CN106660168B - 用于借助激光射束刺入到金属工件中的方法以及相应的激光加工机和计算机程序产品 - Google Patents

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Abstract

一种用于借助从激光加工喷嘴(8)中射出的激光射束(5)和过程气体(7)在刺入部位(11)处刺入到金属工件(6)中的方法，其中，在刺入时一个隆起(14)围绕刺入部位(11)在工件表面(12)上沉积，在该方法中，根据本发明地在刺入期间连续地测量激光加工喷嘴(8)到隆起(14)的间距并且根据所测的间距改变至少一个刺入参数。

Description

用于借助激光射束刺入到金属工件中的方法以及相应的激光 加工机和计算机程序产品
技术领域
本发明涉及一种用于借助从激光加工喷嘴中射出的激光射束和过程气体在刺入部位处刺入到金属工件中的方法，其中，在刺入时在工件表面上围绕刺入部位沉积一个隆起，本发明还涉及一种适用于实施该刺入方法的激光加工机和一种计算机程序产品。
背景技术
在借助激光射束刺入到金属工件中时，尤其是在使用氧气作为过程气体时，必须这样调整激光加工喷嘴到工件的间距，使得将过程气体最佳地导入到过程点中。在刺入到厚板材(板材厚度≥5mm)时由在刺入孔周围的、熔化并且又凝固的金属或金属氧化物形成隆起，所述隆起的尺寸随着板材厚度的增大而显著地增大。在此，特别之处是隆起围绕刺入部位的柱形生长(也称为“Hütchen”)。该现象导致，过程气体耦合随生长的隆起而改变，从而刺入过程不再能最佳地被实施。因此在实际中在刺入厚板时将激光加工喷嘴到板材的刺入间距调整成恒定，该恒定的刺入间距这样选择，使得在“还能容忍的隆起生长”和“还良好的过程气体耦合”之间产生尽可能最好的平衡。恒定的刺入间距必须始终选择得这么大，使得隆起不会生长直到贴到激光加工喷嘴上并且在那里引起损伤。
由WO 2013/007674 A1已知一种切割方法，其中，在切割过程期间由间距调节装置的信号确定工件的表面形貌。
由JP 03000490 A或JPH 04052094 A已知，在刺入时关断间距调节而在接着的切割时在激光加工头走过确定的路程之后才又开启间距调节。在刺入时，将激光加工头连同其激光加工喷嘴一起相对于工件定位在与在接着的切割时相比较大的间距上。
还由未公布的DE 10 2013 210 845.1已知一种用于借助激光射束和过程气体刺入金属工件中的方法，其中，在第一步骤中借助激光射束和过程气体刺透工件得到刺入孔。在第二步骤中，借助当前调整到较大的焦点直径的激光射束熔化在第一步骤中围绕刺入孔在工件表面上沉积的隆起并且在此将其尽可能成型成较平的形状或将其至少部分地去除。
发明内容
本发明的任务在于，这样改进开头提到的类型的方法，使得尽管隆起生长但仍可将过程气体最佳地耦合到刺入部位中，而不会由于隆起的生长而损害激光加工喷嘴。
根据本发明，该任务以下述方式解决，在刺入期间连续地测量激光加工喷嘴到隆起的间距并且根据所测的间距改变至少一个刺入参数，由此尤其通过改变激光加工喷嘴到工件表面的间距将激光加工喷嘴到隆起的间距调节到预给定的额定间距。
根据本发明，借助间距传感装置探测刺入部位处的隆起的生长，然后根据所测的间距改变一个或多个刺入参数。对激光加工喷嘴到隆起(例如到隆起上侧面)的间距的测量例如可通过已知的通常布置在激光加工机的加工头上的电容式间距传感装置进行。替代地，也可感应式地或光学地例如通过光段传感装置(Lichtschnittsensorik)或借助摄像机测量间距。
优选，被改变的刺入参数涉及激光加工机中的激光加工喷嘴的高度位置(z位置)或涉及激光加工喷嘴到真正的工件表面的间距。在隆起生长时，将激光加工喷嘴到工件表面的间距增大，由此将激光加工喷嘴到隆起的间距调节到预给定的(例如恒定的)额定间距。即，相应于隆起的高度在z轴方向上补充调节激光加工喷嘴(或者说激光加工头)的位置。通过补充调节来根据隆起最佳地进行所述过程并且显著地优化所需的过程时间。
对间距传感装置的间距数据的分析处理使得在刺入时能推断出隆起的生长和高度。通过这些信息可在下游实现一调节，该调节在过程进行期间连续地或逐步地调整激光加工喷嘴相对于隆起(即，相对于隆起上侧面)的最佳间距。将激光加工喷嘴到隆起的间距调节到预给定的、尤其恒定的额定间距使得相对于已知的解决方案能更好地将过程气体耦合到刺入部位中，在已知的解决方案中固定地设定激光加工喷嘴到工件表面的间距。激光加工喷嘴到隆起的额定间距可具有恒定值。替代地，所述额定间距在所述过程的进行中可改变。例如，激光加工喷嘴到隆起上侧面的间距可朝刺入过程的结束变小，以便不超过激光加工喷嘴到工件表面之间的间距的边界值。
优选，在刺入期间，根据所测的间距一次地、连续地或逐步地改变以下刺入参数中的至少一个：激光加工喷嘴到工件表面的间距、激光加工喷嘴到隆起的间距、激光射束相对于工件的焦点位置、激光射束的焦点直径、激光射束的功率、由激光加工喷嘴射出的过程气体的气压、和由激光加工喷嘴射出的过程气体的气体种类。通过间距传感装置来测量激光加工喷嘴到隆起(或者说到隆起上侧面)的间距，但是对此的反应既可通过间距改变也可(附加地或替代地)通过其他调整参数(焦点位置、焦点直径、功率、键频率(Tastfrequenz)，气压，气体类型(从开始时的氧气换成氮气)进行。
在根据本发明的方法的扩展方案中，在刺入期间，替代于由间距调节装置的传感器信号地，由激光加工喷嘴与工件表面成直角地走过的路程来求取激光加工喷嘴到真正的工件表面的间距和/或隆起的高度。根据所求取的激光加工喷嘴到工件表面的间距或根据所求取的隆起高度可有利地在刺入期间一次地、连续地或逐步地改变上面提到的其他调整参数中的至少一个。
随着激光加工喷嘴到真正的工件表面的间距的增大，例如可
-使焦点位置向下移动，以便使焦点位置相对于工件表面保持恒定或按希望改变；
-使焦点直径改变，以便使工件上的焦点直径保持恒定或按希望改变。
-提高气压，以便使工件处的气压保持恒定或按希望改变；
-提高激光射束的功率，以便使工件处的功率保持恒定或按希望改变；
-将过程气体例如从开始时的氧气改变成惰性气体。
根据本发明的方法既可在固体激光器切割机上实施也可在具有二氧化碳激光器的激光切割机上实施并且尤其在刺入到板材厚度为至少10mm的厚板材中时是有利的。
本发明在另一方面还涉及一种激光加工机，其包括：用于产生激光射束的激光射束产生器；可运动的激光加工头，该激光加工头具有激光加工喷嘴，激光射束与过程气体一起从该激光加工喷嘴射出；布置在激光加工头上的间距传感装置，用于测量激光加工喷嘴到工件的间距；机器控制装置，其用于使激光加工头运动；和调节装置，该调节装置被编程，以便在借助激光射束刺入到金属工件中期间根据所测量的激光加工喷嘴到隆起(该隆起在刺入时围绕刺入部位在工件表面上沉积)的间距来改变至少一个刺入参数，尤其是通过改变激光加工机中的激光加工头的高度位置来将激光加工喷嘴到隆起的间距调节到预给定的额定间距。
本发明还涉及一种计算机程序产品，其具有代码单元，当该程序在激光加工机的控制装置上运行时，该代码单元被适配用于实施根据本发明的刺入方法的所有步骤。
本发明的主题的其他优点和有利构型可由说明书、附图和权利要求书中得到。之前提出的特征或之后还会举出的特征同样可自身单独使用或在多个特征的情况下以任意组合使用。所示出和所描述的实施方式不应理解为穷举，而是具有用于说明本发明的示例性特征。
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在根据本发明的刺入方法的情况下在时间上的进展；以及
图3在用静止的激光加工头进行的刺入过程期间电容式间距传感装置的变化的测量值在时间上的变化过程。
具体实施方式
在图1中立体地示出实施为激光切割机的激光加工机1。其他实施例例如是激光焊接机或组合式的冲压切割/激光切割机。该激光加工机1例如具有二氧化碳激光器、半导体激光器或固定激光器作为激光射束产生器2、可在X、Y、Z方向上移动的激光加工头3、和工件支承件4。在激光射束产生器2中产生激光射束5，该激光射束借助(未示出)的光导缆线或(未示出)的转向镜从激光射束产生器2被引导到激光加工头3。借助布置在激光加工头3中的聚焦光具使激光射束5对准工件6，该工件布置在工件支承件4上。此外，激光加工机1被供应以过程气体7，例如氧气和氮气。替代地或附加地也可设置压力空气或专用气体。各种气体的使用与待加工工件6的材料和切割棱边方面的质量要求有关。过程气体7被供应给激光加工头3的激光加工喷嘴8，所述过程气体与激光射束5一起从所述激光加工喷嘴射出。
在激光加工头3中集成有间距传感装置9，其用于电容式地测量激光加工喷嘴8和工件6之间的间距A。所述间距测量替代地也可感应式地或光学地进行。
激光加工机1还包括机器控制装置10，用于使激光加工头3连同激光加工喷嘴8一起在X、Y、Z方向上运动。
在图2a至2d中示出在根据本发明地刺入到工件6中时在时间上的进展。所述工件6例如可涉及由钢制成的板材，该板材的板材厚度为至少10mm。
图2a示出刺入过程的开始(时间点t0)，其中，可借助脉冲式或连续的激光射束5并且用氧气作为过程气体7在刺入部位11处刺入到工件6中。激光加工喷嘴8到工件表面12的初始喷嘴间距A0相应于固定地预给定的例如为5mm的额定间距B。
在图2b中在时间点t1借助激光射束5和过程气体7将刺入孔13刺入到工件表面12中，该刺入孔的深度约为工件厚度的1/3。在刺入时融化的工件材料围绕刺入孔13沉积并且在工件上侧面12上形成隆起14。在刺入期间，连续地用间距传感装置9测量激光加工喷嘴8到隆起14的间距并且借助集成在机器控制装置10中的调节装置15将该间距调节到额定间距B。由于隆起14长高，所以激光加工喷嘴8到真正的工件表面12的喷嘴间距A1改变并且比初始喷嘴间距A0大，所大的值为隆起14的高度H(A1>A0)。此外，随着喷嘴间距A的改变，与刺入过程相关地有意义的是：通过机器控制装置10或调节装置15相对于工件表面12适配激光射束5的焦点位置。尤其可将所述焦点位置向下移动，以便使焦点相对于工件6的位置保持恒定。
在图2c中，刺入孔13在时间点t2的深度约为工件厚度的2/3。隆起14的厚度H相应地进一步增长并且激光加工喷嘴8到隆起14的间距被调节到额定间距B。由于隆起14进一步长高，所以激光加工喷嘴8到真正的工件表面12的喷嘴间距A2也增长并且比初始喷嘴间距A0大，所大的值为隆起14的高度H(A2>A1>A0)。
最后，图2d示出时间点t3，在该时间点刺透刺入孔13并且刺入过程结束。如果隆起14，如在图2d中示出的那样，已从工件上侧面12脱离，则激光加工喷嘴8相对于工件表面12又处于初始间距A0。
替代于或附加于调节激光加工喷嘴8到隆起14的间距或适配焦点位置，也可根据喷嘴间距A或隆起14的高度H来改变其他刺入参数，即：
-焦点直径，以便使工件6上的焦点直径保持恒定；
-过程气体7的气压，以便使工件6处的气压保持恒定。在图2a至2c中气压的上升示意性地通过流动箭头的不同宽度表示；
-激光射束5的功率，以便使工件6上的功率保持恒定；
-过程气体7的气体种类，例如从开始时的氧气改变为惰性气体。
为此，在刺入期间由激光加工喷嘴8的与工件表面12成直角地走过的路程来求取喷嘴间距A和/或隆起14的高度H。
在图3中示例性地示出在用静止的激光加工头3进行的刺入过程期间电容式间距传感装置9的变化的测量值(过滤过的)在时间上的变化过程。测量值由于隆起14的生长，即由于隆起上侧面和激光加工喷嘴8之间的间距的减小而改变。所测量的传感器信号变化过程例如可借助存放在调节装置15中的、之前在测试测量中通过实践求取的换算特征曲线来换算成激光加工喷嘴8到隆起14的实际间距的变化过程。所求取的数据用作用于调节激光加工喷嘴8和隆起14之间的间距的基础。

Claims (9)

1.一种用于借助从激光加工喷嘴(8)中射出的激光射束(5)和过程气体(7)在刺入部位(11)处刺入到金属工件(6)中的方法，其中，在刺入时围绕所述刺入部位(11)在工件表面(12)上沉积隆起(14)，
其特征在于，
在所述刺入期间，连续地测量所述激光加工喷嘴(8)到所述隆起(14)的间距，并且，在刺入期间根据所测量的间距来改变所述激光加工喷嘴(8)到所述工件表面(12)的间距(A)或所述激光加工喷嘴(8)到所述隆起(14)的间距。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述刺入期间根据所测量的间距来附加地改变以下刺入参数中的至少一个：所述激光射束(5)相对于所述工件(6)的焦点位置、所述激光射束(5)的焦点直径、所述激光射束(5)的功率、由所述激光加工喷嘴(8)射出的过程气体(7)的气压、和由所述激光加工喷嘴(8)射出的过程气体(7)的气体种类。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过改变所述激光加工喷嘴(8)到所述工件表面(12)的间距(A)来将所述激光加工喷嘴(8)到所述隆起(14)的间距调节到预给定的额定间距(B)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述额定间距(B)是恒定的或在所述刺入期间改变。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述刺入期间由所述激光加工喷嘴(8)与所述工件表面(12)成直角地走过的路程来求取所述激光加工喷嘴(8)到所述工件表面(12)的间距(A)和/或所述隆起(14)的高度(H)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述刺入期间，根据所求取的所述激光加工喷嘴(8)到所述工件表面(12)的间距(A)或根据所求取的所述隆起(14)的高度(H)改变以下刺入参数中的至少一个：所述激光射束(5)相对于所述工件(6)的焦点位置、所述激光射束(5)的焦点直径、所述激光射束(5)的功率、由所述激光加工喷嘴(8)射出的过程气体(7)的气压、和由所述激光加工喷嘴(8)射出的过程气体(7)的气体种类。
7.一种激光加工机(1)，其包括：用于产生激光射束(5)的激光射束产生器(2)；可运动的激光加工头(3)，该激光加工头具有激光加工喷嘴(8)，所述激光射束(5)与过程气体(7)一起从所述激光加工喷嘴射出；用于测量所述激光加工喷嘴(8)到工件(6)的间距的间距传感装置(9)；用于使所述激光加工头(3)运动的机器控制装置(10)；和调节装置(15)，其中，在刺入时围绕刺入部位(11)在工件表面(12)上沉积隆起，该调节装置被编程，以便在借助所述激光射束(5)刺入到金属工件(6)中期间根据所测量的所述激光加工喷嘴(8)到所述隆起(14)的间距来改变所述激光加工喷嘴(8)到所述工件表面(12)的间距(A)或所述激光加工喷嘴(8)到该隆起(14)的间距。
8.根据权利要求7所述的激光加工机，其特征在于，所述调节装置(15)被编程，以便通过改变所述激光加工喷嘴(8)到所述工件表面(12)的间距来将所述激光加工喷嘴(8)到所述隆起(14)的间距调节到预给定的额定间距(B)。
9.一种用于存储计算机程序产品的存储介质，该计算机程序产品具有代码单元，当所述程序在激光加工机(1)的控制装置(10，15)上运行时，所述代码单元被适配用于实施根据权利要求1至6中之一所述的方法的全部步骤。
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