CN115279540A

CN115279540A - 用于借助激光束刺入到工件中的方法和设备

Info

Publication number: CN115279540A
Application number: CN202180020368.2A
Authority: CN
Inventors: N·韦肯曼; J·林德
Original assignee: Precitec GmbH and Co KG
Current assignee: Precitec GmbH and Co KG
Priority date: 2020-03-12
Filing date: 2021-03-09
Publication date: 2022-11-01
Also published as: US20230141278A1; EP4117853A1; WO2021180711A1; DE102020106734A1

Abstract

根据本法说明了一种借助激光束刺入到工件中的方法，包括：将脉冲激光束(10)照射到工件(1)上，用于形成刺穿部(9)，其中，所述脉冲激光束(10)的照射的平均脉冲功率(P_mittel)在刺入期间减小。

Description

用于借助激光束刺入到工件中的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于借助激光束刺入到工件中的方法和设备，尤其涉及一种用于在激光加工材料中控制刺入过程的方法和设备。

背景技术

在用于借助激光进行材料加工的设备中，例如在用于激光切割的激光加工头中，从激光源或从激光传导光纤的一端发出的激光束借助射束引导和聚焦光学器件聚焦或聚束到待加工的工件上。根据标准使用具有准直光学器件和聚焦光学器件的激光加工头，其中，激光通过光纤(也称为激光源)供应。

在激光加工材料的范畴内，尤其在激光切割的范畴内可以借助激光束实现到工件中的刺入过程。该刺入过程先于在激光切割时的真正切割过程。在该过程中，在工件中产生一个初始孔或者说刺穿部，其用作切割过程的起点。因此，刺入过程或刺入到工件中也可以称为刺穿过程或者说刺穿工件。因为例如没有刺穿部就不能开始后续的激光切割过程，所以成功地刺穿工件对于激光切割起着重要作用。刺入过程的持续时间、质量和稳定性取决于多个过程参数。在此主要地，刺入过程的持续时间，即激活加工射束与刺穿材料或工件之间的时间段(也称为刺穿时间或刺入持续时间)是对于加工过程效率的关键因素。刺入过程的持续时间取决于刺入深度随时间的变化率。刺入深度随时间的变化率在下面称为刺入率并且也反映了过程效率。

现有技术说明了不同的刺入方法，其中在刺入过程直至刺穿内提高脉冲频率或平均激光功率，以便使对于给定材料厚度的刺入持续时间或刺穿时间最小化。US 5 434 383A说明了一种具有缩短的持续时间的刺入方法，在该刺入方法中，脉冲频率和脉冲占空比在刺入期间逐级增加。同样，DE 11 2009 001 200 B4说明了一种用于刺穿和随后切割的激光加工方法，其中，以第一频率开始穿孔并且以大于第一频率的第二频率继续穿孔。相反地，在US 6 693 256 B2中，最大激光功率在刺入期间逐步增加。

更高激光功率和更大板材厚度或工件厚度的趋势使刺入过程变得困难，并且不但导致更长的刺穿时间，而且更频繁地导致刺入停止，在刺入停止时刺入率接近零并且因此无法刺穿。

发明内容

本发明的一个任务是说明一种借助激光束(也称为加工射束)用于刺入到工件中的方法和设备，通过该方法和设备可以优化刺入过程，尤其用于刺入到较厚的材料厚度中或厚的工件中，该工件例如具有大于10mm或甚至大于20mm的厚度。

本发明的另一任务是说明一种用于借助激光束刺入到工件中的方法和设备，通过该方法和设备可以使刺入持续时间最小化或者使刺入率最大化。

本发明的另一任务是说明一种用于借助激光束刺入到工件中的方法和设备，通过该方法和设备可以确保可靠的刺穿并且可以防止刺入停止。

这些任务通过独立权利要求的特征来解决。优选实施方式的特征在从属权利要求中给出。

本发明基于以下认识：可以通过将激光束的有针对性地或受控地输入到加工区中的能量，尤其通过有针对性地或受控地减小激光束在刺入过程期间照射到加工区中的平均脉冲功率来优化刺入过程。在此，可以根据以下过程参数和边界条件中的至少一个来控制能量输入：材料厚度、材料种类、瞬时或当前刺入时间、瞬时或当前刺入深度、工艺气体种类、工艺气体压力、焦点位置、光学系统的成像比、喷嘴类型、喷嘴直径、激光束的强度分布、焦点直径和到工件上侧的喷嘴距离。基于所提及的参数，到刺入孔或加工区中的能量输入可以根据当前刺入时间和/或刺入深度通过脉冲开启时间、脉冲关闭时间和/或脉冲峰值功率进行适配。

根据一个方面，说明了一种借助激光束(也称为加工射束)刺入到工件中的方法。该方法包括：使脉冲激光束照射到工件上以形成刺穿部，其中，脉冲激光束的照射的平均脉冲功率在刺入期间或在刺穿时间期间减小，例如至少减小一次。刺穿时间在此可以表示刺入或刺穿过程的持续时间，即从激光束接通或首次照射直至刺穿工件的时间段。换言之，用于借助脉冲激光束刺入到工件中的方法包括：第一刺入步骤，其中将具有第一平均脉冲功率的脉冲激光束对准或照射到工件上。第二刺入步骤，其中将具有第二平均脉冲功率的脉冲激光束对准或照射到工件上，其中，第一平均脉冲功率大于第二平均脉冲功率。优选地，照射的平均脉冲功率在刺入期间或在刺穿时间期间至少减小一次。照射的平均脉冲功率可以离散地减小，即逐步或连续地减小，或也可以以由离散和连续变化的任意组合减小。照射的平均脉冲功率在刺入期间或在刺穿时间期间多次减小。因此可以执行多于两个刺入步骤，其分别具有不同的平均脉冲功率，并且分别低于在之前刺入步骤中的平均脉冲功率。照射的平均脉冲功率在刺入步骤期间可以是恒定的。脉冲激光束的照射的平均脉冲功率可以在刺入期间单调或严格单调地减小。脉冲激光束在刺入或刺穿时间开始时的照射的平均脉冲功率可以大于在刺穿时，即在刺入或刺穿时间结束时的照射的平均脉冲功率。优选地，在刺穿时间期间，即从刺入开始直至刺穿，照射的平均脉冲功率的拟合或回归线具有负斜率。脉冲激光束的照射的平均脉冲功率可以通过以下调整或改变中的至少一个减小：延长脉冲关闭时间、减小脉冲峰值功率、缩短脉冲接通时间、降低脉冲频率和减小脉冲占空比。尤其可以通过改变脉冲开启时间和脉冲关闭时间减小照射的平均脉冲功率：例如，如果脉冲开启时间小于脉冲关闭时间地延长，则可以延长脉冲关闭时间和脉冲开启时间。在另一示例中，如果脉冲开启时间比脉冲关闭时间缩短得更多，则可以缩短脉冲关闭时间和脉冲开启时间。在另一示例中，如果脉冲开启时间缩短，则脉冲关闭时间可以保持恒定。如果通过延长脉冲关闭时间减小照射的平均脉冲功率，则脉冲峰值功率和/或脉冲开启时间和/或脉冲能量可以在刺入期间或刺穿时间期间保持恒定。在一个实施方式中，方法可以具有至少两个刺入步骤，其中，在第一刺入步骤中，第一平均脉冲功率大于或等于平均极限脉冲功率，并且在第二刺入步骤中，第二平均脉冲功率小于第一平均脉冲功率和/或大于平均极限的脉冲功率。可选地，方法可以包括第三刺入步骤，其中第三平均脉冲功率小于第二平均脉冲功率。平均极限脉冲功率可以表示刺入率接近零或出现刺入停止或在刺入时出现饱和的平均脉冲功率。平均极限脉冲功率可以根据工件的材料和/或厚度预给定。

根据另一方面，说明了一种借助激光束(也称为加工射束)刺入到工件中的方法。该方法包括：将脉冲激光束照射到工件上以形成刺穿部，其中，脉冲激光束的脉冲关闭时间在刺入期间或在刺穿时间期间减小，例如至少减小一次。刺穿时间在此可以表示刺入或刺穿过程的持续时间，即从激光束第一次接通直至刺穿工件的时间段。换言之，用于借助脉冲激光束刺入到工件中的方法包括：第一刺入步骤，其中将具有第一脉冲关闭时间的脉冲激光束对准或照射到工件上；和第二刺入步骤，其中将具有第二脉冲关闭时间的脉冲激光束对准或照射到工件上，其中，第一脉冲关闭时间小于第二脉冲关闭时间。优选地，脉冲关闭时间在刺入期间或在刺穿时间期间至少减小一次。脉冲激光束的脉冲关闭时间可以离散地延长，即逐步或连续地延长，或也可以以由离散和连续变化的任意组合延长。脉冲关闭时间可以在刺入期间或在刺穿时间期间多次减小。因此可以执行多于两个刺入步骤，其分别具有不同的脉冲关闭时间，并且分别长于在前一个刺入步骤中的脉冲关闭时间。脉冲关闭时间在刺入步骤期间可以是恒定的。脉冲关闭时间可以在刺入期间单调或严格单调地增大。脉冲激光束的脉冲关闭时间在刺入或刺穿时间开始时可以小于在刺穿时，即在刺入或刺穿时间结束时的脉冲关闭时间。优选地，在刺穿时间期间，即从刺入开始直至刺穿，脉冲关闭时间的拟合或回归线具有正斜率。脉冲激光束的脉冲关闭时间可以通过降低脉冲频率和减小脉冲占空比延长。脉冲峰值功率和/或脉冲开启时间和/或脉冲能量可以在刺入期间或在刺穿时间期间保持恒定。在一个实施方式中，方法可以具有至少两个刺入步骤，其中，在第一刺入步骤中，第一脉冲关闭时间小于或等于极限脉冲关闭时间，并且在第二刺入步骤中，第二脉冲关闭时间大于第一脉冲关闭时间和/或大于极限脉冲关闭时间。可选地，方法可以包括第三刺入步骤，其中第三脉冲关闭时间大于第二脉冲关闭时间。极限脉冲关闭时间可以表示刺入率接近零或出现刺入停止或在刺入时出现饱和的脉冲关闭时间。极限脉冲关闭时间可以根据工件的材料和/或厚度预给定。

根据一个另外的方面，说明了一种借助激光束(也称为加工射束)刺入到工件中的方法。该方法包括：将脉冲激光束照射到工件上以形成刺穿部，其中，脉冲激光束的脉冲频率在刺入期间或在刺穿时间期间减小，例如至少减小一次。刺穿时间在此可以表示刺入或刺入过程的持续时间，即从激光束第一次接通直至刺穿工件的时间段。换言之，用于借助脉冲激光束刺入到工件中的方法包括：第一刺入步骤，其中将具有第一脉冲频率的脉冲激光束对准或照射到工件上；和第二刺入步骤，其中将具有第二脉冲频率的脉冲激光束对准或照射到工件上，其中，第一脉冲频率大于第二脉冲频率。优选地，脉冲频率在刺入期间或在刺穿时间期间至少减小一次。脉冲激光束的脉冲频率可以离散地延长，即逐级或连续地延长，或也可以以由离散和连续变化的任意组合延长。脉冲频率可以在刺入期间或在刺穿时间期间多次减小。因此可以执行多于两个刺入步骤，其分别具有不同的脉冲频率，并且分别小于在前一个刺入步骤中的脉冲频率。脉冲频率在刺入步骤期间可以是恒定的。脉冲频率可以在刺入期间单调或严格单调地降低。脉冲激光束的脉冲频率在刺入或刺穿时间开始时可以大于在刺穿时，即在刺入或刺穿时间结束时的脉冲频率。优选地，在刺穿时间期间，即从刺入开始直至刺穿，脉冲频率的拟合或回归线具有负斜率。脉冲激光束的脉冲频率可以通过延长脉冲关闭时间降低。脉冲峰值功率和/或脉冲开启时间和/或脉冲能量可以在刺入期间或在刺穿时间期间保持恒定。在一个实施方式中，方法可以具有至少两个刺入步骤，其中，在第一刺入步骤中，第一脉冲频率大于或等于极限脉冲频率，并且在第二刺入步骤中，第二脉冲频率小于第一脉冲频率和/或小于极限脉冲频率。可选地，方法可以包括第三刺入步骤，其中第三脉冲频率小于第二脉冲频率。极限脉冲频率可以表示刺入率接近零或出现刺入停止或在刺入时出现饱和的脉冲频率。极限脉冲频率可以根据工件的材料和/或厚度预给定。

这些方面中的每一个可以具有如下特征中的一个或多个：

脉冲参数可以包括照射的平均脉冲功率、脉冲关闭时间、脉冲开启时间、脉冲频率、脉冲周期、脉冲占空比和/或脉冲峰值功率。选自包括照射的平均脉冲功率、脉冲关闭时间、脉冲开启时间、脉冲频率、脉冲占空比和脉冲峰值功率的组中的至少一个脉冲参数可以根据工件的材料和/或厚度(也称为材料厚度)和/或瞬时刺入时间和/或瞬时刺入深度调整。尤其可以根据工件的材料和/或厚度选择第一脉冲频率、第一平均脉冲功率和/或第一脉冲关闭时间。可以基于瞬时刺入时间和/或瞬时刺入深度来调整脉冲频率、平均脉冲功率和/或脉冲关闭时间，尤其在紧接着第一刺入步骤之后的刺入步骤中。尤其，选自包括照射的平均脉冲功率、脉冲关闭时间、脉冲开启时间、脉冲频率、脉冲占空比和脉冲峰值功率的组中的至少一个脉冲参数，基于工件厚度、工件材料、工艺气体种类、工艺气体压力、焦点位置、光学系统或激光加工头的成像比、焦点直径和到工件上侧的喷嘴距离并且根据当前刺入时间和/或刺入深度来改变。

优选地，脉冲开启时间在刺入期间或刺穿时间期间是恒定的。可以根据工件的材料或厚度调整脉冲开启时间。

优选地，脉冲峰值功率在刺入期间或刺穿时间期间是恒定的。可以根据工件的材料或厚度来调整脉冲峰值功率。

优选地，脉冲能量在刺入期间或刺穿时间期间是恒定的。换言之，脉冲峰值功率和脉冲开启时间的乘积可以调整为恒定的。脉冲能量可以根据工件的材料或厚度来调整。可选地，用于脉冲能量的最小值可以根据工件的材料或厚度来调整。

优选地，各个刺入步骤的持续时间具有不同长度。例如，第一刺入步骤的持续时间可以长于随后的，例如第二或第三刺入步骤的持续时间。此外，在平均脉冲功率、脉冲关闭时间和/或脉冲频率离散或逐级变化的情况下，第一变化，即从第一刺入步骤到第二刺入步骤的变化可以大于第二变化，即从第二刺入步骤到第三刺入步骤的变化。

在一个实施方式中，在刺入开始时和/或在第一刺入步骤中所使用的脉冲频率可以大于或等于极限脉冲频率。极限脉冲频率可以根据工件的材料和/或厚度预给定。

在一个实施方式中，在刺入开始时和/或在第一刺入步骤中所使用的脉冲关闭时间可以大于或等于极限脉冲关闭时间。极限脉冲关闭时间可以根据工件的材料和/或厚度预给定。

优选地，脉冲开启时间，例如在刺穿持续时间期间，在0.01ms至100ms之间的范围内(0.01ms≤t_an≤100ms)，尤其在0.1ms至10ms之间(0.1ms≤t_an≤10ms)。优选地，脉冲关闭时间，例如在刺穿持续时间期间，在0.01ms至100ms之间的范围内(0.01ms≤t_aus≤100ms)，尤其在0.1ms至10ms之间(0.1ms≤t_aus≤10ms)。

优选地，脉冲激光束的脉冲开启时间或脉冲周期，例如在刺穿持续时间期间，位于微秒或毫秒的范围内。在这种情况下，可以主要通过熔化工件进行刺入。可以使用光纤激光器、盘式激光器或直接二极管激光器。脉冲激光束的波长优选在800nm至1300nm的范围内。

优选地，脉冲频率根据工件的厚度来调整。在10mm至15mm的工件厚度的情况下，脉冲频率，例如在刺穿持续时间期间，可以位于400Hz至3000Hz之间(400Hz≤f≤3000Hz)、尤其在600Hz至1500Hz之间(600Hz≤f≤1500Hz)的范围内。在此，脉冲频率可以在刺入期间至少改变一次。在15mm至20mm的工件厚度的情况下，脉冲频率，例如在刺穿持续时间期间，可以位于300Hz至2000Hz(300Hz≤f≤2000Hz)之间、尤其在400Hz至900Hz之间(400Hz≤f≤900Hz)的范围内。在此，脉冲频率可以在刺入期间至少改变一次。在20mm至25mm的工件厚度的情况下，脉冲频率，例如在刺穿持续时间期间，可以位于300Hz至1500Hz(300Hz≤f≤1500Hz)之间、尤其在400Hz至800Hz之间(400Hz≤f≤800Hz)的范围内。在此，脉冲频率可以在刺入期间至少改变两次。在大于25mm的工件厚度的情况下，脉冲频率，例如在刺穿持续时间期间，可以位于200Hz至1000Hz(200Hz≤f≤1000Hz)之间、尤其在400Hz至700Hz之间(400Hz≤f≤700Hz)的范围内。在此，脉冲频率可以在刺入期间至少改变两次。

所述方法可以用于刺入到具有至少10mm厚度、尤其具有至少20mm厚度，例如具有30mm厚度的工件中。脉冲激光束在刺入期间的脉冲峰值功率优选至少为4kW并且尤其可以大于或等于6kW。

材料可以是金属工件。该工件可以由金属构成或可以包括金属。工件可以包括或者是板材。此外，工件或板材的材料可包括或是结构钢合金、不锈钢合金、铝合金、铜合金、黄铜合金、结构钢、不锈钢、铝、铜和黄铜。

优选地，在刺入期间，将惰性工艺气体，例如氮气、氩气等对准工件。工艺气体可以与激光束同轴地作用到工件上。

用于刺入的方法可用于准备用于激光切割的方法。换言之，该方法还可以包括：借助激光从刺穿部出发切割工件。因此，根据本发明的一个实施方式，还说明了一种用于激光切割的方法，包括根据本发明所述的一个实施方式的用于刺入的方法，和借助激光束从刺穿部出发切割。在(整个)用于刺入的方法期间或在(整个)刺入期间，激光束(也称为加工射束)可以是脉冲式的。在激光切割期间优选连续地使用激光束。当然，可以使用可能具有不同参数的相同激光束，用于激光切割和刺入。换言之，用于刺入的激光束和用于激光切割的激光束可以来自同一激光源。

根据另一方面，说明了一种用于工件的激光加工材料的设备。该设备包括用于产生激光束的激光源；用于将激光束照射到工件上的激光加工头；以及设置为用于控制该设备、尤其是激光源和/或激光加工头的控制装置，以便执行根据在此所描述的实施方式之一的用于刺入的方法。

在本发明的范畴内，脉冲关闭时间可以定义为脉冲周期的时间，其中照射功率低于预给定的阈值，例如低于最大激光功率或脉冲峰值功率的30％、20％或10％。换言之，在本发明的范畴内，脉冲开启时间可以定义为脉冲周期的时间，其中照射功率高于预给定的阈值，例如高于最大激光功率或脉冲峰值功率的30％或20％或10％。

此外，在本发明的范围内，脉冲参数，例如照射的平均脉冲功率、脉冲峰值功率、脉冲频率、脉冲周期、脉冲关闭时间、脉冲开启时间、脉冲占空比和/或脉冲能量位于该脉冲参数的平均值的±0.2或±0.1倍的范围内，而不是恒定的。

附图说明

在附图中示出并且在下面更详细地描述本发明的实施例。附图示出了：

图1：根据本发明的实施方式的用于激光加工材料的设备的示意性结构，

图2：脉冲参数的示意图，

图3A：对于不同工件厚度的刺穿时间根据脉冲频率的测量值的曲线图，

图3B：具有不同脉冲频率的刺入到30mm厚的不锈钢板材中的刺入过程的显微图像，

图4A：在第一时间点的具有极限脉冲频率的刺入过程的示意图，

图4B：在出现刺入停止之后的第二时间点的图4A的刺入过程的示意图，

图5：根据本发明的实施方式的在用于以逐步降低的脉冲频率刺入的方法期间根据刺入时间的脉冲频率的示意图，

图6：根据本发明的实施方式的在恒定的脉冲开启时间的情况下在用于以逐步降低的脉冲频率刺入的方法期间根据刺入时间的照射激光功率或者照射脉冲序列的示意图，

图7A至D：在图6的用于刺入的方法期间脉冲频率和刺入深度之间的相关性的示意图，

图8根据本发明的实施方式的在用于以逐级降低的脉冲频率刺入的方法期间脉冲频率根据刺入时间的示意图，和

图9根据本发明的实施方式的在用于以脉冲频率的拟合线降低的刺入的方法期间脉冲频率根据刺入时间的示意图。

在下面，只要不另外强调，对于相同或相同作用的元件使用相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出根据本发明的实施方式的用于激光加工材料的设备的示意图。用于激光加工材料的设备可以包括用于将激光束10照射到工件1上的激光加工头100、尤其激光切割头，用于产生激光束10的激光源200和控制装置300。控制装置300设置或配置为用于控制设备，尤其相应于根据在本发明中描述的实施方式之一的方法控制设备。

激光源200发射激光束10，也称为加工射束，其通过加工光学器件被引导并聚焦到工件1上。加工光学器件和/或激光源200与控制装置300连接。除控制功能以外，控制装置300也可以具有分析评估和/或计算功能。加工光学器件可以具有用于射束引导和射束成形的透射和/或反射光学元件。此外，用于激光加工材料的设备可以具有用于将工艺气体供应到工件1上的加工区中的气体供应装置。

在刺入期间，激光束10脉冲地对准工件1。在图2中示出关于脉冲参数的示意性总览图。脉冲周期或脉冲周期T由脉冲开启时间t_an和脉冲关闭时间t_aus得出：

T＝t_an+t_aus

脉冲开启时间t_an表示激光脉冲的在将能量照射到工件1上期间的时间段。相应地，脉冲关闭时间t_aus表示没有或几乎没有能量照射到工件1上期间的时间段。脉冲周期T的倒数称为脉冲频率：f＝1/T。因此，脉冲频率不但取决于脉冲开启时间而且取决于脉冲关闭时间。脉冲开启时间与脉冲周期之间的比称为脉冲占空比R(Duty cycle)：R＝t_an/T。脉冲峰值功率P_peak可以相应于由激光源200提供的最大激光功率，下面称为最大激光功率P_max。在脉冲期间的照射能量，即所谓的脉冲能量由脉冲峰值功率与脉冲开启时间的乘积计算得出：

E_Puls＝P_peak*t_an

因此，照射的平均脉冲功率由占空比与脉冲峰值功率的乘积或由脉冲峰值功率与脉冲开启时间和脉冲频率的乘积计算得出：

P_mittel＝P_peak*R＝P_peak*t_an*f＝P_peak*(1-t_aus/(t_an+t_aus))

在本发明的意义上，不但可以将没有能量照射期间的脉冲周期时间视为脉冲关闭时间，而且可以将照射能量或照射功率保持低于阈值期间的脉冲周期时间视为脉冲关闭时间。在图2中，对于照射功率的这种阈值绘制为P_SW,aus。即一旦当前照射到工件上的功率低于该阈值P_SW,aus，就出现一个脉冲关闭时间。例如，阈值可以为最大激光功率的30％(P_SW,aus＝0.3*P_max)或最大激光功率的20％或者甚至是最大激光功率的10％。

根据本发明，控制装置300设置为用于根据以下过程参数和边界条件中的一个或多个来控制输入到加工区中或工件1上的能量：材料厚度或工件厚度、工件的材料、当前刺入时间、当前刺入深度、工艺气体种类、工艺气体压力、焦点位置、光学系统的成像比、焦点直径和到工件上侧的喷嘴距离。基于所述参数中的至少一个，能量输入可以通过脉冲开启时间(t_an)、脉冲关闭时间(t_aus)和/或脉冲峰值功率(P_peak)根据当前刺入时间或刺入深度来控制。通过知晓在过程区中的作用关系能够有针对性地适配过程参数和从而提高过程效率。

通常，刺入率(每单位时间的刺入深度的变化)随着刺入深度增大而降低，并且刺穿时间，即从激光束第一次照射到工件上直至刺穿的时间段，随着刺入深度s增大而增加。图3A示出对于不同的材料厚度或工件厚度(以毫米为单位)根据所选择的脉冲频率(以赫兹为单位)的刺穿时间(以秒为单位)。在此，在整个刺入过程期间，脉冲频率是恒定的。随着脉冲频率降低，刺穿时间不成比例地增加。其原因尤其是由于熔融物在刺入孔的壁上增加的再凝固。结果，刺入率降低并且过程效率下降。此外，以阴影线绘制出饱和区域，在该饱和区域中深度去除停止，以及与材料厚度相关的所谓的极限脉冲频率。极限脉冲频率描述了一个脉冲频率阈值，在给定的过程参数和边界条件下，从该阈值起不再能够实现可靠的刺穿。随着材料厚度的增大，极限脉冲频率朝向较小的脉冲频率移动。

在图3B中示出借助6kW的脉冲峰值功率刺穿到30mm厚的不锈钢工件中的显微图像(参见图3A中的最上方曲线)。在脉冲频率为350Hz(恒定)时，刺穿时间为3.6s(图3B中左起第一张图像)，在脉冲频率为400Hz(恒定)时，刺穿时间为2.5s(在图3B中左起第二张图像)，在脉冲频率为500Hz(恒定)时，刺穿时间为1.7s(在图3B中左起第三张图像)。在脉冲频率为588Hz(恒定)时，发生刺入停止(没有刺穿，在图3B中右侧)。

在图4A和4B中示意性地示出对于两个不同时间点在以极限脉冲频率刺入时的刺入孔3。从确定的刺入深度s开始，各脉冲之间的时间(脉冲关闭时间)太短或脉冲频率太大，而无法从刺入孔3中排出足够量的熔化材料，从而导致刺入停止。刺入停止的另一个原因是随着刺入深度s增大和熔化材料到离开刺入孔3之前必须经过的路径增大(参见图4A)，激光束10在刺入底部5上的耦合能量减小。随着刺入深度的增加，照射能量也越来越多地加热刺入孔3的侧面，从而可能发生空穴状的熔化。在材料厚度较厚，例如大于20mm的情况下，可能出现刺入过程饱和(参见图4B)，如果脉冲频率任意大或大于相应的极限脉冲频率，则刺入率接近0(刺入停止)。刺入孔3中的残余熔融物和随后的脉冲导致加工区的加热逐脉冲地越来越大。由此在刺入孔中产生热量积累(脉冲至脉冲机理)，从而导致确定的材料区域横向于刺入方向熔化，并且刺入底部5总是又被材料填满。之前达到的刺入深度s减小并且因此出现极限刺入深度s_grenz(参见图4B和3B右侧)。不能实现安全刺穿(沿刺入方向的刺入停止)。

为了避免刺入停止并且同时缩短刺穿时间，根据本发明在刺入期间照射到工件上的平均脉冲功率降低。由此可以使沿着刺入深度的刺入率最大化并且同时确保刺穿。下面描述根据本发明的用于刺入的方法的多个实施方式。

下面根据实施方式说明用于刺入到工件中的方法以及用于激光加工材料的设备，该设备具有控制装置，其设置为用于执行该方法。根据实施方式，通过在刺入期间降低脉冲频率来减小照射的平均脉冲功率。然而，本发明不限于此。替代地，可以通过例如延长脉冲关闭时间和/或缩短脉冲开启时间和/或减小占空比来减小照射的平均脉冲功率。

在图5所示的实施方式中，脉冲频率逐级或逐步或离散地降低。例如，在刺穿时间期间，脉冲频率至少降低一次，优选地至少降低两次。在这种情况下，用于刺入的方法可以至少包括具有第一脉冲频率f₁的第一刺入步骤(步骤1)和具有第二脉冲频率f₂的第二刺入步骤(步骤2)，其中，第一脉冲频率f₁大于第二脉冲频率f₂。因此，第一刺入步骤(步骤1)发生在刺入开始时，而第二刺入步骤(步骤2)发生在第一刺入步骤(步骤1)之后。然而，该方法也可以具有任意数量的刺入步骤，例如n个，其中，每个刺入步骤的脉冲频率低于前一个刺入步骤的脉冲频率。脉冲速率在刺入步骤期间可以是恒定的。替代地，如下面对图9所述的那样，脉冲频率在刺入步骤期间可以为该第n个刺入步骤的平均脉冲频率f_n的在80％至120％,优选在90％至110％的范围内(即f_n±0.2*f_n或f_n±0.1*f_n)。刺入步骤之间的脉冲频率变化，即Δf_1,2可以是相同或不同的。优选地，第一变化，即ΔΔf_1,2大于第二变化，即Δf_2,3。同样，各个刺入步骤的持续时间可以是相同或不同的。优选地，第一刺入步骤的持续时间最长。

对于逐渐或离散降低替代地，脉冲频率可以在刺穿时间期间以由离散和连续降低的任意组合减小(也参见图8)。

关于图5描述了脉冲频率(f₂＜f₁)的至少一个变化或降低。在刺入开始时或刺穿时间f₁开始时的脉冲频率和/或随后刺入步骤的脉冲频率f₂至f_n可以根据工件的厚度和/或瞬时刺入时间和/或瞬时刺入深度来调整。

在一个实施方式中，具有可变脉冲频率的刺入可以以脉冲频率的两个变化实现。优选地，在刺入开始时和/或在第一刺入步骤中的脉冲频率大于或等于对于该工件的极限脉冲频率，所述极限脉冲频率可以取决于工件厚度和工件材料。

在图6中示意性地示出另一实施方式。同样如在图5中那样，脉冲频率在n个刺入步骤中直至刺穿地降低。此外，在图6所示的实施方式中，脉冲开启时间t_an在整个刺入过程期间保持恒定或几乎恒定。在后一种情况下，脉冲开启时间可以偏离在刺穿时间期间的平均脉冲开启时间的±20％或±10％。换言之，几乎恒定的脉冲开启时间可以位于从0.8*t_an至1.2*t_an或从0.9*t_an至1.1*t_an的带范围内。

优选地，根据工件厚度选择对于脉冲开启时间t_an的值。在这种情况下，平均脉冲功率或脉冲频率通过提高脉冲关闭时间t_aus，例如根据刺入时间(图6)或根据刺入深度(图7)降低。由此可以确保随着刺入深度的增加，熔融物在脉冲之间具有足够的时间，以便将其例如通过吹入的工艺气体从刺入孔中排出。

在图6所示的实施方式中，代替恒定的脉冲开启时间，照射的脉冲能量E_Puls，即脉冲峰值功率和脉冲开启时间的乘积，可以保持恒定，其它脉冲参数可以如在图6所示的实施方式中那样选择。可选地，脉冲能量可以设置为与材料和厚度相关的最小值。

在图7直观示出的另一实施方式中，工件厚度至少为20mm，脉冲峰值功率至少为4kW。用于刺入的方法具有至少三个具有不同脉冲频率的刺入步骤。在此，刺入过程以大于或等于与工件厚度相关的极限脉冲频率的第一脉冲频率开始(图7A：f_grenz≤f₁)。这可以相应于图5的步骤1。在预给定的刺入时间和/或刺入深度之后，脉冲频率降低到小于第一脉冲频率或极限脉冲频率的第二脉冲频率f₂(图7B：f₂<f₁或f₂<f_grenz≤f₁)。这可以相应于图5的步骤2。在进一步预给定的刺入时间和/或刺入深度之后，脉冲频率降低到小于第二脉冲频率的第三脉冲频率f₃(图7C：f₃<f₂)并保持直至刺穿9(参见图7D)。在图3的以6kW的脉冲峰值功率刺入到30mm厚的不锈钢工件的示例中，借助该方法可以将刺穿时间减少50％以上，即在500Hz的恒定脉冲频率下从1.7s减少到0.8s。在此，脉冲频率在刺入期间改变两次：从在刺入开始时的f₁＝588Hz的第一脉冲频率到f₂＝400Hz的第二脉冲频率，随后到f₃＝350Hz的第三脉冲频率。588Hz的第一脉冲频率f₁大于极限脉冲频率(参见图3A)。这引起在短的刺穿时间和安全刺穿方面优化的刺入过程。

如上所述，平均脉冲功率或脉冲频率不必单调或严格单调地减小。取而代之，平均脉冲功率或脉冲频率可以逐步或逐级降低，其中，平均脉冲功率或脉冲频率可以在每一步骤中在一个功率带或脉冲频带内移动。即在每个步骤期间，平均脉冲功率或脉冲频率位于具有预给定最小值和预给定最大值的带范围内。功率带可以通过±20％的偏差限定，尤其在刺入步骤(步骤n)期间的平均脉冲功率的平均值的±10％。类似地，脉冲频带可以通过±20％的偏差限定，尤其在刺入步骤(步骤n)期间的平均脉冲频率f_n的±10％。图8示出示例性的脉冲频带，其中脉冲频率可以在各个步骤1,...n期间移动。脉冲频带随着每一步骤移动到更小的值。例如，脉冲频带可以逐步或逐级减小。在图8中，脉冲频带如下定义：f_1,min＝0.8*f₁(或0.9*f₁)；f_1,max＝1.2*f₁(或1.1*f₁)；f_2,min＝0.8*f₂(或0.9*f₂)；f_2,max＝1.2*f₂(或1.1*f₂)；f_n,min＝0.8*f_n(或0.9*f_n)和f_n,max＝1.2*f_n(或1.1*f_n)。换言之，只要脉冲频率随着时间平均值直至刺穿降低，脉冲频率的略微增加就可以忽略不计。如果要通过改变另一脉冲参数来降低平均脉冲功率，例如通过延长脉冲关闭时间，该改变也可以逐步进行，其中，该脉冲参数在每一步骤中在该脉冲参数的平均值的±20％的带范围内，尤其在该步骤中位于该脉冲参数的平均值的±10％。

同样，平均脉冲功率或脉冲频率可以连续或几乎连续地减小。为此可以适用，平均脉冲功率或脉冲频率在随时间平均值减小的带范围中移动(参见图9)。即平均脉冲功率或脉冲频率随着时间上平均地降低。换言之，如果相应的拟合或回归线(图9中虚线)在刺穿时间期间，即从刺入开始直至刺穿具有负斜率，则平均脉冲功率或脉冲频率可以视为降低。因为平均脉冲功率或脉冲频率的时间上非常短的升高对于根据本发明的用于刺入的方法可以忽略。如果要通过改变另一脉冲参数来降低平均脉冲功率，例如通过延长脉冲关闭时间，该变化也可以连续或几乎连续地进行，只要该脉冲参数的拟合或回归线在刺穿时间期间具有负斜率。

根据本发明的实施方式，说明了一种用于借助激光束刺入到工件中的方法和设备，由此，使刺入持续时间最小化或刺入率最大化并且同时可以确保安全的刺穿和防止刺入停止。

Claims

1.一种借助激光束刺入到工件中的方法，包括：

将脉冲激光束(10)照射到工件(1)上，用于形成刺穿部(9)，

其中，所述脉冲激光束(10)的照射的平均脉冲功率(P_mittel)在刺入期间减小。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述照射的平均脉冲功率(P_mittel)离散地和/或逐步地和/或连续地减小。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述刺入期间，所述照射的平均脉冲功率(P_mittel)的拟合线具有负斜率。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述照射的平均脉冲功率(P_mittel)和/或脉冲频率(f)逐步地减小，并且在每个步骤期间位于具有预给定最小值和预给定最大值的带范围内。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述照射的平均脉冲功率(P_mittel)通过所述脉冲激光束(10)的脉冲参数的以下变化中的至少一个变化而减小：延长脉冲关闭时间(t_aus)、缩短脉冲开启时间(t_an)、降低脉冲频率(f)和降低脉冲占空比。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过延长所述脉冲关闭时间(t_aus)减小所述照射的平均脉冲功率(P_mittel)并且在刺入期间保持所述脉冲峰值功率(P_Peak)和/或所述脉冲开启时间(t_an)和/或脉冲能量(E_Puls)恒定。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在刺入开始时的第一刺入步骤中，第一脉冲频率(f₁)大于或等于预给定的极限脉冲频率。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述照射的平均脉冲功率(P_mittel)在至少两个步骤中减小，其中，在第一刺入步骤中，第一脉冲频率(f₁)大于或等于预给定的极限脉冲频率，并且第二刺入步骤中，第二脉冲频率(f₂)小于所述第一脉冲频率(f₁)或所述极限脉冲频率。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，所述预给定的极限脉冲频率取决于所述工件(1)的厚度和/或材料，和/或，其中，所述预给定的极限脉冲频率说明了开始出现刺入停止的脉冲频率。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述脉冲激光束(10)的脉冲参数中的至少一个脉冲参数根据工件的材料和/或厚度和/或瞬时刺入时间和/或瞬时刺入深度来调整，所述脉冲参数选自包括所述照射的平均脉冲功率、脉冲关闭时间、脉冲开启时间、脉冲频率、脉冲占空比和脉冲峰值功率的组。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述脉冲激光束(10)的脉冲关闭时间(t_aus)和/或脉冲开启时间(t_an)位于0.01ms至100ms之间或0.1ms至10ms之间的范围内。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述脉冲激光束(10)的脉冲频率位于200Hz至3000Hz之间或400Hz至2000Hz之间的范围内。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在刺入到具有大于20mm厚度的工件(1)中时，所述照射的平均脉冲功率(P_mittel)在至少两个步骤中改变。

14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述照射的平均脉冲功率(P_mittel)根据以下参数中的至少一个参数来控制：工件的厚度、工件的材料、当前刺入时间、当前刺入深度、工艺气体种类、工艺气体压力、激光加工头(100)的光学系统的成像比、焦点位置、焦点直径、激光束(10)的强度分布、喷嘴类型、喷嘴直径和到工件的喷嘴距离。

15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述刺入发生在金属工件、尤其金属板材中。

16.一种用于激光切割方法，包括：

根据前述权利要求中任一项所述的用于刺入的方法；和

借助激光束(10)从形成的刺穿部(9)出发切割。

17.一种用于工件(1)的激光加工材料的设备，包括：

用于产生激光束(10)的激光源(200)；

激光加工头(100)，用于将所述激光束(10)照射到工件上；和

控制装置(300)，该控制装置配置为用于控制所述设备，以便执行根据前述权利要求1至15中任一项所述的用于刺入的方法。