与机器控制器(21)处于连接，所述加工参数与产生激光射束不直接相关。
15.如权利要求14所述的加工机器，其中，所述分析处理装置(20)构造用于，在所述工件(8)上存在自发式材料去除时，改变所述脉冲式激光射束(6)的至少一个激光参数和/或所述激光加工过程的至少一个加工参数。
16.如权利要求15所述的加工机器，其中，所述分析处理装置(20)构造用于，在探测所述工件(8)上的自发式材料去除时，只有在一次或者在多次超过所述梯度(dIP1-P2/dt，dIP2-P3/dt，…)的容许阈值(dIP，DS/dt)的情况下，才改变所述脉冲式激光射束(6)的至少一个激光参数和/或所述激光加工过程的至少一个加工参数(A)。
17.一种用于以激光加工过程对金属工件(8)进行穿刺、钻孔或者切割的加工机器(1)，包括：
-激光源(2)，用于产生激光射束，
-聚焦装置(16)，用于使所述激光射束聚焦到所述工件(8)上的加工位置(B)上，
-加工喷嘴(17)，用于使平行于所述激光射束的射束方向(Z)走向的过程气束(22)朝着所述工件(8)上的加工位置(B)定向，
-测量装置(18)，用于检测从所述工件(8)上的加工位置(B)发出的过程辐射(7)，
-辅助气体喷嘴(24)，用于使相对于所述激光射束的射束方向(Z)以角度(α)走向的辅助气束(23)朝着所述加工位置(B)定向，
-分析处理装置(20)，该分析处理装置构造用于，依据检测到的过程辐射(7)来探测所述工件(8)上的自发式材料去除，以及
-机器控制装置(21)，该机器控制装置构造用于，当所述分析处理装置(20)探测所述工件(8)上的自发式材料去除时，激活所述辅助气体喷嘴(24)。
18.如权利要求17所述的加工机器(1)，其中，所述激光射束是脉冲式激光射束(6)，所述分析处理装置(20)为了确定这样的时间点(tPP,S)而与所述激光源(2)处于连接：在该时间点中，在所述脉冲式激光射束(6)的激光脉冲(LP)后跟随有脉冲间歇(PP)，其中，所述分析处理装置(20)构造用于，求取所检测到的过程辐射(7)在所述脉冲间歇(PP)期间的多个相继跟随的时间点(tM1，tM2，tM3，…)上的强度(IP1，IP2，IP3，…)，并且，所述分析处理装置(20)构造用于，多次时间上先后地确定所述过程辐射(7)在时间上相继跟随的各两个时间点(tM1，tM2；tM2，tM3)之间的强度(IP)梯度(dIP1-P2/dt，dIP2-P3/dt，…)，并且将该梯度(dIP1-P2/dt，dIP2-P3/dt，…)与梯度阈值(dIP,S/dt)相比较，以及将超过所述梯度阈值(dIP,S/dt)的次数与预给定的极限值相比较，以便探测所述工件(8)上的自发式材料去除。
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