借助激光束刺入金屬工件中的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于借助激光束和過程氣體刺入金屬工件中的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在激光切割時，在刺入到厚的工件中時，在刺入孔的周圍產(chǎn)生由熔化并且再凝固的金屬或者金屬氧化物構(gòu)成的料堆，料堆的尺寸隨著板厚度增加而明顯增大。圍繞刺入孔周圍的附著物主要在要切割內(nèi)部幾何形狀和構(gòu)件小的情況下產(chǎn)生干擾，在小構(gòu)件中切割輪廓必然很靠近刺入位置地沿著刺入位置延伸。此外，激光加工頭的距離傳感器將料堆識別為干擾輪廓并且調(diào)節(jié)激光加工頭的運動使其從工件離開，這導(dǎo)致過程技術(shù)問題。為避免這種問題必要的是，減少或者避免工件上的附著料堆。
[0003]由JP05057469A已知一種刺入方法，在該方法的第一方法步驟中，在加工頭上的過程氣體噴嘴和工件表面之間具有大距離的情況下在工件表面中產(chǎn)生寬的、平坦的坑。接著，在噴嘴和工件表面之間具有小距離的情況下以較小的激光功率和較小的過程氣體壓力產(chǎn)生穿過工件延伸的刺入孔。
[0004]由DE102012014323A1已知，在刺入時在第一方法步驟中，在過程氣體噴嘴和工件表面之間具有大距離的情況下在工件上半部產(chǎn)生柱形的、寬的孔洞。接著在第二方法步驟中，將激光束聚焦到該寬的孔洞的底面上，以產(chǎn)生刺穿孔。在該第二方法步驟中，過程氣體僅對準(zhǔn)到該寬的孔洞中，而不對準(zhǔn)該孔洞的周圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明面臨的任務(wù)是，如下改善由JP05057469A已知刺入方法，使得在刺入工件中時能夠?qū)崿F(xiàn)更快的刺入和更小的熱量輸入。在刺入時的減小的熱量輸入對于刺入位置周圍的正確輪廓切割特別有利。
[0006]根據(jù)本發(fā)明，該任務(wù)通過一種用于借助激光束和過程氣體刺入到金屬工件中的方法解決，該方法具有下列步驟:
[0007]用于借助激光束(5)和過程氣體(7)刺入金屬工件￠)中的方法，具有下列步驟:
[0008]a)用惰性氣體、尤其氮氣作為過程氣體，通過用所述激光束刺入到所述工件中，在該工件中構(gòu)成不穿透的刺入孔；
[0009]b)借助在所述工件上調(diào)整到比在步驟a)中更大的射束直徑的激光束并且用氧氣作為過程氣體，將所述刺入孔的上部分?jǐn)U寬成在工件上側(cè)面上尤其同心地圍繞所述刺入孔的坑；和
[0010]c)借助所述激光束并且用氧氣作為過程氣體刺穿所述刺入孔。
[0011]在根據(jù)本發(fā)明的方法中，在兩個步驟a)和b)中都在工件上側(cè)面上進(jìn)行漏斗形的部分刺入(刺入漏斗)的形成，該刺入漏斗使熔化物的除去變得容易。在步驟c)中接著進(jìn)行直到板下側(cè)面的刺穿，其中，激光束由于之前形成的刺入漏斗而特別好地在材料的深處起作用，這導(dǎo)致快速的過程進(jìn)展。
[0012]在根據(jù)本發(fā)明的刺入方法的第一方法步驟a)中，用脈沖的或者連續(xù)的激光束并且用惰性氣體、優(yōu)選用氮氣刺入到工件中，形成沒有刺穿整個工件厚度的刺入孔。有利地，刺入孔只延伸至工件的上半部。通過使用惰性氣體作為過程氣體，不發(fā)生工件材料的不可控?zé)龘p。此外，輸入到工件中的能量保持較小，這在后面切割輪廓時對加工精確度起積極作用。
[0013]在刺入時熔化的工件材料堆積在刺入孔的周圍，形成料堆。在根據(jù)本發(fā)明的刺入方法的隨后的第二方法步驟b)中，使刺入孔的上部通過這樣方式擴(kuò)寬:用激光束在工件上比在步驟a)中更大的射束直徑并且用氧氣作為過程氣體，用脈沖的或者連續(xù)的激光束在工件上側(cè)面中，優(yōu)選相對于刺入孔同心地，產(chǎn)生一個坑。
[0014]在該第二方法步驟b)中，來自第一步驟a)的料堆與來自工件表面的其它材料一起被氧氣氧化，在此形成的氧化恪渣被過程氣體流吹走。形成一個淺的坑，在第一步驟a)中產(chǎn)生的刺入孔從該坑的底面出發(fā)繼續(xù)向工件內(nèi)部延伸。即該坑僅向工件中延伸達(dá)到刺入孔的一小部分。以此方式總體在工件上側(cè)中形成漏斗形的孔洞。刺入漏斗的根據(jù)本發(fā)明的兩級構(gòu)造具有的優(yōu)點是，在工件上側(cè)面上圍繞刺入漏斗周圍不再有附著的工件材料并且僅向工件中進(jìn)行極少的熱量輸入。形成具有清晰限界的邊緣和干凈的四周的刺入漏斗。
[0015]優(yōu)選激光束的焦點第一步驟a)中位于工件表面的上方，使得形成相對較寬的刺入孔作為之后的刺入漏斗“桿部”。尤其優(yōu)選激光束的焦點第二步驟b)中布置在工件表面上方更遠(yuǎn)處，附加地，激光束在焦點中的直徑，即焦點直徑，比在第一步驟a)中大。通過這樣的方式使激光束在工件表面上的功率密度減小并且在工件上的照射直徑變大，使得在照射工件時在工件表面形成大直徑的、淺的坑。
[0016]激光焦點在垂直方向上的移動可以例如通過加工頭中的聚焦光具的一個或者多個透鏡的移動或者通過自由射束光具中的適配鏡來進(jìn)行。在激光束用光纖導(dǎo)向的情況下，焦點直徑的擴(kuò)大可以例如通過激光器和加工頭之間的雙層光纖中的光纖芯和光纖殼之間的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)，如同在文獻(xiàn)DE102010003750A1說明的那樣。
[0017]優(yōu)選至少補充地還改變加工頭到工件表面的距離，即過程氣體噴嘴和工件表面之間的距離。在第一方法步驟a)中應(yīng)該已設(shè)定過程氣體噴嘴和工件表面之間的相對較大距離(例如約為20_)，使得能夠避免由于熔化的金屬引起的過程氣體噴嘴污染。在第二方法步驟b)中，優(yōu)選過程氣體噴嘴和工件表明之間的距離還進(jìn)一步增大(例如到約80mm)，使得工件表面上的照射面擴(kuò)大。
[0018]刺入孔直到工件下側(cè)面的刺穿在第三方法步驟c)中進(jìn)行，在該第三方法步驟中，激光束居中地定位在刺入孔上方，用氧氣作為過程氣體并且用脈沖的或者連續(xù)的激光束從刺入漏斗的底部出發(fā)刺穿工件，其中，激光束的焦點可以穿過漏斗形的預(yù)刺入部比漏斗底部更深地位于工件中。這對在刺穿時的有效率能量輸入具有決定性優(yōu)勢，因為激光束能夠在沒有遮蔽的情況下深入聚焦到材料中。
[0019]還表明，刺入孔的在方法步驟a)和b)中產(chǎn)生的漏斗形輪廓特別好地能夠?qū)⒃诶^續(xù)刺入(刺穿)時產(chǎn)生的熔渣遠(yuǎn)離刺入孔地輸送出去。通過這種方式，熔化物在它再次碰到工件表面之前冷卻，而不附著在工件表面上。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的方法不但能夠應(yīng)用到固體激光器切割機(jī)上，也能夠應(yīng)用在具有C02激光器的激光切割機(jī)上，尤其在刺入到由結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)成的板狀工件時是有利的。
[0021]優(yōu)選過程氣體噴嘴和工件表面之間距離在刺穿時比在兩個方法步驟a)和b)中都小(例如約為5mm)，使得過程氣體能夠良好地耦入到刺入孔中。刺穿可以或者不受調(diào)節(jié)地以連續(xù)升高的激光功率進(jìn)行，或者在借助已知的刺入傳感器裝置調(diào)節(jié)的情況下進(jìn)行。在第二方法步驟b)中產(chǎn)生的坑的底部上的、在第一方法步驟a)中產(chǎn)生的刺入孔在第三方法步驟c)中用作激光束的光通道。以這種方式激光束更好地到達(dá)工件中，并且達(dá)到激光束的更好的深度作用。因此，刺穿孔有明顯較小的直徑，并且與在迄今通常的刺入方法中相比較向工件中進(jìn)行更少的熱量輸入。用這種方式形成少的、可堆積在工件上的熔渣，并且使得能夠?qū)崿F(xiàn)在刺入位置周圍的正確輪廓切割。
[0022]所述三個方法步驟a)至c)可以不連續(xù)地相續(xù)實施。在此，在結(jié)束第一方法步驟a)后，將激光束關(guān)閉并且將加工頭垂直向上離開工件地移動。此時或者此后，將過程氣體從氮氣切換到氧氣。接著將激光束點著并且實施第二方法步驟b)。加工頭在第二和第三方法步驟之間的定位運動也在激光束關(guān)閉的情況下進(jìn)行。替換地，這三個方法步驟a)至c)可以連續(xù)地相續(xù)實施，其中，激光束保持