CN105339129A - 借助激光束刺入金属工件中的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于借助激光束(5)和过程气体(7)刺入金属工件(6)中的方法，具有下列步骤：a)用惰性气体、尤其氮气作为过程气体，通过用所述激光束(5)刺入到所述工件(6)中，在该工件(6)中构成不穿透的刺入孔(11)；b)借助在所述工件(6)上调整到比在步骤a)中更大的射束直径的激光束(5)并且用氧气作为过程气体(7)，将所述刺入孔(11)的上部分扩宽成在工件上侧面(12)上尤其同心地围绕所述刺入孔(11)的坑(14)；和c)借助所述激光束(5)并且用氧气作为过程气体(7)刺穿所述刺入孔(11)。

Description

借助激光束刺入金属工件中的方法

技术领域

本发明涉及一种用于借助激光束和过程气体刺入金属工件中的方法。

背景技术

在激光切割时，在刺入到厚的工件中时，在刺入孔的周围产生由熔化并且再凝固的金属或者金属氧化物构成的料堆，料堆的尺寸随着板厚度增加而明显增大。围绕刺入孔周围的附着物主要在要切割内部几何形状和构件小的情况下产生干扰，在小构件中切割轮廓必然很靠近刺入位置地沿着刺入位置延伸。此外，激光加工头的距离传感器将料堆识别为干扰轮廓并且调节激光加工头的运动使其从工件离开，这导致过程技术问题。为避免这种问题必要的是，减少或者避免工件上的附着料堆。

由JP05057469A已知一种刺入方法，在该方法的第一方法步骤中，在加工头上的过程气体喷嘴和工件表面之间具有大距离的情况下在工件表面中产生宽的、平坦的坑。接着，在喷嘴和工件表面之间具有小距离的情况下以较小的激光功率和较小的过程气体压力产生穿过工件延伸的刺入孔。

由DE102012014323A1已知，在刺入时在第一方法步骤中，在过程气体喷嘴和工件表面之间具有大距离的情况下在工件上半部产生柱形的、宽的孔洞。接着在第二方法步骤中，将激光束聚焦到该宽的孔洞的底面上，以产生刺穿孔。在该第二方法步骤中，过程气体仅对准到该宽的孔洞中，而不对准该孔洞的周围。

发明内容

本发明面临的任务是，如下改善由JP05057469A已知刺入方法，使得在刺入工件中时能够实现更快的刺入和更小的热量输入。在刺入时的减小的热量输入对于刺入位置周围的正确轮廓切割特别有利。

根据本发明，该任务通过一种用于借助激光束和过程气体刺入到金属工件中的方法解决，该方法具有下列步骤：

用于借助激光束(5)和过程气体(7)刺入金属工件(6)中的方法，具有下列步骤：

a)用惰性气体、尤其氮气作为过程气体，通过用所述激光束刺入到所述工件中，在该工件中构成不穿透的刺入孔；

b)借助在所述工件上调整到比在步骤a)中更大的射束直径的激光束并且用氧气作为过程气体，将所述刺入孔的上部分扩宽成在工件上侧面上尤其同心地围绕所述刺入孔的坑；和

c)借助所述激光束并且用氧气作为过程气体刺穿所述刺入孔。

在根据本发明的方法中，在两个步骤a)和b)中都在工件上侧面上进行漏斗形的部分刺入(刺入漏斗)的形成，该刺入漏斗使熔化物的除去变得容易。在步骤c)中接着进行直到板下侧面的刺穿，其中，激光束由于之前形成的刺入漏斗而特别好地在材料的深处起作用，这导致快速的过程进展。

在根据本发明的刺入方法的第一方法步骤a)中，用脉冲的或者连续的激光束并且用惰性气体、优选用氮气刺入到工件中，形成没有刺穿整个工件厚度的刺入孔。有利地，刺入孔只延伸至工件的上半部。通过使用惰性气体作为过程气体，不发生工件材料的不可控烧损。此外，输入到工件中的能量保持较小，这在后面切割轮廓时对加工精确度起积极作用。

在刺入时熔化的工件材料堆积在刺入孔的周围，形成料堆。在根据本发明的刺入方法的随后的第二方法步骤b)中，使刺入孔的上部通过这样方式扩宽：用激光束在工件上比在步骤a)中更大的射束直径并且用氧气作为过程气体，用脉冲的或者连续的激光束在工件上侧面中，优选相对于刺入孔同心地，产生一个坑。

在该第二方法步骤b)中，来自第一步骤a)的料堆与来自工件表面的其它材料一起被氧气氧化，在此形成的氧化熔渣被过程气体流吹走。形成一个浅的坑，在第一步骤a)中产生的刺入孔从该坑的底面出发继续向工件内部延伸。即该坑仅向工件中延伸达到刺入孔的一小部分。以此方式总体在工件上侧中形成漏斗形的孔洞。刺入漏斗的根据本发明的两级构造具有的优点是，在工件上侧面上围绕刺入漏斗周围不再有附着的工件材料并且仅向工件中进行极少的热量输入。形成具有清晰限界的边缘和干净的四周的刺入漏斗。

优选激光束的焦点第一步骤a)中位于工件表面的上方，使得形成相对较宽的刺入孔作为之后的刺入漏斗“杆部”。尤其优选激光束的焦点第二步骤b)中布置在工件表面上方更远处，附加地，激光束在焦点中的直径，即焦点直径，比在第一步骤a)中大。通过这样的方式使激光束在工件表面上的功率密度减小并且在工件上的照射直径变大，使得在照射工件时在工件表面形成大直径的、浅的坑。

激光焦点在垂直方向上的移动可以例如通过加工头中的聚焦光具的一个或者多个透镜的移动或者通过自由射束光具中的适配镜来进行。在激光束用光纤导向的情况下，焦点直径的扩大可以例如通过激光器和加工头之间的双层光纤中的光纤芯和光纤壳之间的转换实现，如同在文献DE102010003750A1说明的那样。

优选至少补充地还改变加工头到工件表面的距离，即过程气体喷嘴和工件表面之间的距离。在第一方法步骤a)中应该已设定过程气体喷嘴和工件表面之间的相对较大距离(例如约为20mm)，使得能够避免由于熔化的金属引起的过程气体喷嘴污染。在第二方法步骤b)中，优选过程气体喷嘴和工件表明之间的距离还进一步增大(例如到约80mm)，使得工件表面上的照射面扩大。

刺入孔直到工件下侧面的刺穿在第三方法步骤c)中进行，在该第三方法步骤中，激光束居中地定位在刺入孔上方，用氧气作为过程气体并且用脉冲的或者连续的激光束从刺入漏斗的底部出发刺穿工件，其中，激光束的焦点可以穿过漏斗形的预刺入部比漏斗底部更深地位于工件中。这对在刺穿时的有效率能量输入具有决定性优势，因为激光束能够在没有遮蔽的情况下深入聚焦到材料中。

还表明，刺入孔的在方法步骤a)和b)中产生的漏斗形轮廓特别好地能够将在继续刺入(刺穿)时产生的熔渣远离刺入孔地输送出去。通过这种方式，熔化物在它再次碰到工件表面之前冷却，而不附着在工件表面上。

根据本发明的方法不但能够应用到固体激光器切割机上，也能够应用在具有CO₂激光器的激光切割机上，尤其在刺入到由结构钢构成的板状工件时是有利的。

优选过程气体喷嘴和工件表面之间距离在刺穿时比在两个方法步骤a)和b)中都小(例如约为5mm)，使得过程气体能够良好地耦入到刺入孔中。刺穿可以或者不受调节地以连续升高的激光功率进行，或者在借助已知的刺入传感器装置调节的情况下进行。在第二方法步骤b)中产生的坑的底部上的、在第一方法步骤a)中产生的刺入孔在第三方法步骤c)中用作激光束的光通道。以这种方式激光束更好地到达工件中，并且达到激光束的更好的深度作用。因此，刺穿孔有明显较小的直径，并且与在迄今通常的刺入方法中相比较向工件中进行更少的热量输入。用这种方式形成少的、可堆积在工件上的熔渣，并且使得能够实现在刺入位置周围的正确轮廓切割。

所述三个方法步骤a)至c)可以不连续地相续实施。在此，在结束第一方法步骤a)后，将激光束关闭并且将加工头垂直向上离开工件地移动。此时或者此后，将过程气体从氮气切换到氧气。接着将激光束点着并且实施第二方法步骤b)。加工头在第二和第三方法步骤之间的定位运动也在激光束关闭的情况下进行。替换地，这三个方法步骤a)至c)可以连续地相续实施，其中，激光束保持接通。工件表面上的射束直径变化例如通过加工头垂直于工件表面的移动来进行。第一和第二方法步骤a)、b)之间的气体变换在加工头移动的情况下实施。

在刺穿工件后，可以在可选的第四方法步骤d)中在开始真正的切割过程之前将刺入孔扩大。这是必要的，如果在切割工件时的激光束焦点直径比在刺入时大。于是在切割时产生宽的切缝，其中形成大量熔化物。如果刺穿孔太窄，则在切割开始时形成的熔化物不能足够快地通过该刺穿孔被向下从工件赶出去，可能发生切割裂纹。

为了扩大刺穿孔，在第四方法步骤d)中用比在第三方法步骤c)中调整到更大焦点直径的激光束照射刺入位置。过程气体的气压调整到这样高，使得形成的熔化物被可靠地向下从工件赶出去。激光束的焦点也如在第三方法步骤c)中那样布置在工件表面的下方。过程气体喷嘴和工件表面之间的距离与在第三方法步骤c)中的距离相当。优选在扩宽刺入孔时使激光束的焦点直径逐步地或者连续地增大。直径增大可以例如通过加工头中的透镜的移动实现，如在WO2011131541A1中说明的那样。替换地或者补充地，在激光束被光纤导向的情况下，进行在双层光纤中的纤芯和纤壳之间的照射路径切换，如在DE102010003750A1中说明的那样。焦点直径连续扩大至接着的切割过程所用的直径以特别的方式提高了在扩大刺穿孔时的过程安全性。

优选在步骤a)之前在刺入孔处对工件上侧面注油，例如用油喷淋，以减少在步骤a)和步骤b)中可能形成的飞溅物的附着。

在另一方面，本发明也涉及激光加工机，其包括激光束发生器、具有过程气体喷嘴的可移动式激光加工头、用于选择过程气体的装置以及包括控制器，激光束和过程气体一起从所述过程气体喷嘴射出，所述控制器被编程，以按照根据本发明的刺入方法来控制激光加工头的运动和所述装置的所选的过程气体。

本发明此外也涉及计算机程序产品，具有代码单元，当该程序在激光加工机的控制器上运行时，所述代码单元适用于执行根据本发明的刺入方法的所有步骤。

本发明主题的其它优点和有利构型能够从说明书、附图和扩展保护方案中获知。前面提到的和后面列出的特征也可以分别单独地或者多个任意组合地获得应用。示出的和说明的实施方式不应理解为穷举，而是对于描述本发明具有示范性质。

附图说明

附图示出：

图1：一种适用于实施根据本发明的刺入方法的激光切割机；

图2a-2d：根据本发明的刺入方法的各个方法步骤；

图3a，3b：带有刺穿孔的工件上侧的各一个图像，该刺穿孔按照传统的刺入方法(图3a)和按照根据本发明的刺入方法(图3b)制成；和

图4a，4b：刺穿孔的各一个截面图像，该刺穿孔按照传统的刺入方法(图4a)和按照根据本发明的刺入方法(图4b)制成。

具体实施方式

图1示出加工机1的立体图，该加工机示出作为激光加工机的实施例的激光切割机的构造。其它的实施例例如有激光焊接机或组合式冲压/激光切割机。该加工机10例如具有CO₂激光器、二极管激光器或者固体激光器作为激光束产生器2，具有可行走的激光加工头3并具有工件支座4。在激光器2中产生激光束5，该激光束借助(未示出的)光导缆线或者(未示出的)偏转镜从激光器2被导向到加工头3。在工件支座4上布置有工件6。激光束5借助布置在加工头3中的聚焦光具对准工件6。此外，给加工机1供应过程气体7，例如氧气和氮气。替换地或者附加地也可设置压缩空气或者根据应用特定的气体。各种气体的使用取决于要加工的工件6的材料和对切割棱边的质量要求。此外，还有抽吸装置8，它与位于工件支座4下面的抽吸通道9连接。过程气体7被导送给加工头3的过程气体喷嘴10，该过程气体与激光束5一起从该过程气体喷嘴射出。

在使用氧气作为过程气体来切割工件6时，工件6的材料被熔化并且绝大部分被氧化。在使用惰性气体例如氮气或氩气的情况下，该材料仅被熔化。所产生的熔化颗粒则必要时与氧化铁一起被吹出，并且与切割气体一起经过抽吸通道9被抽吸装置8吸走。

图2a至2d中示出刺入到由钢构成的工件6中的本发明刺入方法的各个方法步骤。

在图2a中示出的第一方法步骤a)中，借助脉冲的或者连续的激光束5并且用氧气作为过程气体7刺入到工件6中并形成刺入孔11，该刺入孔不穿透整个工件厚度。有利地，该刺入孔11只延伸进入到工件6的上半部。通过使用氮气作为过程气体7，不发生工件材料的不受控烧损。此外，输入到工件6中的能量保持较小，这在后面切割轮廓时对加工精确度产生积极影响。

在刺入时熔化的工件材料围绕刺入孔11堆积并且在工件上侧面12形成料堆13。在接下来的在图2b中示出的第二方法步骤b)中，将刺入孔11的上部分通过这样方式扩宽：借助现在在工件6上比在步骤a)中调整到更大射束直径的激光束5并且用氧气作为过程气体7，用脉冲的或者连续的激光束在工件上侧面12中相对于刺入孔11同心地产生坑14。

在该第二方法步骤b)中，来自第一步骤a)的料堆13与来自工件表面的其它材料一起被氧气氧化，在此形成的氧化熔渣被从过程气体喷嘴10射出的过程气体流吹走。形成一个浅的坑14，在第一步骤a)中产生的刺入孔11从该坑的底面继续向工件内部延伸。即坑14仅向工件6中延伸达到刺入孔11的几分之一的程度。总体以这样的方式形成漏斗形的部分刺入部(刺入漏斗)15，该刺入漏斗在工件上侧面12中具有清晰限界的边缘和较干净的四周。刺入漏斗15的两级构造具有的优点是，在工件上侧面12上围绕刺入漏斗15周围不再有附着的工件材料，并且，仅发生向工件6中的极小热量输入。此外，刺入漏斗15使得在继续刺穿工件6时的熔化物去除变得容易。

优选在第一步骤a)中激光束5的焦点位于工件上侧面12上方，使得产生作为之后的刺入漏斗15“杆部”的、相对更宽的刺入孔11。特别优选，在第二步骤b)中激光束5的焦点布置在工件上侧面12上方更远处，附加地，激光束5在焦点中的直径，即焦点直径，比在第一步骤a)中大。通过这样的方式使激光束5在工件上侧面12上的功率密度减小并且在工件6上的照射直径变大，使得在照射工件6时在工件上侧面12中形成具有大直径的浅的坑14。

在第一方法步骤a)中就应该已经设定过程气体喷嘴10和工件上侧面12之间的例如约20mm的较大距离d1，使得能够避免由于熔化的金属对过程气体喷嘴10造成污染。在第二方法步骤b)中，过程气体喷嘴10和工件上侧面12之间的距离d2还进一步增大(d2＞d1)，例如到约80mm，使得在工件上侧面12上的照射面扩大。

在图2c中示出的第三方法步骤c)中进行刺入孔11直至工件6的下侧的刺穿，在该第三方法步骤中，激光束5居中地定位在刺入孔11上方，用氧气作为过程气体7并且用脉冲的或者连续的激光束从刺入漏斗15的底部出发穿过工件6刺透，其中，激光束5的焦点由于之前形成的刺入漏斗15而能够比漏斗底部更深地位于工件6中。这对刺穿时的有效率能量输入具有决定性优点，因为能够使激光束5在没有遮蔽的情况下较深地聚焦在材料中，这导致快速的过程进展。

还表明，在方法步骤a)和b)中产生的刺入漏斗15特别好地能够将在步骤c)中继续刺入(刺穿)时产生的熔渣远离刺入孔11地输送出去，如在图2c中通过箭头17标出的那样。通过这种方式，使熔化物在它再次碰到工件表面之前冷却，而不附着在工件上侧面12上。

优选，过程气体喷嘴10和工件上侧面12之间的距离d3在刺穿时比在两个方法步骤a)和b)中的距离d1、d2小(例如约5mm)，使得过程气体可以良好地耦入到刺入孔11中(d3＜d1、d2)。过程气体的压力可以调整得比在方法步骤a)和b)中低。该刺穿可以或者不受调节地以连续提高的激光功率进行，或者在借助已知的刺入传感器装置调节的情况下进行。

处于在第二方法步骤b)中产生的坑14的底部处的、在第一方法步骤a)中产生的刺入孔11在第三方法步骤c)中用作激光束5的光通道。以这种方式激光束更好地到达工件中，并且使激光束达到更好的深度作用。因此，刺穿孔16比原来的刺入孔11具有明显更小的直径，并且，与在迄今通常的刺入方法中相比，发生向工件12中的更小能量输入。

图3a示出具有按照传统刺入方法制造的刺穿孔16的工件上侧面12的图像，图3b示出具有按照本发明刺入方法制造的刺穿孔16的工件上侧面12的图像。图3a中示出的工件上侧面12围绕刺穿孔16周围被熔渣料堆13污染，而在图3b中示出的工件上侧面12上明显较少熔渣堆积，从而能够实现在刺入孔16周围的正确轮廓切割。

图4a示出按照传统刺入方法制造的刺穿孔16的横截面图像，图4b示出按照本发明刺入方法制造的刺穿孔16的横截面图像。图4a中示出的刺穿孔16在工件厚度上具有不规则的、宽的孔直径，而图4b中示出的刺穿孔16的孔直径在工件厚度上更规则、更狭窄，并且只在工件上侧由于刺入漏斗15而可控地扩宽。

在刺穿工件6后，如图2d中示出的那样，可以在可选的第四方法步骤d)中将刺入孔16在开始真正的切割过程之前扩大。这是必要的，如果在切割工件6时的激光束5的焦点直径比在刺入时大。于是在切割时产生更宽的切缝，其中形成多的熔化物。如果刺穿孔16太窄，则在切割开始时形成的熔化物不能足够快地通过刺穿孔16被向下从工件6赶出去，可能发生切割裂纹。

为了扩大刺穿孔16，在第四方法步骤d)中，用比在第三方法步骤c)中调整到更大焦点直径的激光束5照射刺入位置。过程气体7的气压调整到这样高，使得形成的熔化物被可靠地向下从工件6赶出去。激光束5的焦点如在第三方法步骤c)中那样布置在工件上侧面的下方。过程气体10和工件上侧面12之间的距离d4与第三方法步骤c)中的距离d3相当，即d4＝d3。

如在图1中所示，激光加工机1还包括用于选择导送给过程气体喷嘴10的过程气体的装置(例如切换阀)18以及包括控制器19，该控制器被编程，以根据上面所述的刺入方法控制激光加工头3连同它的过程气体喷嘴10一起的移动运动以及控制所述装置18的所选的过程气体7。

Claims (15)

1.用于借助激光束(5)和过程气体(7)刺入金属工件(6)中的方法，具有下列步骤：

a)用惰性气体、尤其氮气作为过程气体(7)，通过用所述激光束(5)刺入到所述工件(6)中，在该工件(6)中构成不穿透的刺入孔(11)；

b)借助在所述工件(6)上调整到比在步骤a)中更大的射束直径的激光束(5)并且用氧气作为过程气体(7)，将所述刺入孔(11)的上部分扩宽成在工件上侧面(12)上尤其同心地围绕所述刺入孔(11)的坑(14)；和

c)借助所述激光束(5)并且用氧气作为过程气体(7)刺穿所述刺入孔(11)。

2.根据权利要求1的方法，其特征为，在步骤a)中，所述激光束(5)的焦点位于所述工件上侧面(12)的上方。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征为，在步骤b)中，所述激光束(5)的焦点比步骤a)中布置在所述工件上侧面(12)上方更远处。

4.根据以上权利要求之一的方法，其特征为，在步骤c)中，焦点布置在所述工件上侧面(12)的下方。

5.根据以上权利要求之一的方法，其特征为，在步骤b)中，所述激光束(5)的焦点直径比在步骤a)中大。

6.根据以上权利要求之一的方法，其特征为，射出所述过程气体(7)的过程气体喷嘴(10)到所述工件上侧面(12)在步骤b)中的距离(d2)比在步骤a)中的距离(d1)大。

7.根据以上权利要求之一的方法，其特征为，射出所述过程气体(7)的过程气体喷嘴(10)到所述工件上侧面(12)在步骤c)中的距离(d3)比在步骤a)和/或步骤b)中的距离(d1、d2)小。

8.根据以上权利要求之一的方法，其特征为，在步骤c)中所述过程气体(7)的压力比在步骤a)和步骤b)中小。

9.根据以上权利要求之一的方法，其特征为，步骤a)到c)直接相继地进行，所述激光束(5)保持连续接通，并且，所述工件上侧面(12)上的射束直径的变化通过加工头(3)垂直于所述工件上侧面(12)移动来进行，其中，步骤a)和b)之间的所述过程气体(7)的变换在所述加工头(3)移动的情况下进行。

10.根据以上权利要求之一的方法，其特征为，在另一步骤d)中，通过用比在步骤c)中调整到更大焦点直径的激光束(5)进行照射，将所述刺入孔(11)的直径扩大。

11.根据权利要求10的方法，其特征为，所述激光束(5)的焦点直径被多次地逐步扩大。

12.根据权利要求10的方法，其特征为，在步骤d)中，所述激光束(5)的焦点直径被连续地扩大到在接下来的切割过程中的焦点直径。

13.根据以上权利要求之一的方法，其特征为，在步骤a)之前，在刺入位置处对所述工件上侧面(12)注油。

14.激光加工机(1)，包括激光束产生器(2)、具有过程气体喷嘴(10)的可移动式激光加工头(3)、用于选择过程气体(7)的装置(18)以及包括控制器(19)，激光束(5)连同所述过程气体(7)一起从所述过程气体喷嘴射出，所述控制器被编程，以按照根据以上权利要求之一的方法来控制所述激光加工头(3)的运动和所述装置(18)的所选的过程气体(7)。

15.计算机程序产品，具有代码单元，当该程序在激光加工机(1)的控制器(16)上运行时，该代码单元适用于执行根据权利要求1至13之一的方法是所有步骤。