CN105377499A - 用于去除在借助激光束形成通孔时在工件表面上堆积的料堆的方法 - Google Patents

用于去除在借助激光束形成通孔时在工件表面上堆积的料堆的方法 Download PDF

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Abstract

一种用于借助激光束(5)和从过程气体喷嘴(10)中射出的过程气体(7)，尤其氧气或氮气，在金属工件(6)中形成通孔(14)的方法，具有下列步骤：a)使所述激光束(5)与所述过程气体(7)一起刺入到所述金属工件(6)中，构成不穿透的刺入孔(11)；b)通过在所述激光束(5)关闭的情况下所述过程气体喷嘴(10)在所述刺入孔(11)旁边经过和/或越过所述刺入孔(11)运动，借助过程气体和/或惰性气体，将在步骤a)中在所述工件表面(12)上围绕所述刺入孔(11)周围堆积的料堆(13)去除，所述过程气体和/或惰性气体的气压比在步骤a)中高；c)用所述激光束(5)和所述过程气体(7)将所述刺入孔(11)刺穿。

Description

用于去除在借助激光束形成通孔时在工件表面上堆积的料堆的方法
技术领域
本发明涉及一种用于借助激光束和从过程气体喷嘴中射出的过程气体、尤其氧气或氮气在金属工件中形成通孔的方法。
背景技术
在激光切割时，在激光束刺入到金属工件中时，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JP11090670A已知一种刺入方法，在该方法中，在刺入过程结束后，通过用喷嘴圆形环绕料堆走过和用高压气体射流吹走来去除附着的金属熔渣。
由JP2009190064A已知一种刺入方法，在该方法中，在第一方法步骤中用氧气作为过程气体刺入，使得在工件表面上形成金属氧化物料堆，这种金属氧化物料堆的附着没有熔化的金属那么强。在第二方法步骤中用氮气作为过程气体实施穿刺，其中，熔化的金属堆积在所述金属氧化物上。通过用气体冲击吹去或者通过用喷嘴在料堆上走过，即通过刮擦运动，在刺入过程后将料堆从工件表面去除。
发明内容
本发明面临的任务是，给出一种用于刺入到具有大于10mm的工件厚度的金属工件、尤其板形工件中的替换方法。
根据本发明，该任务通过一种用于借助激光束和从过程气体喷嘴射出的过程气体、尤其氧气或氮气在金属工件中形成通孔的方法解决，具有下列步骤：
a)通过所述激光束带有所述过程气体地刺入到所述工件中，在该工件中构成不穿透的刺入孔；
b)在所述激光束关闭的情况下，通过所述过程气体喷嘴在所述刺入孔旁边经过和/或越过所述刺入孔的运动，借助过程气体和/或惰性气体，将在步骤a)中在所述工件表面上围绕所述刺入孔周围堆积的料堆去除，所述过程气体和/或惰性气体的气压比在步骤a)中高；和
c)用所述激光束并用所述过程气体将所述刺入孔刺穿。
即，在根据本发明的方法中，对工件表面的清洁在刺穿圆满完成之前进行，而不是在刺穿操作结束之后才进行。这具有的优点是，在刺穿时能够使喷嘴到工件表面的距离减小，使得激光束的焦点能够更深地处于工件中。此外，过程气体向刺入孔中的耦入在喷嘴到工件的距离更小的情况下被改善，使得刺入更快地进行。
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过程气体向工件中进行不完全穿透工件的刺入，该刺入例如应最大达到工件厚度的一半。过程气体喷嘴和工件表面之间的距离在此比在接下来的切割过程中选择得大，以避免过程气体喷嘴的污染。在氧气作为过程气体的情况下，通过熔化的工件材料与氧气的反应形成相对容易从工件脱离的、围绕刺入孔的、氧化的熔渣料堆，该熔渣料堆不与工件表面焊接。优选在步骤a)中激光束的焦点位于工件表面的上方。
在可选的中间步骤中，通过用比在第一方法步骤中小的激光功率对料堆进行散焦照射来实施熔渣料堆的“再氧化”。在此，也可以用氧气作为过程气体。在该中间步骤中，为了激光束的散焦，加工头离开工件表面地向上移动，使得过程气体喷嘴和工件表面之间的距离比在第一方法步骤a)中大。熔渣料堆通过该中间步骤变得多孔化，因为进行了熔渣中的FeO成份向Fe2O3的转变。也可能出现熔渣料堆从工件的部分剥落。
在下一方法步骤b)中，在过程气体喷嘴移动运动期间，尤其用氮气(或其它惰性气体)作为过程气体将熔渣料堆从工件吹走。气压在此明显比在步骤a)中更高，其中，从步骤a)到步骤b)的压力增高尽可能地冲击式进行。激光在过程气体喷嘴移动运动期间是关闭的。过程气体喷嘴和工件表面之间的距离调整得尽可能小，以达到施加到料堆上的足够高的气体冲击用于将该料堆吹走。
在根据本发明的最后方法步骤c)中，用优选脉冲的激光束作为过程气体的氮气或氧气完全刺透刺入孔。过程气体喷嘴到工件表面的距离在此优选比在步骤a)中小，使得实现过程气体向刺入孔中的良好耦入。优选这样选择在步骤a)中产生的刺入孔的深度和宽度，使得在步骤c)中产生的熔渣停留在刺入孔内部，不到达工件表面。优选在步骤c)中激光束的焦点位于工件中或者在工件的下方。在工件厚度较大的情况下，根据本发明的方法的这两个步骤a)和b)都可以多次进行，直到然后在步骤c)中实现完全刺透。工件表面的围绕刺入孔周围的区域在刺透之后不具有熔渣或者附着熔化物形式的料堆。因此，接下来能够切割具有极小尺寸的轮廓，例如狭窄的长形孔。
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，并且能够实现尽可能干净的刺入孔以及工艺可靠的切割起始，尤其在加工由铝或不锈钢构成的、具有约10mm到25mm工件厚度的工件时。
如果在方法步骤c)中激光束的焦点直径比在步骤a)中大或者在方法步骤c)期间被渐渐增大，则随着刺穿同时进行刺入孔的扩宽。这具有的优点是，即使用比刺入时更宽的焦点直径进行切割，也能够过程安全地进行从较大刺入孔出发的切割起始，因为附带产生的熔化物或熔渣被良好地从工件向下地赶出去。焦点直径的扩大可以例如通过加工头中的透镜的移动实现。替换地或者补充地，在激光束被光纤导向的情况下，可以进行双层光纤的芯和壳之间的照射路径转换。焦点直径连续增大至用于接下来的切割过程的直径有利地提高了在刺穿孔扩大时的过程安全性。
在方法步骤b)中，过程气体喷嘴优选交叉地越过刺入孔上方运动，以可靠地将料堆去除。将过程气体喷嘴，更准确地讲过程气体喷嘴固定于其上的可移动式激光加工头，在方法步骤a)之后并且必要时在所述中间步骤之后，离开刺入孔水平地向第一角点移动。在该移动运动中或者在该第一角点上，过程气体喷嘴降低，之后以相对于工件的较小距离水平地在刺入孔旁边经过向第二角点移动。接着，过程气体喷嘴又提升并且越过刺入孔上方向第三角点移动。在该第三角点上，过程气体喷嘴又降低。过程气体喷嘴的提升和降低也可以在移动运动期间进行，使得产生越过刺入孔的弧形运动走向。从第三角点出发，过程气体喷嘴平行于工件表面在刺入孔旁边经过向第四角点移动。过程气体喷嘴从第四角点对中地越过刺入孔运动，而在此不再提升。在过程气体喷嘴围绕和越过刺入孔进行吹走运动时，位于加工头上的距离调节装置优选是关闭的。
以这样的形式产生一种运动顺序，在该运动顺序中，在刺入孔的相对置的两侧上，过程气体喷嘴以相对于工件的较小距离进行在刺入孔旁边经过的运动。在该运动中，气体射流以高压从侧面过来打到料堆上，使料堆通过这种方式从工件表面脱离。附加地，随着过程气体喷嘴到工件的距离增大以防止由于料堆而对过程气体喷嘴造成损伤，过程气体喷嘴进行越过料堆的运动，使得也发生来自上方的气体作用。所有三种作用方向的组合使得能够实现过程安全地将料堆去除。可能还存在的料堆残留最终在过程气体喷嘴以相对于刺入孔中心的小喷嘴距离移动运动时被过程气体喷嘴从板材表面推开。
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、用于调整过程气体压力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调整的过程气体压力。
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；和
图3a，3b：在图2c中示出的第三方法步骤中的一种特定运动顺序的立体视图(图3a)和看向工件的俯视图(图3b)。
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示出用于在比10毫米厚的金属工件中形成通孔的本发明方法的各个方法步骤。
在图2a中示出的第一方法步骤中，用脉冲的或者连续的激光束5并且用氧气作为过程气体进行到工件6中的刺入孔11，该刺入孔应最多达到至工件厚度的一半，也就是说无论如何不完全穿透。优选激光束5的焦点在工件表面12的上方。过程气体喷嘴10和工件表面12之间的距离d1在此选择得比在接下来的切割过程中大，以避免污染过程气体喷嘴10。通过熔化的工件材料与氧气的反应形成相对容易从工件6脱离的、围绕刺入孔11的、氧化的熔渣料堆13，该熔渣料堆13不与工件表面12焊接。
在图2b中示出的可选的第二方法步骤中，通过用具有比在第一方法步骤中小的激光功效的激光束5散焦地照射熔渣料堆13，实施对熔渣料堆13的“再氧化”。在此也是氧气用作过程气体7。在第二方法步骤中，为了激光束5散焦，使加工头3离开工件表面13向上移动，使得过程气体喷嘴10和工件表面12之间的距离d2比在第一方法步骤中大(d2＞d1)。熔渣料堆13通过该中间步骤变得多孔化，因为进行了熔渣中的FeO成份向Fe2O3的转变。也可能已经出现熔渣料堆13从工件6的部分剥落。
在图2c中示出的第三方法步骤中，在过程气体喷嘴10移动运动期间，用氮气(或其它惰性气体)作为过程气体7将熔渣料堆13从工件6吹走。在此气压比在第一方法步骤中明显更高，其中，从第二到第三方法步骤的压力升高尽可能地冲击式地进行。激光束在过程气体喷嘴10移动运动期间是关闭的。过程气体喷嘴和工件表面之间的距离d3调整到尽可能小(d3＜d1)，以在料堆13上获得足够高的、用于将该料堆13吹走的气体冲击。
在图2d中示出的第四方法步骤中，用脉冲的激光束5和作为过程气体7的氮气或氧气(压力例如是6bar，由此比在第一方法步骤中高)完全刺透刺入孔11并且构成通孔14。过程气体喷嘴10到工件表面12的距离d4在此比在第一方法步骤中小，使得激光束5的焦点位于工件6中或者在工件6的下方并且过程气体7良好地耦入到刺入孔11中。工件表面12的围绕通孔14周围的区域不具有熔渣或者附着熔化物形式的料堆。如果在第四方法步骤中激光束5的焦点直径比在第一方法步骤中大或者在第三方法步骤期间被渐渐增大，则可以在穿透的同时实现刺入孔11的扩大。接下来，从所述通孔14出发，可以将具有极小尺寸的轮廓，例如狭窄的长形孔，切割到工件6中。
图3a、3b中示出过程气体喷嘴10在刺入孔11上的、根据本发明的运动顺序，以可靠地将料堆13去除。过程气体喷嘴10或者激光加工头3离开刺入孔11，水平地向第一角点A移动(箭头1)。在该移动运动中或者在该第一角点A上，过程气体喷嘴10降低，之后以相对于工件6的较小距离水平地从刺入孔11旁边经过向第二角点B运动(箭头2)。接着，过程气体喷嘴10又提升并且越过刺入孔11向第三角点C移动(箭头3)，该第三角点C的X坐标与第一角点A的X坐标一致。在三角点C上，过程气体喷嘴10又降低。过程气体喷嘴10的提升和降低也可以在移动运动期间进行，使得产生越过刺入孔11的弧形运动走向。从第三角点C出发，过程气体喷嘴10平行于工件表面地从刺入孔11旁边经过向第四角点D移动(箭头4)，该第四角点D的X坐标与第二角点B的X坐标相当。从第四角点，过程气体喷嘴10对中地向刺入孔11上方运动(箭头5)，而在此不再提升。以这种方式形成交叉形的运动顺序，在该运动顺序中，在刺入孔11相对置的两侧上，过程气体喷嘴10以相对于工件6的较小距离进行在刺入孔11旁边经过的运动。这样的运动顺序可以多次重复。
在运动时，气体射流以高压从侧面过来打到料堆上13，通过这种方式使料堆从工件表面12脱离。附加地，随着过程气体喷嘴10到工件6的距离增大以防止由于料堆而对过程气体喷嘴10造成损伤，过程气体喷嘴10进行越过料堆13的运动，使得也发生来自上方的气体作用。所有三种作用方向的组合使得能够实现过程安全地将料堆13去除。可能还存在的料堆残留最终在过程气体喷嘴10以相对于刺入孔中心的小喷嘴距离移动运动时被过程气体喷嘴10从板材表面12推开。
如图1示出的那样，激光加工机1还包括用于调整导送给过程气体喷嘴10的过程气体压力的装置(例如压力调节器)15并且包括控制器16，将该控制器被编程，以根据上面所述的刺入方法来控制激光加工头3与它的过程气体喷嘴10一起的移动运动以及在装置15上调整的过程气体压力。

Claims (17)

1.用于借助激光束(5)和从过程气体喷嘴(10)射出的过程气体(7)，尤其氧气或氮气，在金属工件(6)中形成通孔(14)的方法，具有下列步骤：
a)通过所述激光束(5)在所述过程气体(7)流入的情况下刺入到所述工件(6)中，在该工件(6)中构成不穿透的刺入孔(11)；
b)在所述激光束(5)关闭的情况下，通过所述过程气体喷嘴(10)在所述刺入孔(11)旁边经过和/或越过所述刺入孔(11)的运动，借助过程气体和/或惰性气体，将在步骤a)中在所述工件表面(12)上围绕所述刺入孔(11)周围堆积的料堆(13)去除，所述过程气体和/或惰性气体的气压比在步骤a)中高；和
c)用所述激光束(5)并用所述过程气体(7)将所述刺入孔(11)刺穿。
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表面(12)的上方。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征为，在步骤c)中，所述激光束(5)的焦点位于所述工件(6)中或者在所述工件(6)下方。
4.根据以上权利要求之一的方法，其特征为，射出过程气体(7)的过程气体喷嘴(10)到所述工件表面(12)在步骤c)中的距离(d4)比在步骤a)中的距离(d1)小。
5.根据以上权利要求之一的方法，其特征为，在步骤c)中过程气体压力比在步骤a)中大。
6.根据以上权利要求之一的方法，其特征为，在步骤c)中所述激光束(5)的焦点直径比在步骤a)中大。
7.根据以上权利要求之一的方法，其特征为，在步骤c)中所述激光束(5)的焦点直径断续分级地或者连续地从刺入直径增大到切割焦点直径。
8.根据以上权利要求之一的方法，其特征为，从步骤a)到步骤b)的压力增大冲击式地进行。
9.根据以上权利要求之一的方法，其特征为，在步骤b)中，使所述过程气体喷嘴(10)以交叉形式越过所述刺入孔(11)运动。
10.根据以上权利要求之一的方法，其特征为，在步骤b)中，使所述过程气体喷嘴(10)在所述刺入孔(11)的两侧在平行轨迹中从所述刺入孔(11)旁边经过地运动。
11.根据以上权利要求之一的方法，其特征为，所述过程气体喷嘴(10)到所述工件表面(12)的距离(d3)在越过所述刺入孔(11)上方运动时比在从所述刺入孔(11)旁边经过地运动时大。
12.根据以上权利要求之一的方法，其特征为，在步骤b)中过程气体压力比在步骤c)中大。
13.根据以上权利要求之一的方法，其特征为，在一个在步骤b)之前实施的中间步骤中，用具有比在方法步骤a)中小的激光功率的激光束(5)并用氧气作为过程气体(7)来照射所述料堆(13)。
14.根据权利要求13的方法，其特征为，在所述中间步骤中的激光束(5)与在步骤a)中的激光束(5)相比是散焦的。
15.根据权利要求13或14的方法，其特征为，在所述中间步骤中，所述过程气体喷嘴(10)和所述工件表面(12)之间的距离(d2)比在步骤a)中的距离(d1)大。
16.激光加工机(1)，包括激光束发生器(2)、具有过程气体喷嘴(10)的可移动式激光加工头(3)、用于调整过程气体压力的装置(15)并包括控制器(16)，激光束(5)和过程气体(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(15)的所调整的过程气体压力。
17.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15之一的方法的所有步骤。
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