CN105531073B - 用于机械加工、尤其用于机械焊接加工的方法，以及过程气体供应的调整装置用的控制装置 - Google Patents
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Abstract
提出一种借助热加工射线(18)、尤其借助激光射线对工件尤其是板状工件、管和/或型材进行机械加工、尤其进行机械焊接加工的方法，在该方法中，在加工射线(18)和工件(3)相对运动的情况下进行工件加工，其中，以可调的单位时间过程气体量将过程气体供应到加工区(20)。在所保存的稳定化时间结束之后自动减少单位时间的过程气体供应量，在该稳定化时间内继续在加工射线(18)和工件(3)相对运动的情况下进行工件加工。此外还提出一种根据这种方法的过程气体供应的调整装置(23)用的控制装置(24)。
Description
技术领域
本发明涉及一种借助热加工射线、尤其借助激光射线对工件，尤其是板类工件、管和/或型材，进行机械加工、尤其进行机械焊接加工的方法。所述工件加工在加工射线和工件相对运动的情况下进行，其中，以可调的单位时间过程气体量将至少一种过程气体供应到加工区。
此外，本发明涉及一种这种机械加工的加工区的过程气体供应的调整装置用的控制装置。
背景技术
尤其在激光焊接时，例如借助气体喷嘴将过程气体供应到加工区。所述过程气体主要可用于将加工部位与环境空气隔绝。由此例如防止被加工射线熔化的材料与环境空气反应。因此，过程气体在这种情况下还构成保护气体。使用惰性气体，例如氦气、氩气或者二氧化碳，作为保护气体。视应用情况而定，也使用具有多种过程气体的过程气体混合物。
但也可以将有针对性地与工件材料进行反应并由此例如将附加能量带到加工区中的气体作为过程气体供应到加工区。在该情况下，过程气体用作工作气体。
此外还可以将一过程气体附加地或补充地供应到加工区，以保护加工设备的部件不受加工部位的辐射的影响。在激光加工时使用这种过程气体(Crossjet-Gas/横向喷射气体)，例如用于保护加工部位附近的光学元件。
总体来说，过程气体供应(以及例如引起的辐射导出)对加工过程有决定性的影响并且决定性地确定加工结果的质量。
由DE 38 27 451 C1说明一种用于借助激光加工射线来加工工件的装置，其特征在于能特别动态地控制的过程气体供应。
从DE 38 24 048 A1已知，在一种用于借助激光加工射线来加工工件的方法中，基于对加工区的声学和光学监测来调节所供应的单位时间过程气体量。在该已知的方法中，访问所保存的过程曲线图，参照该过程曲线图确定过程气体供应的额定值。
发明内容
以现有技术为基础，本发明的任务在于提供一种用于机械加工的方法以及一种过程气体供应的调整装置用的控制装置，所述方法以及所述控制装置使得能够在不损失加工结果的质量并且在没有费事的调节装置的情况下实现减小过程气体的消耗。
本发明提出解决该任务的方法以及控制装置。
本发明在方法方面的特征在于，在工件加工开始时，供应基于所保存的第一预先给定值调整到的单位时间过程气体量。在保存的稳定化时间内在加工射线和工件相对运动的情况下继续进行工件加工，在该稳定化时间结束之后自动减小单位时间过程气体量。这以下述方式进行：供应基于所保存的、较小的第二预先给定值调整到的单位时间过程气体量。
由于所供应的单位时间过程气体量在预先确定的稳定化时间之后自动减小，所以可以产生极大的过程气体节省。就此而言，本发明基于这样的认识：在加工射线相对于工件运动的情况下的连续加工过程中，在开始时需要较高的过程气体量。加工过程在开始时间之后稳定化。形成了一定量的金属熔液。充足的气体垫包围加工部位。总体上出现稳定的气体流动等等。本发明还利用这样的认识：在相同类型的加工的情况下，稳定化时间很大程度上一致。相同类型的加工或者说应用要理解为基本上具有相同过程参数的加工，所述过程参数例如包括工件特性、焊缝几何形状、加工速率、喷嘴几何形状等等。不需要费事的监测装置和调节装置来实现显著的过程气体节省。可以通过试验求取所述预先给定值和所述稳定化时间，并且将它们保存起来用于之后的加工的自动控制。
所述预先给定值和稳定化时间可以用不同的方式和方法保存。它们可以直接作为关于单位时间过程气体量的、例如呈体积流量值或者质量流量值形式的值保存。稳定化时间可以作为时间值、例如作为秒数给出。但是所述预先给定值和稳定化时间的保持也可以间接地进行，其方式是，保存与其相关的值或者曲线图。因此，第二预先给定值例如可以仅被定义为第一预先给定值的百分数。稳定化时间例如可以通过加工路段给定，在该加工路段之后进行根据本发明的过程气体减少。所述保存尤其通过存储到存储介质上来进行，尤其是作为加工程序的一部分或者作为加工程序中的参考进行存储，所述加工程序被运行用于控制工件加工。
基于预先给定值来调整单位时间过程气体量。所述预先给定值尤其表示单位时间过程气体量的与时间相关的额定值，或者说可直接或间接地从该预先给定值推导出过程气体供应的调整装置(阀)用的调整值。如果例如基于过程监测进行附加的过程气体调节，则所述预先给定值就此而言也可用作基值，以所述基值为出发点通过所述过程气体调节进行进一步的调整。
在本发明的一种优选变形方案中，在整个稳定化时间期间将基于第一预先给定值调整的单位时间过程气体量供应到加工区。通过由此产生的、保持不变的气体加载来促进加工区的稳定化。
本发明的一种特别优选的实施例的特征在于，在稳定化时间之后将供应到加工区的单位时间过程气体量在一段过渡时间上逐渐从基于第一预先给定值的单位时间过程气体量减小到基于第二预先给定值的单位时间过程气体量。由于是逐渐减小的，所以在稳定化时间上所调整到的比例不会骤然改变。对过程稳定性并进而在最后对加工结果质量有不利影响的断流的危险被极大地降低。
在实践中被证明为有利的是：在为稳定化时间的20％到60％之间、优选为稳定化时间的30％到50％之间的过渡时间上的逐渐减小。
在一种特别优选的变形方案的情况中，在稳定化时间之后基于所保存的斜坡函数使供应到加工区的单位时间过程气体量减小，即所述减小按照线性函数进行。产生一种可在控制技术上简单实现的变形方案。此类线性斜坡函数可容易地在加工程序中体现。必要时也可以采用保存在阀的控制装置中的标准斜坡函数。
优选在所述减小之后的至少将近整个进一步焊接加工期间(即直至激光射线18被关停)，基于第二预先给定值调整所供应的单位时间的过程气体供应量。
在本发明的一种有利的变形方案中产生特别节省成本，在该变形方案中，根据本发明地控制的过程气体用于保护加工部位不受环境空气影响，并且所述过程气体优选是氦气、氩气、二氧化碳和/或氮气。显而易见，也可能有利的是，不是仅使用一种过程气体，而是使用混合物，尤其由上面提到的过程气体中的多种组成的混合物作为保护气体混合物。
在一种优选实施例中，在加工时借助单独的过程气体供应部将至少第二过程气体供应到加工区，其中，与第一过程气体的单位时间过程气体量无关地对所供应的、所述第二过程气体的单位时间过程气体量进行调整。所述第二过程气体尤其涉及能够满足不同于第一过程气体的功能和/或能满足附加功能的气体。尤其例如涉及工作气体或者横向喷射气体。这些气体的最佳单位时间供应量取决于其它关系或要求，因此单独控制这些过程气体会带来更好的加工结果。
如果多种过程气体或者说一种过程气体混合物尤其借助同一过程气体供应部被使用于同一功能，例如作为保护气体，那么在一种优选变形方案中，可在所述稳定化时间之后使供应到加工区的过程气体混合物的单位时间总量减小。
但是也可设想本发明的一种有利的变形方案，在该变形方案中，过程气体混合物的单位时间总量在所述稳定化时间之后在很大程度上更微弱地减小，保持不变或者甚至增大。因此，在稳定化时间之后例如可仅减小一种过程气体的单位时间量，而至少一种另外的过程气体的单位时间量这样上升，使得总量在总体上较小地减小，保持不变或者甚至上升。该变形方案的优点是，流动情况保持不变或者可以至少与某单个过程气体的减少无关地被影响。因此，在该变形方案中，过程气体混合物的成分在所述稳定化时间之后发生变化。如果其单位时间量被减小的所述过程气体涉及一种较贵的过程气体(例如氦气)，但所述另外的过程气体更便宜，那么尽管如此仍然产生极大的成本节省。
在一加工中，加工射线在工件加工期间连贯地作用于工件并且执行基本上相同类型的加工(尤其是完成连续的焊缝)，特别有利的是在所述加工中使用本发明，而不会损失加工结果的质量。
根据本发明的涉及装置的方面，在加工区的过程气体供应的调整装置用的控制装置中能够保存有、尤其已经保存有至少一个针对单位时间过程气体量的第一预先给定值和较小的第二预先给定值以及稳定化时间。借助根据本发明的控制装置能这样控制所述调整装置，即在加工开始时基于第一预先给定值调整所供应的单位时间过程气体量，并且在稳定化时间之后，基于第二预先给定值调整单位时间过程气体量，在所述稳定化时间期间在加工射线和工件相对运动的情况下进行工件加工。
优选借助阀单元、尤其借助例如通过总线系统与控制装置连接的比例流量控制阀来调整单位时间过程气体量。所述阀单元必要时自身也具有所述控制装置的部件，例如存储器件，在该存储器件中保存有函数，如用于改变单位时间过程气体量的斜坡函数。
根据本发明的另一方面，用于借助热加工射线、尤其借助激光射线对工件尤其是板类工件、管和/或型材进行机械加工、尤其进行机械焊接加工的设备配有根据本发明的控制装置。优选地，该控制装置集成在数字化设备控制装置之中。
此外，本发明可有利地在一种用于运行此类设备的加工程序中得到体现。因此，根据本发明的加工程序具有过程气体供应的调整装置用的控制命令，当该加工程序在数字化设备控制装置上运行时，所述控制命令可引起执行根据本发明的方法。
最后，本发明可在一种计算机程序产品中得到体现，所述计算机程序产品具有编码工具，当在数据处理设备上运行该计算机程序产品时，所述编码工具适配成用于执行用来完成此类加工程序的方法。该计算机程序产品具有可运行的、呈编程系统形式的计算机程序，所述计算机程序尤其为第一和第二预先给定值以及为所述稳定化时间提供自动的输入和/或选择可能性。
所述编程系统优选基于技术数据库、根据应用或加工为所述预先给定值和所述稳定化时间提供推荐值，所述应用或者说加工通过其它过程参数被限定。尤其地，操作者可以采用或修改所述推荐值。该编程系统也可以具有输入可能性，在所述输入可能性中一般可以选择以过程-节省模式加工或者选择在没有根据本发明的过程气体减少的情况下加工。
附图说明
在下文中参照示意性的附图对本发明进行解释。附图中示出：
图1用于借助激光射线对工件进行机械焊接加工的设备，
图2图1中的设备的加工区和用于过程气体供应的系统，以及
图3供应到加工区的单位时间过程气体量作为加工时间的函数的曲线图。
具体实施方式
根据图1，用于对尤其金属工件进行激光焊接加工的设备1具有用于在加工期间支承工件3的工件支承台2，具有带激光加工喷嘴5的激光加工头4以及具有用于使激光加工喷嘴5相对于工件3运动的运动单元6。
运动单元6设置在机器基体7上，并且包括三个可以直线移动的运动滑座8、9、10，借助这些运动滑座可使激光加工头4关于三个垂直地延伸的运动轴线11、12、13运动。在滑座10上，激光加工头4能够围绕垂直驱动轴线14旋转，并且可以围绕未示出的水平摆转轴摆转。激光加工头4或者说激光加工喷嘴5可以借助运动单元6比较自由地沿着工件3跟随待建立的焊缝16任意走向。
在机器基体7上，在侧面布置有供应单元17。此外，供应单元17包括激光共振器以及至少部分地包括用于过程气体供应的系统(未示出)。通过射线导向以及供应管线19将激光共振器中产生的激光加工射线18以及将过程气体供应到加工区20。在供应单元17下面示例性地示出用来控制设备1的数字化设备控制装置21。
设备1的所示出的构造(尤其是机器轴线的构造)以及供应单元17和设备控制装置21的空间布置仅具有示例性的特征。多种变型是可设想的。
在图1中示出在加工工件3时的设备1。在工件3上借助激光射线18来完成焊缝16。借助运动单元6使激光射线18相对于工件3沿着运动轴线13运动。在连续的过程中(在此期间不关停或停止激光射线18)完成连续的焊缝16。根据图1，焊缝16的第一区段已经完成。
在图2中示出设备1的加工区20，带有激光加工头4的局部图。此外，很示意性地示出用于过程气体供应的系统22，包括用于过程气体供应的调整装置23和所附属的控制装置24。
从图2可以看出，过程气体能够在三条不同的线路上被供应到加工区20。借助横向喷射喷嘴25，一种过程气体可以横向于激光射线18的走向流入，并且经由仅仅示意表示的流出开口26再流出。通过该横向喷射气体防止加工部位27的辐射可能到达在图2中的更上方示出的呈透镜28形式的光学聚焦装置，激光射线18在所述加工部位处击中工件3。
另一过程气体供应通过激光加工喷嘴5中的过程气体通道29来进行。经由通道29供应的过程气体基本上与激光射线18同轴地流向加工部位27。通过这种供应方式例如供应工作气体，如空气。
最后借助布置在侧面的、指向加工部位27的气体喷嘴30进行另一过程气体供应。以该方式供应的过程气体或者以该方式供应的过程气体混合物用作保护气体。通过该过程气体将加工部位27有效地与环境空气隔绝。例如使用氦气、氩气、氮气或二氧化碳或由所述气体中的多种组成的混合物作为保护气体。
为了调整供应到加工区的各个单位时间过程气体量，喷嘴25、30或通道29分别通过一比例流量控制阀单元31与各个气源32连接。这些比例流量控制阀单元31分别包括比例流量控制阀33和控制单元34，中央设备控制装置21可以通过所述控制单元来控制比例流量控制阀33。在控制单元34之中保存有(标准)控制函数，尤其是用于改变单位时间过程气体量的斜坡函数。控制单元34尤其通过总线系统35与中央设备控制装置21连接。比例流量控制阀单元31例如是供应单元17的一部分。
在设备控制装置21上设置有加工程序36，运行该加工程序以执行焊接加工。加工程序36包括控制命令，这些控制命令尤其确定供应到加工区的单位时间过程气体量。在该意义上而言，过程气体供应的调整装置23的控制装置24很大程度上集成在数字化设备控制装置21之中。
尤其地，通过控制装置24或设备控制装置21中的加工程序36保存稳定化时间以及针对单位时间过程气体量的第一预先给定值和较小的第二预先给定值，所述单位时间过程气体量应该借助侧面的气体喷嘴30作为保护气体被供应到加工区20。基于所述预先给定值和所述稳定化时间进行配属给气体喷嘴30的比例流量阀33的控制，从而产生在图3中示意性示出的单位时间过程气体量的走向。
在加工开始时(t1)，激光加工喷嘴5定位在待产生的焊缝16的起始部位上方。接通激光射线18。至少几乎同时开始供应保护气体。供应基于第一预先给定值调整到的单位时间保护气体量(Q1)。该单位时间保护气体量例如为17l/min。
现在，在工件3上产生第一焊缝区段，其方式是，使激光射线18沿着工件3运动，直至预先给定的稳定化时间结束(t2)。从加工的开始(t1)直至达到所述稳定化时间例如经过了5到6秒。
在不使激光射线18停止其相对于工件3的相对运动或者在不关断激光射线18的情况下，从该时刻起，在过渡时间上逐渐使单位时间过程气体量减小。当调整到基于第二个预先给定值的单位时间过程气体量(Q2)时，过渡时间结束(t3)。单位时间过程气体量此时例如仅为10l/min。因此，例如可以将单位时间过程气体量减小40％。过渡时间例如长达3秒，即在稳定化时间的30％到50％之间。
以减小后的单位时间过程气体量(Q2)来执行整个进一步的焊接加工。在焊接加工结束时(t3)关停激光射线并且停止过程气体供应。在其期间供应减小后的单位时间过程气体量(Q2)的时间段主要与焊缝16的长度有关。在该焊接加工结束之后，可以在工件3的另一个部位进行进一步的焊接加工，并且重复上面所说的流程。
当通过气体喷嘴30供应保护气体混合物时，可以按类似的方式控制保护气体混合物的单位时间总气体量。此外需提及的是，在所解释的加工方法期间，例如可以给加工区20不供应或者供应单独控制的单位时间工作气体量和/或不供应或者供应单独控制的单位时间横向喷射气体量。
在数字化设备控制装置21上还设置有呈计算机程序产品形式的编程系统37，所述计算机程序产品具有编程工具，当在数字化设备控制装置21上运行该计算机程序产品时，所述编码工具适配成用于执行用来完成加工程序36的方法。
但是也可以在单独的数据处理设备上运行所述计算机程序产品，并且随后将以此完成的加工程序36传输到设备控制装置21上。
编程系统37针对第一预先给定值和第二预先给定值以及稳定化时间具有自动的输入和/或选择可能性38。编程系统37尤其还包括技术数据库39，在该数据库之中针对不同的应用保存有预先给定值以及稳定化时间的推荐值。操作者可以采用或者修改所述推荐值。也可以借助输入和/或选择可能性38提前在以过程-节省模式加工或者在没有自动的过程气体减少的情况下加工之间进行选择。
Claims (11)
1.用于借助激光射线(18)对工件进行机械加工的方法，在该方法中，在所述激光射线(18)和所述工件(3)相对运动的情况下进行工件加工，其中，以能够调整的单位时间过程气体量将过程气体供应到加工部位(27)，所述过程气体用于保护加工部位不受环境空气影响和/或用于有针对性地与工件材料进行反应，其特征在于，在加工开始时将基于保存的第一预先给定值调整到的单位时间过程气体量供应到所述加工部位(27)，并且在保存的稳定化时间之后将基于所保存的第二预先给定值调整到的单位时间过程气体量供应到所述加工部位，在所述稳定化时间内在所述激光射线(18)和所述工件(3)相对运动的情况下继续进行所述工件加工，其中，所述第二预先给定值小于所述第一预先给定值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在整个所述稳定化时间期间将基于第一预先给定值调整到的单位时间过程气体量供应到所述加工部位(27)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述稳定化时间之后将供应到所述加工部位(27)的单位时间过程气体量经过一段过渡时间逐渐从基于第一预先给定值的单位时间过程气体量减小到基于第二预先给定值的单位时间过程气体量。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述稳定化时间之后基于所保存的斜坡函数使供应到所述加工部位(27)的单位时间过程气体量减小。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述过程气体是氦气、氩气、二氧化碳和/或氮气。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，至少将一第二过程气体供应到所述加工部位(27)，其中，独立于第一过程气体的单位时间过程气体量地调整所供应的、第二过程气体的单位时间过程气体量。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将所述过程气体连同一种或多种其他过程气体以过程气体混合物的形式供应到所述加工部位(27)，以保护所述加工部位(27)不受到环境空气的影响，并且在所述稳定化时间之后基于第一预先给定值和第二预先给定值使所述过程气体混合物的单位时间总过程气体量减小。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述激光射线(18)在所述工件加工期间连贯地作用于所述工件(3)并且执行相同类型的加工。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述过渡时间为所述稳定化时间的20％到60％之间。
10.用于调整装置(23)的控制装置(24)，在借助激光射线(18)对工件进行机械加工时，所述调整装置将过程气体供应到加工部位(27)，所述过程气体用于保护加工部位不受环境空气影响和/或用于有针对性地与工件材料进行反应，其中，在所述激光射线(18)和所述工件(3)相对运动的情况下进行工件加工，其特征在于，在所述控制装置(24)中保存有至少一个针对单位时间过程气体量的第一预先给定值和较小的第二预先给定值以及稳定化时间，并且所述调整装置(23)能够借助所述控制装置(24)这样控制，即在加工开始时基于第一预先给定值来调整所供应的单位时间过程气体量，并且在稳定化时间之后，基于第二预先给定值来调整单位时间过程气体量，在所述稳定化时间内在所述激光射线(18)和所述工件(3)相对运动的情况下继续进行工件加工。
11.用于借助激光射线(18)对工件进行机械加工的设备(1)，该设备具有权利要求10所述的控制装置(24)。
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