CN117773354A

CN117773354A - 用于形成纳米连接的方法、相关的计算机程序产品和具有纳米连接的工件

Info

Publication number: CN117773354A
Application number: CN202311264530.2A
Authority: CN
Inventors: T·凯泽; P·马赫
Original assignee: Trumpf European Ag
Current assignee: Trumpf European Ag
Priority date: 2022-09-29
Filing date: 2023-09-27
Publication date: 2024-03-29
Also published as: DE102022125140A1

Abstract

一种方法，该方法用于借助于激光射束(5)形成连接工件部分(12)与剩余工件(13)的纳米连接(14，14a，14b)，其中纳米连接所具有的高度(d)小于尤其呈板状的工件(6)的工件厚度(D)，其特征在于，通过将所述激光射束(5)脉冲化来形成所述纳米连接(14，14a，14b)。

Description

用于形成纳米连接的方法、相关的计算机程序产品和具有纳米连接的工件

技术领域

本发明涉及一种方法，该方法用于借助于激光射束形成连接工件部分与剩余工件的纳米连接(Nanojoint)，其中纳米连接所具有的高度小于尤其呈板状的工件的工件厚度，该工件包括工件部分和剩余工件。

背景技术

例如，通过DE 10 2017 213 394 A1已知这样的方法。

在板状工件的激光切割时重要的是，切割期间产生的料渣可以不受阻碍地从切割间隙向下排出。为了确保这一点，用于板状工件的激光切割机中的工件支架通常由多个支撑条构成，这些支撑条插入框架中。支撑条具有锯齿形状，从而与工件仅产生点状接触。根据支撑条上的工件部分的尺寸和位置的不同，在自由切割工件部分时，切割气体压力的作用可能会导致该部分发生倾斜。在这种情况下，工件部分会楔入支撑条之间并竖起，这可能会导致激光加工头或切割气体喷嘴与工件部分发生碰撞。此外，由于任意的位置，工件部分的自动化移除变得困难或者甚至受到阻碍。在位置不利的情况下，较小的工件部分可能会落入支撑条之间的空隙中，并因此到达布置在工件支架下方的料渣传送带或用于料渣的收集容器。

为了解决这个问题，已知的是，借助于所谓的微连接(Microjoint)(即，借助于保留在切割间隙中工件部分与周围的剩余工件之间的连接接片)将工件部分固定在剩余工件中，以消除倾斜。然而，使用微连接有一些缺点：微连接通常在整个工件厚度上延伸，使得对于厚度大于5mm的工件而言，用手从剩余工件中取出工件部分是非常困难的或者根本不可能。在取下工件部分之后，微连接的残留物保留在切割边缘处并且必须通过费时费力的后续加工被移除。此外，微连接通常设置在切割末端处。然而，如果在工件轮廓中需要多于一个微连接，那么只能通过额外的开糟及接近轮廓来产生微连接。由此降低了切割工艺的生产率。

从DE 10 2017 213 394 A1已知一种方法，该方法用于借助于激光射束沿轮廓对尤其呈板状的工件进行激光切割，其中在对工件进行激光切割时，为了产生不位于轮廓末端的、高度小于工件厚度的微连接，在轮廓的与微连接的长度相对应的部段上的激光射束的激光功率从足以切穿工件的较高激光功率降低至不足以完全切穿工件的较低激光功率，并且随后再次提高到较高激光功率。

从JPH 0716667 A已知从工件中部分地冲压出工件部分，其中在工件部分与剩余工件之间留下在整个工件厚度上延伸的微连接。随后，借助于激光来减小这些微连接的厚度。

在下文中，将高度小于工件厚度的微连接称为纳米连接。

发明内容

本发明的目的在于，给出一种用于形成纳米连接的简单且可靠的方法。

根据本发明，该目的通过一种方法来实现，该方法用于借助于激光射束形成连接工件部分与剩余工件的纳米连接，其中纳米连接所具有的高度小于尤其呈板状的工件的工件厚度，其中通过将激光射束脉冲化(gepulst)来形成纳米连接。本领域技术人员应理解的是，工件包括工件部分和剩余工件。

在此可以提出，在轮廓的应形成纳米连接的部段(Teilstück)的区域中对激光进行脉冲，并且因此仅去除工件的材料的一部分，从而产生高度小于工件厚度的纳米连接。

激光射束在脉冲期间可以静止。还可设想的是，激光射束和工件在脉冲期间相对于彼此移动。优选地，激光射束相对于工件相对缓慢地移动。根据工件厚度和所选择的切割工艺，工件与激光射束的相对速度可以小于每分钟0.5m。

借助于激光脉冲产生纳米连接的优点在于，可以产生具有经限定的横截面的纳米连接。尤其，可以产生具有矩形、例如正方形横截面的纳米连接。这便于随后取出工件部分。工件部分可以通过多个纳米连接与剩余工件相连接。

原则上可设想的是，在不事先产生微连接的情况下，借助于脉冲化的激光来形成纳米连接。然而，有利的是：首先，在轮廓的与纳米连接的长度相对应的部段上形成高度对应于工件厚度的微连接，并且随后通过借助于脉冲化的激光射束减小微连接的高度来形成纳米连接。

可以以如下方式产生微连接，即，除了对应于纳米连接的长度的部段之外，借助于激光射束沿轮廓从工件中切割或冲压出工件部分。应理解的是，以这种方式可以产生连接工件部分与剩余工件的多个微连接。

在此，可以通过在轮廓的末端处关闭激光来形成微连接。于是，轮廓的剩余材料形成微连接。替代性地，如果微连接不在轮廓的末端，那么可以暂时关闭激光，从而在轮廓的部段的区域中不切断工件并保留微连接。

特别优选的是，使脉冲化的激光射束以如下方式对准微连接，即，使得激光射束在距微连接一端的一定距离处照射微连接。尤其，当微连接相对较短时，将激光射束定位在微连接上方的某一点并且随后进行脉冲，就可能足以形成完整的纳米连接。在这种情况下，工件和激光射束无需进行相对运动。以此方式方法，可以特别简单且快速地产生纳米连接。

特别有利的是，使脉冲化的激光射束以如下方式对准微连接，即，使得激光射束相对于微连接的长度而言在中部照射微连接。通过这一措施，可以在其整个长度上形成纳米连接。

进一步有利的是，脉冲化的激光射束以相对于轮廓侧向偏移的方式对准微连接。在脉冲时，激光射束可能产生比切割间隙更宽的孔。因此，为了防止脉冲损坏要切割的工件部分，可以使激光射束相对于轮廓侧向偏移。

特别有利的是，使激光射束朝向剩余工件的方向偏移。因此，可以防止重要部分的损坏。

激光射束侧向偏移的程度(Maβ)可以为系数×切割间隙宽度，其中0<系数<1。由此可以确保，激光射束横向偏移得足够远，但不会偏移太远，从而确保形成纳米连接。如果激光射束偏移得太远，那么只会在剩余工件上产生孔，但微连接的高度不会减小。

可以根据工件厚度来选择系数。在此，工件厚度越大，系数就可以越大。

此外，可以根据切割工艺来选择系数。在确定因数时尤其可以考虑切割气体压力、脉冲频率、激光功率、喷嘴到工件的距离、焦点位置等切割参数。

可以将脉冲化的激光射束的脉冲频率选择为在10Hz至1000Hz的范围内的、优选500Hz。这样的脉冲频率已被证明对纳米连接的产生是特别有利的。在此，激光的平均功率可以在2000瓦至3500瓦的范围内。优选地，使用2800瓦的平均激光功率。脉冲峰值功率可以在3000瓦至5000瓦的范围内。优选地，使用4000瓦的脉冲峰值功率。如上文已经提到的，在脉冲期间激光射束相对于工件可以不移动。可以根据工件厚度来设定对微连接的脉冲去除(Abpulsen)的持续时间。例如，对微连接的脉冲去除的时间可以约为开槽所需时间的1/6至2/3。还可以根据纳米连接的期望高度来设定脉冲去除的持续时间。

脉冲化的激光射束的焦点位置可以位于工件中。在此，可以根据工件厚度来设定焦点位置。

当氮气用作切割气体时，用于形成纳米连接的气体压力可以在5巴至10巴的范围内，而当氧气用作切割气体时，气体压力可以在0.5巴至3巴的范围内。

激光切割头的喷嘴与工件的距离可以介于0.4至10mm之间。

如果微连接相对较长，那么激光射束可以在第一次脉冲过程之后沿微连接偏移并再次开始脉冲过程。根据微连接的长度的不同，可能需要再次重复此过程。

根据工件厚度的不同，脉冲过程的持续时间可能介于0.01至0.3秒之间。例如，对于厚度为3mm的工件，脉冲过程的持续时间可以在0.018秒的范围内，而对于厚度为6mm的工件，持续时间可以在0.035秒的范围内。此外，可以根据激光功率来选择或设定脉冲过程的持续时间。

根据一个方法变体可以提出，在形成纳米连接之前，停止工件和激光射束的相对运动并关闭激光射束。在这种情况下，被停止的相对运动并不是指激光加工头和工件垂直于工件支架或在激光射束的射束方向上的相对运动，而是指激光射束或激光加工头和工件沿轮廓或平行于包含该轮廓的平面的相对运动，即，尤其是平行于工件支架的相对运动。被停止的相对运动还被称为轴停止(Achsstopp)。

最后，本发明还涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品具有代码(Codemittel)，该代码匹配用于，当程序在激光加工机的控制装置上运行时，执行根据本发明的方法的所有步骤。

本发明还涉及一种工件，该工件具有纳米连接，纳米连接将工件部分与剩余工件相连接，并且纳米连接所具有的高度小于工件的工件厚度，其中纳米连接具有大体上呈矩形、尤其正方形的横截面。通过微连接的长度和脉冲时间可以设定矩形的尺寸。在大多数情况下，脉冲去除会导致在工件表面上出现熔融飞溅物，这些熔融飞溅物在脉冲期间会向上喷出。这些飞溅物主要位于剩余工件(废料侧)上。然而，飞溅物还可能位于工件部分上。

本发明主题的其他优点和有利的设计方案从说明书、权利要求和附图得出。上述和下文仍将详述的特征同样可以单独或多个以任意组合应用。所示出的和所描述的实施方式不应理解为穷尽的列举，而是更确切地说对于解说本发明而言具有示例性特征。

附图说明

图1示出适用于执行本发明方法的激光切割机；

图2a、图2b以俯视图(图2a)以及对应于图2a中的IIb-IIb的截面图(图2b)示出从工件中激光切割的工件部分，该工件部分通过纳米连接被保持在剩余工件中；

图3a、图3b示出微连接的形成；

图4a、图4b示出对微连接的第一部分的脉冲去除；

图5a、图5b示出对微连接的完全脉冲去除，以产生纳米连接。

具体实施方式

例如，在图1中立体展示的激光切割机1具有：作为激光射束发生器2的CO2激光器、二极管激光器或固体激光器，可移位的(激光)加工头3，以及工件支架4。在激光射束发生器2中产生激光射束5，该激光射束借助于(未示出的)光导线缆或(未示出的)偏转镜从激光射束发生器2被引导至加工头3。在工件支架4上布置有板状的工件6。借助于布置在加工头3中的聚焦光学器件使激光射束5对准工件6。此外，用切割气体7例如氧气、压缩空气和/或氮气来供应激光切割机1。相应的切割气体7的使用取决于工件材料和对切割边缘的品质要求。此外，存在抽吸装置8，该抽吸装置与位于工件支架4下方的抽吸通道9相连接。切割气体7被供应给加工头3的切割气体喷嘴10，并且与激光射束5一起从切割气体喷嘴射出。

在激光切割时，借助于具有适用于切穿工件6的切割参数的参数值的激光射束5沿期望的轮廓K对工件6进行切割，其中在此使激光射束5(然而替代性或附加地还有工件6)移动。为此，首先必须在要切割的轮廓K上或旁边在S点处向工件6中开槽，如图2a所示。

如图2a、图2b所示，在对工件6进行激光切割时，在激光切割而成的工件部分12与剩余工件13之间的切割间隙11中留下连接接片或纳米连接14a、14b，这些连接接片或纳米连接将工件部分12固定在剩余工件13中并因此防止工件部分相对于剩余工件13倾斜。如图2b所示，纳米连接14a、14b并非在整个工件厚度D上延伸，而是仅在工件厚度的下三分之一中延伸，即纳米连接所具有的高度d小于工件厚度D。纳米连接14a位于切割末端处，即，在再次到达自身闭合的轮廓K的起点前不远处产生纳米连接。相反，纳米连接14b不位于切割末端处，而是位于轮廓K的任意区段处。

借助以下附图来展示在工件厚度为3mm的工件中产生纳米连接的过程。如图3a所示，工件部分12几乎完全被激光射束5顺时针沿轮廓K切出。此时，激光射束5几乎位于轮廓K的末端。只有微连接20仍然存在并且将工件部分12与剩余工件13相连接。这一情况示意性地在图3b中示出，其示出了沿图3a的线A-A的截面图示。可以看到，微连接20在工件6的整个高度D上延伸。在所示的实施例中，微连接20具有0.5mm的长度。微连接被留在轮廓K的末端处，使得工件部分12不能倾斜。氮气用作切割气体。

在所示位置中，将激光射束5关闭。一方面，激光切割头3在轮廓K的方向上在微连接20上方移动。另一方面，激光切割头(相对于轮廓K)朝向剩余工件13的方向偏移，这在图4a、图4b中可以看到，其中图4b示出了根据图4a的B-B的截面图示。在所示的实施例中，激光射束5在微连接20上方朝向剩余工件13的方向偏移，偏移量为0.5×切割间隙宽度，即偏移量为0.15mm。由于在后续的工艺步骤中，激光射束5在脉冲时产生比切割间隙11更宽的孔，因此使激光射束5朝向剩余工件13偏移。如果不朝向剩余工件13的方向偏移，那么可能会损伤工件部分12。

随后，通过将激光射束5脉冲化来将微连接20在其高度上进行烧蚀(abtragen)。在此，在所示的实施例中，使用了500Hz的脉冲频率。激光的平均功率为2800瓦。脉冲峰值功率为4000瓦。在所示实施例中，在对微连接20进行脉冲去除(烧蚀)的过程中，激光射束5或加工头3和工件6没有实施移位运动(也就是说相对运动)。脉冲去除时间为0.018秒。对微连接20进行脉冲去除时的气体压力约为8巴。切割气体喷嘴10与工件表面的距离为1mm。激光焦点距切割气体喷嘴10的距离为10mm，即，激光焦点位于工件6的下方。利用所设定的参数，通过一次脉冲过程只能去除约0.3mm的微连接长度。这在图4b中可以看到，其中仍然留有一部分微连接20。出于这个原因，根据图5a、图5b，激光射束5沿微连接20朝向轮廓K的方向偏移，其中图5b示出了根据图5a的C-C的截面图示。这种偏移以系数2×切割间隙宽度的重合量进行。在这种情况下，为参数系数2同样选择了0.5的值。因此，重合量为0.15mm。随后，重复脉冲去除过程。在脉冲去除之后，现在以此方式产生的纳米连接14的高度为1.2mm。由此，工件部分12和剩余工件13的连接部的保持横截面减小了一半。工件部分12可以容易地从剩余工件13中被移除。

参数系数和系数2的值可以是相同或不同的。系数2还可以取≥1的值。尤其，系数2可以取在0<系数2<2范围内的值。

Claims

1.一种用于借助于激光射束(5)形成连接工件部分(12)与剩余工件(13)的纳米连接(14，14a，14b)的方法，其中，所述纳米连接(14，14a，14b)具有小于尤其呈板状的工件(6)的工件厚度(D)的高度(d)，其特征在于，

通过将所述激光射束(5)脉冲化来形成所述纳米连接(14，14a，14b)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，首先在轮廓(K)的与所述纳米连接(14，14a，14b)的长度(L)相对应的部段上形成高度对应于所述工件厚度(D)的微连接(20)，并且随后通过借助于脉冲化的激光射束(5)减小所述微连接(20)的高度来形成所述纳米连接(14，14a，14b)。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，以如下方式产生所述微连接(20)，即，除了对应于所述纳米连接(14，14a，14b)的长度(L)的部段之外，借助于激光射束(5)沿轮廓(K)从所述工件(6)切割出或冲压出所述工件部分(12)。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，使脉冲化的激光射束(5)以如下方式对准所述微连接(20)，使得所述脉冲化的激光射束在距离所述微连接(20)一端的一定距离处照射所述微连接(20)。

5.根据前述权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，使脉冲化的激光射束(5)以如下方式对准所述微连接(20)，使得所述脉冲化的激光射束相对于所述微连接的长度(L)而言在中部照射所述微连接(20)。

6.根据前述权利要求2至5中任一项所述的方法，其特征在于，脉冲化的激光射束(5)以相对于所述轮廓(K)侧向偏移的方式对准所述微连接(20)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使所述激光射束(5)朝向剩余工件(13)的方向偏移。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述激光射束(5)以系数×切割间隙宽度的程度进行侧向偏移，其中0<系数<1。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，根据所述工件厚度来选择所述系数。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，根据切割工艺来选择所述系数。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将脉冲化的激光射束的脉冲频率选择为在10Hz至1000Hz的范围内、优选500Hz。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述激光射束(5)在脉冲期间不相对于所述工件(6)移动。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在形成所述纳米连接(14，14a，14b)之前，停止所述工件(6)和所述激光射束(5)的相对运动并关闭所述激光射束(5)。

14.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品具有代码，所述代码匹配用于，当程序在激光切割机(1)的控制装置(15)上运行时，执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的所有步骤。

15.一种工件(6)，所述工件具有纳米连接(14，14a，14b)，所述纳米连接将工件部分(12)与剩余工件(13)相连接，并且所述纳米连接具有小于所述工件(6)的工件厚度(D)的高度(d)，其特征在于，所述纳米连接(14，14a，14b)具有大体上呈矩形、尤其正方形的横截面。